武漢理工大學(xué)10級(jí)微波復(fù)習(xí)題及答案

PAGE9PAGEPAGE3微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)提綱（2010級(jí)）一、思考題什么是微波？微波有什么特點(diǎn)？答：微波是電磁波譜中介于超短波與紅外線之間的波段，頻率范圍從300MHZ到3000GHZ，波長(zhǎng)從0.1mm到1m；微波的特點(diǎn)：似光性、穿透性、寬頻帶特性、熱效應(yīng)特性、散射特性、抗低頻干擾特性、視距傳播性、分布參數(shù)的不確定性、電磁兼容和電磁環(huán)境污染。試解釋一下長(zhǎng)線的物理概念，說(shuō)明以長(zhǎng)線為基礎(chǔ)的傳輸線理論的主要物理現(xiàn)象有哪些？一般是采用哪些物理量來(lái)描述？答：長(zhǎng)線是指?jìng)鬏斁€的幾何長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)相比擬的的傳輸線；以長(zhǎng)線為基礎(chǔ)的物理現(xiàn)象：傳輸線的反射和衰落；主要描述的物理量有：輸入阻抗、反射系數(shù)、傳輸系數(shù)和駐波系數(shù)。微波技術(shù)、天線與電波傳播三者研究的對(duì)象分別是什么？它們有何區(qū)別和聯(lián)系？答：微波技術(shù)、天線與電磁波傳播是無(wú)線電技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，它們共同的基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論，但三者研究的對(duì)象和目的有所不同。微波技術(shù)主要研究引導(dǎo)電磁波在微波傳輸系統(tǒng)中如何進(jìn)行有效的傳輸，它希望電磁波按一定要求沿傳輸系統(tǒng)無(wú)輻射地傳輸；天線是將微波導(dǎo)行波變成向空間定向輻射的電磁波，或?qū)⒖臻g的電磁波變成微波設(shè)備中的導(dǎo)行波；電波傳播研究電波在空間的傳播方式和特點(diǎn)。試解釋傳輸線的工作特性參數(shù)（特性阻抗、傳播常數(shù)、相速和波長(zhǎng)）。答：傳輸線的工作特性參數(shù)主要有特征阻抗Z0，傳輸常數(shù)QUOTE錯(cuò)誤!未找到引用源。，相速及波長(zhǎng)。1)特征阻抗即傳輸線上入射波電壓與入射波電流的比值或反射波電壓與反射波電流比值的負(fù)值，其表達(dá)式為,它僅由自身的分布參數(shù)決定而與負(fù)載及信號(hào)源無(wú)關(guān)；2）傳輸常數(shù)是描述傳輸線上導(dǎo)行波的衰減和相移的參數(shù)，其中，和分別稱為衰減常數(shù)和相移常數(shù)，其一般的表達(dá)式為;3)傳輸線上電壓、電流入射波（或反射波）的等相位面沿傳播方向傳播的速度稱為相速，即；4）傳輸線上電磁波的波長(zhǎng)與自由空間波長(zhǎng)的關(guān)系。傳輸線狀態(tài)參量輸入阻抗、反射系數(shù)、駐波比是如何定義的，有何特點(diǎn)，并分析三者之間的關(guān)系。答：輸入阻抗：傳輸線上任一點(diǎn)的阻抗Zin定義為該點(diǎn)的電壓和電流之比，與導(dǎo)波系統(tǒng)的狀態(tài)特性無(wú)關(guān)，反射系數(shù)：傳輸線上任意一點(diǎn)反射波電壓與入射波電壓的比值稱為傳輸線在該點(diǎn)的反射系數(shù)，對(duì)于無(wú)耗傳輸線，它的表達(dá)式為駐波比：傳輸線上波腹點(diǎn)電壓振幅與波節(jié)點(diǎn)電壓振幅的比值為電壓駐波比，也稱為駐波系數(shù)。反射系數(shù)與輸入阻抗的關(guān)系：當(dāng)傳輸線的特性阻抗一定時(shí)，輸入阻抗與反射系數(shù)一一對(duì)應(yīng)，因此，輸入阻抗可通過(guò)反射系數(shù)的測(cè)量來(lái)確定；當(dāng)時(shí)，=0，此時(shí)傳輸線上任一點(diǎn)的反射系數(shù)都等于0，稱之為負(fù)載匹配。駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系：，駐波比的取值范圍是；當(dāng)傳輸線上無(wú)反射時(shí)，駐波比為1，當(dāng)傳輸線全反射時(shí)，駐波比趨于無(wú)窮大。顯然，駐波比反映了傳輸線上駐波的程度，即駐波比越大，傳輸線的駐波就越嚴(yán)重。簡(jiǎn)述傳輸線的行波狀態(tài)，駐波狀態(tài)和行駐波狀態(tài)。行波狀態(tài)：行波狀態(tài)就是無(wú)反射的傳輸狀態(tài)，此時(shí)反射系數(shù)=0，而負(fù)載阻抗等于傳輸線的特性阻抗，即Zl=Z0;駐波狀態(tài)：駐波狀態(tài)就是全反射狀態(tài)，也即終端反射系數(shù)||=1。|Z1-Z0/Z1+Z0|=||=1行駐波狀態(tài)：當(dāng)微波傳輸線終端接任意復(fù)數(shù)阻抗負(fù)載時(shí)，由信號(hào)源入射的電磁波功率一部分被終端負(fù)載吸收，另一部分則被反射，因此傳輸線上既有行波也有純駐波，構(gòu)成混合波狀態(tài)，故稱之為行駐波狀態(tài)。分析無(wú)耗傳輸線呈純駐波狀態(tài)時(shí)終端可接那幾種負(fù)載，各自對(duì)應(yīng)的電壓波腹點(diǎn)分布。答：終端負(fù)載為短路、開路或純阻抗三種情況之一。終端負(fù)載短路時(shí)，z=(2n+1)λ/4(n=0,1,2,…)處為電壓波腹點(diǎn)。終端負(fù)載開路時(shí)，z=nλ/2(n=0,1,2,…)處為電壓波腹點(diǎn)。終端負(fù)載為純電感jXL時(shí)，處為波腹點(diǎn)；終端負(fù)載為純電容-jXC時(shí)，處為波腹點(diǎn)。阻抗匹配的意義，阻抗匹配有哪三者類型，并說(shuō)明這三種匹配如何實(shí)現(xiàn)？答：阻抗匹配的意義：對(duì)一個(gè)由信號(hào)源、傳輸線和負(fù)載構(gòu)成的系統(tǒng)，希望信號(hào)源在輸出最大功率時(shí)，負(fù)載全部吸收，以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的傳輸，阻抗匹配有三種類型，分別是：負(fù)載阻抗匹配、源阻抗匹配和共軛阻抗匹配。微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)中，如何將波導(dǎo)管等效成平行傳輸線的？答：為定義任意傳輸系統(tǒng)某一參考面上的電壓和電流，作以下規(guī)定：①電壓U(z)和電流I(z)分別與Et和Ht成正比；②電壓U(z)和電流I(z)共軛乘積的實(shí)部應(yīng)等于平均傳輸功率；③電壓和電流之比應(yīng)等于對(duì)應(yīng)的等效特性阻抗值。對(duì)任一導(dǎo)波系統(tǒng)，不管其橫截面形狀如何，也不管傳輸哪種波形，其橫向電磁場(chǎng)總可以表示為：式中，是二維實(shí)函數(shù)，代表了橫向場(chǎng)的模式橫向分布函數(shù)；是一維標(biāo)量函數(shù)，它們反映了橫向電磁場(chǎng)各模式沿傳播方向的變化規(guī)律。列出微波等效電路網(wǎng)絡(luò)常用有5種等效電路的矩陣表示，并說(shuō)明矩陣中的參數(shù)是如何測(cè)量得到的。答：（1）阻抗參量當(dāng)端口②開路時(shí)，I2＝0，網(wǎng)絡(luò)阻抗參量方程變?yōu)椋寒?dāng)端口①開路時(shí)，I1＝0，網(wǎng)絡(luò)阻抗參量方程變?yōu)椋海?）導(dǎo)納參量當(dāng)端口②短路時(shí)，U2＝0，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納參量方程變?yōu)椋寒?dāng)端口①短路時(shí)，U1＝0，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納參量方程變?yōu)椋海?）轉(zhuǎn)移參量當(dāng)端口②開路時(shí)，I2＝0，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移參量方程變?yōu)椋寒?dāng)端口②短路時(shí)，U2＝0，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移參量方程變?yōu)椋篈11：端口②開路時(shí)，端口①到端口②電壓傳輸系數(shù)的倒數(shù)；A21：端口②開路時(shí)，端口①與端口②之間的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納；A22：端口②短路時(shí)，端口①到端口②電流傳輸系數(shù)的倒數(shù)；A12：端口②短路時(shí)，端口①與端口②之間的轉(zhuǎn)移阻抗。（4）散射矩陣當(dāng)端口②接匹配負(fù)載時(shí)，a2＝0，網(wǎng)絡(luò)散射參量方程變?yōu)椋寒?dāng)端口①接匹配負(fù)載時(shí)，a1＝0，網(wǎng)絡(luò)散射參量方程變?yōu)椋篠參量各參數(shù)的物理意義為：S11：端口②接匹配負(fù)載時(shí)，端口①的反射系數(shù)；S21：端口②接匹配負(fù)載時(shí)，端口①到端口②波的傳輸系數(shù)；S22：端口①接匹配負(fù)載時(shí)，端口②的反射系數(shù)；S12：端口①接匹配負(fù)載時(shí)，端口①與端口②波的傳輸系數(shù)。（5）傳輸矩陣當(dāng)用a1、b1作為輸入量,a2、b2作為輸出量,此時(shí)有以下線性方程:雙口網(wǎng)絡(luò)中S11=，S21=。S參數(shù)如何測(cè)量。答：對(duì)于互易雙端口網(wǎng)絡(luò)，S12=S21，故只要測(cè)量求得S11、S22及S12三個(gè)量就可以了。設(shè)終端負(fù)載阻抗為，終端反射系數(shù)為，則有：a2=b2，代入得輸入端參考面處的反射系數(shù)為令終端短路、開路和接匹配負(fù)載時(shí)，測(cè)得的輸入端反射系數(shù)分別為，代入上式解得：多口網(wǎng)絡(luò)矩陣的性質(zhì)：網(wǎng)絡(luò)互易有，網(wǎng)絡(luò)無(wú)耗有，網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱時(shí)有。簡(jiǎn)述微波元器件中有源元器件和無(wú)源元器件在微波電路中的作用。微波元器件按照變換性質(zhì)分為線性互易元器件，線性非互易元器件，非線性元器件。阻抗匹配元器件的定義、作用，并舉例說(shuō)明有哪些阻抗匹配元件。答：阻抗匹配元器件是用于調(diào)整傳輸系統(tǒng)與終端之間的阻抗匹配元件，它們的作用是為了消除反射，提高傳輸效率，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。主要包括螺釘調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等。寫出理想的雙口元件的矩陣，理想衰減器的=，理想相移器=，理想隔離器=。功率分配元器件的定義，并舉例說(shuō)明有哪些？答：將一路微波功率按比例分成幾路的元件稱為功率分配元件，主要包括定向耦合器、功率分配器以及各種微波分支器件。簡(jiǎn)述雙分支定向耦合器的工作原理，并寫出3dB雙分支定向耦合器的矩陣。答：假設(shè)輸入電壓信號(hào)從端口“①”經(jīng)A點(diǎn)輸入，則到的D點(diǎn)的信號(hào)有兩路，一路由分支線直達(dá)，其波行程為λg/4，另一路由A→B→C→D，波行程為3λg/4,；故兩條路徑到達(dá)的波行程差為λg/2，相應(yīng)的相位差為π，即相位相反。因此若選擇合適的特性阻抗，使到達(dá)的兩路信號(hào)的振幅相等，則端口“④”處的兩路信號(hào)相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)隔離。同樣由A→C的兩路信號(hào)為同相信號(hào)，故在端口“③”有耦合輸出信號(hào)，即端口“③”為耦合端。耦合端輸出信號(hào)的大小同樣取決于各線的特性阻抗。簡(jiǎn)述E-T和H-T分支的主要區(qū)別，并畫出它們的等效電路。答：E-T和H-T分支都是在主波導(dǎo)寬邊面上的分支，其軸線平行于主波導(dǎo)的模的電場(chǎng)方向，不同點(diǎn)在于E-T分支相當(dāng)于分支波導(dǎo)與主波導(dǎo)串聯(lián)，而H-T分支相當(dāng)于并聯(lián)于主波導(dǎo)的分支線。簡(jiǎn)述天線的定義和功能。答：用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置稱為天線?；竟δ埽?）天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變成電磁波能量；2）天線具有方向性；3）天線有適當(dāng)?shù)臉O化。4）天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。簡(jiǎn)述天線近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn)。答：近區(qū)場(chǎng)：①在近區(qū),電場(chǎng)和與靜電場(chǎng)問(wèn)題中的電偶極子的電場(chǎng)相似,磁場(chǎng)和恒定電流場(chǎng)問(wèn)題中的電流元的磁場(chǎng)相似,所以近區(qū)場(chǎng)稱為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。②由于場(chǎng)強(qiáng)與的高次方成正比,所以近區(qū)場(chǎng)隨距離的增大而迅速減小,即離天線較遠(yuǎn)時(shí),可認(rèn)為近區(qū)場(chǎng)近似為零。③電場(chǎng)與磁場(chǎng)相位相差90°，說(shuō)明玻印廷矢量為虛數(shù),也就是說(shuō),電磁能量在場(chǎng)源和場(chǎng)之間來(lái)回振蕩,沒(méi)有能量向外輻射,所以近區(qū)場(chǎng)又稱為感應(yīng)場(chǎng)。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)：①在遠(yuǎn)場(chǎng)，電基本振子的場(chǎng)只有和兩個(gè)分量，它們?cè)诳臻g上相互垂直，在時(shí)間上同相位，所以其玻印亭矢量是實(shí)數(shù)，且指向方向。這說(shuō)明電基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是一個(gè)沿著徑向向外傳播的橫電磁波，故遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱輻射場(chǎng)。②是一個(gè)常數(shù)，即等于媒質(zhì)的本征阻抗，因而遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)具有與平行波相同的特性。③輻射場(chǎng)的強(qiáng)度與距離成反比，隨著距離的增大，輻射場(chǎng)減小。這是因?yàn)檩椛鋱?chǎng)是以球面波的形式向外擴(kuò)散的，當(dāng)距離增大時(shí)，輻射能量分布到更大的球面面積上。④在不同的方向上，輻射強(qiáng)度不相等。這說(shuō)明電基本振子的輻射是有方向性的。天線的電參數(shù)有哪些？答：天線的電參數(shù)有：主瓣寬度、旁瓣電平、前后比、方向系數(shù)。電基本振子的歸一化方向函數(shù)，方向系數(shù)D=1.5，輻射電阻，3dB波瓣寬度900.試畫出沿z軸放置電基本振子的E平面和H平面的方向圖。（a）圖為電基本振子E平面方向圖（b）為電基本振子H平面方向圖解釋天線的方向圖，以及E面和H面？答：如果將作為空間角度q和f函數(shù)的天線方向性函數(shù)以圖形的形式表示出來(lái)，則稱為方向圖或方向性圖。E面：包含最大輻射方向，電場(chǎng)矢量所在的平面（由電場(chǎng)強(qiáng)度方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面），H面：包含最大輻射方向，磁場(chǎng)矢量所在的平面（由磁場(chǎng)方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面）。簡(jiǎn)述什么是天線的極化，極化的分類？答：天線的極化是天線在最大輻射方向上輻射場(chǎng)的極化，一般是指輻射電場(chǎng)的空間取向。輻射場(chǎng)的極化是指在空間某一固定位置上電場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)的軌跡。根據(jù)軌跡形狀不同，可分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化：電場(chǎng)矢量沿著一條線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。線極化分為水平極化和垂直極化。圓極化：電場(chǎng)矢量的大小不變，其末端做圓周運(yùn)動(dòng)。分為左旋圓極化和右旋圓極化。橢圓極化：電場(chǎng)矢量大小隨時(shí)間變化，其末端運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓。分為左旋橢圓極化和右旋橢圓極化。簡(jiǎn)述波瓣寬度。答：波瓣寬度是衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。通常它取方向圖主瓣兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的寬度，在場(chǎng)強(qiáng)方向圖中，等于最大場(chǎng)強(qiáng)的1/兩點(diǎn)之間的寬度，稱為半功率波瓣寬度；有時(shí)也將頭兩個(gè)零點(diǎn)之間的角寬作為主瓣寬度，稱為零功率波瓣寬度。從接收角度講,對(duì)天線的方向性有哪些要求？答：1）主瓣寬度盡可能窄，以抑制干擾，但如果干擾與有用信號(hào)來(lái)自同一方向，即使主瓣寬度很窄，也不能抑制干擾，另一方面當(dāng)來(lái)波方向易于變化時(shí)，主瓣太窄難以保證穩(wěn)定的接收，如何選擇主瓣寬度，應(yīng)根據(jù)具體情況而定。2）旁瓣電平盡可能低，在任何情況下，都希望電平盡可能地低。3）要求天線方向圖中，最好有一個(gè)或多個(gè)可控制的零點(diǎn)，以便將零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，而且當(dāng)干擾方向變化時(shí)，零點(diǎn)方向也隨之改變，以抑制干擾，這也稱為零點(diǎn)自動(dòng)形成技術(shù)什么是衰落？簡(jiǎn)述引起衰落的原因。答：所謂衰落，一般是指信號(hào)電平隨時(shí)間的隨機(jī)起伏。引起衰落的原因大致分為兩大類：吸收性衰落和干涉型衰落。吸收性衰落：由于傳輸媒質(zhì)電參數(shù)的變化，使得信號(hào)在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化，如大氣中的云霧等都對(duì)電波有吸收作用，由于氣象的隨機(jī)性，因而這種吸收的強(qiáng)弱也有起伏，形成信號(hào)的衰落。干涉型衰落：由隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的信號(hào)幅度和相位的隨機(jī)起伏稱為干涉型衰落。什么是波長(zhǎng)縮短效應(yīng)？試簡(jiǎn)要解釋其原因。對(duì)稱振子上的相移常數(shù)β大于自由空間的波數(shù)k，亦即對(duì)稱振子上的波長(zhǎng)短于自由空間波長(zhǎng)，這是一種波長(zhǎng)縮短現(xiàn)象。①對(duì)稱振子輻射引起振子電流衰減,使振子電流相速減小,相移常數(shù)β大于自由空間的波數(shù)k,致使波長(zhǎng)縮短;②由于振子導(dǎo)體有一定半徑,末端分布電容增大（稱為末端效應(yīng)）,末端電流實(shí)際不為零,這等效于振子長(zhǎng)度增加,因而造成波長(zhǎng)縮短。振子導(dǎo)體越粗,末端效應(yīng)越顯著,波長(zhǎng)縮短越嚴(yán)重。證明方向性系數(shù)對(duì)稱振子天線在臂長(zhǎng)等于多少時(shí)方向性最好？答:時(shí)，方向性最好。半波對(duì)稱振子的方向系數(shù)：1.64。半波振子的78o。天線的有效面積。答：有效接收面積是衡量一個(gè)天線接收無(wú)線電波能力的重要指標(biāo)。它的定義為:當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來(lái)波方向進(jìn)行接收時(shí),接收天線傳送到匹配負(fù)載的平均功率為PLmax,并假定此功率是由一塊與來(lái)波方向相垂直的面積所截獲,則這個(gè)面積就稱為接收天線的有效接收面積,記為Ae,即有 式中,Sav為入射到天線上電磁波的時(shí)間平均功率流密度，其值為簡(jiǎn)述天線增益的定義。答：天線增益是這樣定義的。即輸入功率相同時(shí)，某天線在某一方向上的遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的功率流密度S1與理想點(diǎn)源（無(wú)方向性）天線在同一方向同一距離處產(chǎn)生的功率流密度S0的比值，稱為該天線在該方向上的增益系數(shù)，簡(jiǎn)稱增益，常用G表示。寫出陣列天線的方向圖乘積定理，并作說(shuō)明。答：由上式可得到如下結(jié)論：在各天線元為相似元的條件下，天線陣的方向圖函數(shù)是單元因子與陣因子之積。這個(gè)特性稱為方向圖乘積定理。式中，稱為元因子；稱為陣因子。元因子表示組成天線陣的單個(gè)輻射元的方向圖函數(shù)，其值僅取決于天線元本身的類型和尺寸。它體現(xiàn)了天線元的方向性對(duì)天線陣方向性的影響。陣因子表示各向同性元所組成的天線陣的方向性，其值取決于天線陣的排列方式及其天線元上激勵(lì)電流的相對(duì)振幅和相位，與天線元本身的類型和尺寸無(wú)關(guān)。53