微波技術(shù)及天線復(fù)習(xí)題_第1頁(yè)
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..微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)題填空題1微波與電磁波譜中介于〔超短波〕與〔紅外線〕之間的波段,它屬于無(wú)線電波中波長(zhǎng)〔最短〕的波段,其頻率圍從〔300MHz〕至〔3000GHz〕,通常以將微波波段劃分為〔分米波〕、〔厘米波〕、〔毫米波〕和〔亞毫米波〕四個(gè)分波段。2對(duì)傳輸線場(chǎng)分析方法是從〔麥克斯韋方程〕出發(fā),求滿足〔邊界條件〕的波動(dòng)解,得出傳輸線上〔電場(chǎng)〕和〔磁場(chǎng)〕的表達(dá)式,進(jìn)而分析〔傳輸特性〕。3無(wú)耗傳輸線的狀態(tài)有〔行波狀態(tài)〕、〔駐波狀態(tài)〕、〔行、駐波狀態(tài)〕。4在波導(dǎo)中產(chǎn)生各種形式的導(dǎo)行模稱(chēng)為波導(dǎo)的〔鼓勵(lì)〕,從波導(dǎo)中提取微波信息稱(chēng)為波導(dǎo)的〔耦合〕,波導(dǎo)的鼓勵(lì)與耦合的本質(zhì)是電磁波的〔輻射〕和〔接收〕,由于輻射和接收是〔互易〕的,因此鼓勵(lì)與耦合具有一樣的〔場(chǎng)〕構(gòu)造。5微波集成電路是〔微波技術(shù)〕、〔半導(dǎo)體器件〕、〔集成電路〕的結(jié)合。6光纖損耗有〔吸收損耗〕、〔散射損耗〕、〔其它損耗〕,光纖色散主要有〔材料色散〕、〔波導(dǎo)色散〕、〔模間色散〕。7在微波網(wǎng)絡(luò)中用〔"路〞〕的分析方法只能得到元件的外部特性,但它可以給出系統(tǒng)的一般〔傳輸特性〕,如功率傳遞、阻抗匹配等,而且這些結(jié)果可以通過(guò)〔實(shí)際測(cè)量〕的方法來(lái)驗(yàn)證。另外還可以根據(jù)微波元件的工作特性〔綜合〕出要求的微波網(wǎng)絡(luò),從而用一定的〔微波構(gòu)造〕實(shí)現(xiàn)它,這就是微波網(wǎng)絡(luò)的綜合。8微波非線性元器件能引起〔頻率〕的改變,從而實(shí)現(xiàn)〔放大〕、〔調(diào)制〕、〔變頻〕等功能。9電波傳播的方式有〔視路傳播〕、〔天波傳播〕、〔地面波傳播〕、〔不均勻媒質(zhì)傳播〕四種方式。10面天線所載的電流是〔沿天線體的金屬外表分布〕,且面天線的口徑尺寸遠(yuǎn)大于〔工作波長(zhǎng)〕,面天線常用在〔微波波段〕。11對(duì)傳輸線場(chǎng)分析方法是從〔麥克斯韋方程〕出發(fā),求滿足〔邊界條件〕的波動(dòng)解,得出傳輸線上〔電場(chǎng)〕和〔磁場(chǎng)〕的表達(dá)式,進(jìn)而分析〔傳輸特性〕。12微波具有的主要特點(diǎn)是〔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〕。13對(duì)傳輸線等效電路分析方法是從〔傳輸線方程〕出發(fā),求滿足〔邊界條件〕的電壓、電流波動(dòng)解,得出沿線〔等效電壓、電流〕的表達(dá)式,進(jìn)而分析〔傳輸特性〕,這種方法實(shí)質(zhì)上在一定條件下是〔"化場(chǎng)為路〞〕的方法。14傳輸線的三種匹配狀態(tài)是〔負(fù)載阻抗匹配〕、〔源阻抗匹配〕、〔共軛阻抗匹配〕。15波導(dǎo)的鼓勵(lì)有〔電鼓勵(lì)〕、〔磁鼓勵(lì)〕、〔電流鼓勵(lì)〕三種形式。16只能傳輸〔一種模式〕的光纖稱(chēng)為單模光纖,其特點(diǎn)是〔頻帶很寬〕、〔容量很大〕,單模光纖所傳輸?shù)哪J綄?shí)際上是圓形介質(zhì)波導(dǎo)的主?!病?,它沒(méi)有〔截止頻率〕。17微波網(wǎng)絡(luò)是在分析〔場(chǎng)〕分布的根底上,用〔路〕的分析方法,將微波元件等效為〔電抗或電阻〕元件,將實(shí)際的導(dǎo)波傳輸系統(tǒng)等效為〔傳輸線〕,從而將實(shí)際的微波系統(tǒng)簡(jiǎn)化為〔微波網(wǎng)絡(luò)〕。18微波元件是對(duì)微波信號(hào)進(jìn)展必要的〔處理〕或〔變換〕,微波元件按變換性質(zhì)可以分為〔線性互易元器件〕、〔非線性互易元器件〕、〔非線性元器件〕三大類(lèi)。19研究天線的實(shí)質(zhì)是研究天線在空間產(chǎn)生的〔電磁場(chǎng)〕分布,空間任意一點(diǎn)的電磁場(chǎng)都滿足〔麥克斯韋方程〕和〔邊界條件〕,因此求解天線問(wèn)題實(shí)質(zhì)是求解〔電磁場(chǎng)方程并滿足邊界條件〕。20橫向尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸并小于〔波長(zhǎng)〕的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)造天線稱(chēng)為線天線,它們廣泛地應(yīng)用于〔通信、雷達(dá)〕等無(wú)線電系統(tǒng)中,它的研究根底是〔等效傳輸線理論〕。21用口徑場(chǎng)方法求解面天線的輻射場(chǎng)的方法是:先由場(chǎng)源求得口徑面上的〔場(chǎng)分布〕,再求出天線的〔輻射場(chǎng)〕,分析的根本依據(jù)是〔惠更斯――菲涅爾原理〕。問(wèn)答題1、拋物面天線的工作原理是什么?(8分)答:置于拋物面天線焦點(diǎn)的饋源將高頻導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變成電磁波能量并投向拋物反射面,如果饋源輻射理想的球面波,而且拋物面口徑尺寸為無(wú)限大時(shí),那么拋物面就把球面波變?yōu)槔硐氲钠矫娌ǎ芰垦豘軸正向傳播,其它方向的輻射為零,從而獲得很強(qiáng)的方向性。2、什么是視距傳播?簡(jiǎn)述其特點(diǎn)。〔8分〕發(fā)射天線和接收天線處于相互能看得見(jiàn)的視線圍的傳播方式叫視距傳播。……….3特點(diǎn)為:….5a.b.大氣對(duì)電波將產(chǎn)生熱吸收和諧振吸收衰減。c.場(chǎng)量:3.什么是微波?其頻率圍是多少?它分為幾個(gè)波段答:微波在電磁波譜中介于超短波與紅外線之間的波段,它屬于無(wú)線電波中波長(zhǎng)最短的波段,其頻率圍從300MHz至3000GHz,通常以將微波波段劃分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個(gè)分波段?!?分〕4.什么是波導(dǎo)的鼓勵(lì)和耦合?鼓勵(lì)與耦合的本質(zhì)是什么?鼓勵(lì)與耦合的場(chǎng)構(gòu)造是否一樣?〔5分〕答:在波導(dǎo)中產(chǎn)生各種形式的導(dǎo)行模稱(chēng)為波導(dǎo)的鼓勵(lì),從波導(dǎo)中提取微波信息稱(chēng)為波導(dǎo)的耦合,波導(dǎo)的鼓勵(lì)與耦合的本質(zhì)是電磁波的輻射和接收,由于輻射和接收是互易的,因此鼓勵(lì)與耦合具有一樣的場(chǎng)構(gòu)造。5.微波具有的哪些主要特點(diǎn)〔6分〕答:微波具有的主要特點(diǎn)是似光性、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。6.天線研究的實(shí)質(zhì)是什么?并闡述拋物面天線的工作原理〔9分〕答:①研究天線的實(shí)質(zhì)是研究天線在空間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布,空間任意一點(diǎn)的電磁場(chǎng)都滿足麥克斯韋方程和邊界條件,因此求解天線問(wèn)題實(shí)質(zhì)是求解電磁場(chǎng)方程并滿足邊界條件。②置于拋物面天線焦點(diǎn)的饋源將高頻導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變成電磁波能量并投向拋物反射面,如果饋源輻射理想的球面波,而且拋物面口徑尺寸為無(wú)限大時(shí),那么拋物面就把球面波變?yōu)槔硐氲钠矫娌?,能量沿Z軸正向傳播,其它方向的輻射為零,從而獲得很強(qiáng)的方向性。7.什么是天波傳播?天波靜區(qū)的含義是什么?(5分)答:1〕發(fā)射天線發(fā)射出的電波,在高空中被電離層反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式叫天波傳播?!?2當(dāng)時(shí),以發(fā)射天線為中心的一定半徑不能有天波到達(dá),從而形成一個(gè)靜區(qū),這個(gè)靜區(qū)叫天波的靜區(qū)。………..3四、解答題1、工作波長(zhǎng),要求單模傳輸,試確定圓波導(dǎo)的半徑,并指出是什么模式?(10分)解:1〕明確圓波導(dǎo)中兩種模式的截止波長(zhǎng):………….42〕題意要求單模傳輸,那么應(yīng)滿足:……33〕結(jié)論:在時(shí),可保證單模傳輸,此時(shí)傳輸?shù)哪J綖橹髂E11……32、一卡塞格倫天線,其拋物面主面焦距:,假設(shè)選用離心率為的雙曲副反射面,求等效拋物面的焦距。(5分)解:〔1〕寫(xiě)出等效拋物面的焦距公式:………..3將數(shù)據(jù)代入得:……23、圓波導(dǎo)的直徑為5cm,填充空氣介質(zhì),試求TE11、TE01、TM01三種模式的截止波長(zhǎng)當(dāng)工作波長(zhǎng)分別為7cm,6cm,3cm時(shí),波導(dǎo)中出現(xiàn)上述哪些模式。當(dāng)工作波長(zhǎng)為時(shí),求最低次模的波導(dǎo)波長(zhǎng)。(12分)解:1〕求截止波長(zhǎng)……………..3TE11:TM01:TE01:2〕判斷….6a.當(dāng)工作波長(zhǎng)時(shí),只出現(xiàn)主模TE11。b.當(dāng)工作波長(zhǎng),便出現(xiàn)TE11,TM01。c.當(dāng)工作波長(zhǎng),便出現(xiàn)TE11,TM01,TE01。3〕求波導(dǎo)波長(zhǎng)…34、一卡塞格倫天線,其拋物面主面焦距:,假設(shè)選用離心率為的雙曲副反射面,求等效拋物面的焦距。(5分)解:1〕寫(xiě)出等效拋物面的焦距公式:………..32〕將數(shù)據(jù)代入得:……2五.計(jì)算題〔共61分,教師答題時(shí)間30分鐘〕[例1-4]設(shè)無(wú)耗傳輸線的特性阻抗為50Ω,工作頻率為300MHz,終端接有負(fù)載Zl=25+j75(Ω),試求串聯(lián)短路匹配支節(jié)離負(fù)載的距離l1及短路支節(jié)的長(zhǎng)度l2。解:(1)求參數(shù)由工作頻率f=300MHz,得工作波長(zhǎng)λ=1m。終端反射系數(shù)=0.333+j0.667=0.7454駐波系數(shù)(2)求長(zhǎng)度第一波腹點(diǎn)位置〔m〕調(diào)配支節(jié)位置(m)調(diào)配支節(jié)的長(zhǎng)度圖2-3給出了標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ-32各模式截止波長(zhǎng)分布圖。[例2-1]設(shè)某矩形波導(dǎo)的尺寸為a=8cm,b=4cm;試求工作頻率在3GHz時(shí)該波導(dǎo)能傳輸?shù)哪J健=猓?〕結(jié)論可見(jiàn),該波導(dǎo)在工作頻率為3GHz時(shí)只能傳輸TE10模[例6-3]確定電根本振子的輻射電阻。解:1〕電根本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)設(shè)不考慮歐姆損耗,那么根據(jù)式〔6-2-4〕知電根本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為2〕求輻射功率將其代入式〔6-3-7〕得輻射功率為3〕所以輻射電阻為[例6-4]一長(zhǎng)度為2h(h<<λ)中心饋電的短振子,其電流分布為:,其中I0為輸入電流,也等于波腹電流Im試求:①短振子的輻射場(chǎng)〔電場(chǎng)、磁場(chǎng)〕;②輻射電阻及方向系數(shù);③有效長(zhǎng)度。解:1〕此短振子可以看成是由一系列電根本振子沿z軸排列組成的,如圖6-9所示。2〕z軸上電根本振子的輻射場(chǎng)為:3〕整個(gè)短振子的輻射場(chǎng)為由于輻射場(chǎng)為遠(yuǎn)區(qū),即r>>h,因而在yOz面作以下近似:所以4〕進(jìn)一步變換整個(gè)短振子的輻射場(chǎng)令積分:那么因?yàn)閔<<λ,所以F1+F2≈h因而有5〕求輻射電阻輻射功率為將和代入上式,同時(shí)考慮到短振子的輻射電阻為6〕方向系數(shù)為由此可見(jiàn),當(dāng)短振子的臂長(zhǎng)h>>λ時(shí),電流三角分布時(shí)的輻射電阻和方向系數(shù)與電流正弦分布的輻射電阻和方向系數(shù)一樣,也就是說(shuō),電流分布的微小差異不影響輻射特性。因此,在分析天線的輻射特性時(shí),當(dāng)天線上準(zhǔn)確的電流分布難以求得時(shí),可假設(shè)為正弦電流分布,這正是后面對(duì)稱(chēng)振子天線的分析根底。7〕有效長(zhǎng)度現(xiàn)在我們來(lái)討論其有效長(zhǎng)度。根據(jù)有效長(zhǎng)度的定義,歸于輸入點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度為這就是說(shuō),長(zhǎng)度為2h、電流不均勻分布的短振子在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)與長(zhǎng)度為h、電流為均勻分布的振子在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)相等,如圖6-10所示。由于輸入點(diǎn)電流等于波腹點(diǎn)電流,所以歸于輸入點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度等于歸于波腹點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度,但一般情況下是不相等的。6.4接收天線理論[例8-4]畫(huà)出兩個(gè)平行于z軸放置且沿x方向排列的半波振子,在d=λ/4、ζ=π/2時(shí)的H面和E面方向圖。解:1)H面方向圖函數(shù)將d=λ/4、ζ=-π/2代入式〔8-2-11〕,得到H面方向圖函數(shù)為(8-2-14)天線陣的H面方向圖如圖8-11,在由圖8-11可見(jiàn),在時(shí)輻射最大,而在時(shí)輻射為零,方向圖的最大輻射方向沿著陣的軸線〔這也是端射陣〕。請(qǐng)讀者自己分析其原因。2)E面方向圖函數(shù)將d=λ/4、ζ=π/2代入式〔8-2-10〕,得到E面方向圖函數(shù)為(8-2-15)顯然,E面的陣方向圖函數(shù)必須考慮單個(gè)振子的方向性。圖8-12示出了利用方向圖乘積定理得出的E面方向圖。由圖8-12可見(jiàn),單個(gè)振子的零值方向在θ=0°和θ=180°處,陣因子的零值在θ=270°處,所以,陣方向圖共有三個(gè)零值方向,即θ=0°、θ=180°、θ=270°,陣方向圖包含了一個(gè)主瓣和兩個(gè)旁瓣。[例9-1]設(shè)有一矩形口徑a×b位于xOy平面,口徑場(chǎng)沿y方向線極化,其口徑場(chǎng)的表達(dá)式為:,即相位均勻,振幅為三角形分布,其中|x|≤。求:①xOy平面即H平面方向函數(shù);②H面主瓣半功率寬度;③第一旁瓣電平;④口徑利用系數(shù)。解:1〕遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的一般表達(dá)式根據(jù)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的一般表達(dá)式:〔求和一并代入上式,并令=0得:最后積分得其中,3〕求H面方向函數(shù)所以其H面方向函數(shù)為4〕求主瓣半功率波瓣寬度由求得主瓣半功率波瓣寬度為5〕第一旁瓣電平為6〕求方向系數(shù)將和代入〔9-2-12〕得方向系數(shù):所以口徑利用系數(shù)υ=0.75。可見(jiàn)口徑場(chǎng)振幅三角分布與余弦分布相比,主瓣寬度展寬,旁瓣電平降低,口徑利用系數(shù)降低。1[綜合類(lèi)]設(shè)無(wú)耗傳輸線的特性阻抗為50Ω,工作頻率為300MHz,終端接有負(fù)載Zl=25+j75(Ω),試求串聯(lián)短路匹配支節(jié)離負(fù)載的距離及短路支節(jié)的長(zhǎng)度〔只需要求一種情況〕〔16分〕。解:(1)求參數(shù)由工作頻率f=300MHz,得工作波長(zhǎng)λ=1m。終端反射系數(shù)=0.333+j0.667=0.7454駐波系數(shù)(2)求長(zhǎng)度第一波腹點(diǎn)位置:〔m〕調(diào)配支節(jié)位置:(m)調(diào)配支節(jié)的長(zhǎng)度:2[三基類(lèi)]試證明工作波長(zhǎng)λ,波導(dǎo)波長(zhǎng)λg和截止波長(zhǎng)λc滿足以下關(guān)系〔10分〕:證明:〔1〕明確關(guān)系式〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔2〕結(jié)論將〔2〕〔3〕、〔4〕代入〔1〕中得結(jié)論3[一般綜合]試求圖示網(wǎng)絡(luò)的[A]矩陣,并確定不引起附加反射的條件〔12分〕〕。附:解:〔1〕將網(wǎng)絡(luò)分解成兩個(gè)并聯(lián)導(dǎo)納和短截線網(wǎng)絡(luò)的串接,于是網(wǎng)絡(luò)的[A]矩陣為:(2)查表4.2得到網(wǎng)絡(luò)的[A]矩陣為:那么:4[一般綜合]一長(zhǎng)度為2h(h<<λ)中心饋電的短振子,其電流分布為:,其中I0為輸入電流,也等于波腹電流Im,短振子的輻射場(chǎng)〔電場(chǎng)、磁場(chǎng)〕表達(dá)式為:、試求:①輻射電阻②方向系數(shù);③有效長(zhǎng)度?!?5分〕解:1〕求短振子的輻射電阻由于短振子的輻射場(chǎng)為:那么輻射功率為將和代入上式,同時(shí)考慮到短振子的輻射電阻為2〕方向系數(shù)為3〕有效長(zhǎng)度歸于輸入點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度為5[三基類(lèi)]有兩個(gè)平行于z軸并沿x軸方向排列的半波振子,半波振子的方向函數(shù)為:陣因子為:,其中;當(dāng)d=λ/4,ζ=π/2時(shí),試分別求其E面和H面方向函數(shù),〔8分〕解:〔1〕由方向圖乘積定理:二元陣的方向函數(shù)等于元因子和陣因子方向函數(shù)之乘積,于是有:其中:(2)當(dāng)時(shí),得到E面方向函數(shù):(3)當(dāng)時(shí),得到H面方向函數(shù):1[綜合類(lèi)]一均勻無(wú)耗傳輸線的特性阻抗為70Ω,負(fù)載阻抗為Zl=70+j140Ω,工作波長(zhǎng)λ=20cm。試計(jì)算串聯(lián)支節(jié)匹配器的位置和長(zhǎng)度〔16分〕。解:(1)求終端反射系數(shù)(2)求駐波比〔3〕求串聯(lián)支節(jié)的位置〔4〕調(diào)配支節(jié)的長(zhǎng)度:2[三基類(lèi)]設(shè)某矩形波導(dǎo)的尺寸為a=8cm,b=4cm;試求工作頻率在3GHz時(shí)該波導(dǎo)能傳輸?shù)哪J??!?0分〕解:3〕結(jié)論可見(jiàn),該波導(dǎo)在工作頻率為3GHz時(shí)只能傳輸TE10模3[一般綜合]試求如下圖并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的[S]矩陣?!?4分〕解:(1)寫(xiě)出參數(shù)方程〔2〕根據(jù)入射波、反射波與電壓、電流的關(guān)系:,,〔3〕由〔1〕、〔2〕變換得到:(4)結(jié)論4[一般綜合]長(zhǎng)度為2h(h<<λ)沿z軸放置的短振子,中心饋電,其電流分布為I(z)=Im·sink(h-|z|),式中k=2π/λ,知短振子的輻射場(chǎng)〔電場(chǎng)、磁場(chǎng)〕表達(dá)式為:、試求短振子的①輻射電阻。②方向系數(shù)。③有效長(zhǎng)度〔歸于輸入電流〕?!?3分〕解:1〕求短振子的輻射電阻由于短振子的輻射場(chǎng)為:、將和代入上式,那么輻射功率為同時(shí)考慮到短振子的輻射電阻為2〕方向系數(shù)為3〕有效長(zhǎng)度歸于輸入點(diǎn)電流的有效長(zhǎng)度為5[三基類(lèi)]六元均勻直線陣的各元間距為λ/2,求:①天線陣相對(duì)于ψ的歸一化陣方向函數(shù)。②分別求出工作于邊射狀態(tài)和端射狀態(tài)的方向函數(shù)。(8分〕解:〔1〕由公式當(dāng)N=6時(shí)那么得天線陣相對(duì)于ψ的歸一化陣方向函數(shù):其中〔2〕求工作于邊射狀態(tài)和端射狀態(tài)的方向函數(shù)①當(dāng)時(shí)為邊射陣的歸一化方向函數(shù)②當(dāng)時(shí)為端射陣的歸一化方向函數(shù)1[綜合類(lèi)]設(shè)某一均勻無(wú)耗傳輸線的特性阻抗為,終端接有未知負(fù)載現(xiàn)在傳輸線上測(cè)得電壓最大值和最小值分別是100mV和20mV,第一電壓波節(jié)位置離負(fù)載,試求該負(fù)載的阻抗?!?6分〕解:1〕……………32〕…………33〕……….34〕…………..35〕…………42、[一般綜合]如圖求雙端口網(wǎng)絡(luò)的矩陣和矩陣〔12分〕解:1〕由矩陣的定義:…………….6那么:2〕求……………63、[一般綜合]設(shè)矩形波導(dǎo)寬邊,工作頻率為:,用阻抗變換器匹配一段空氣波導(dǎo)和一段的波導(dǎo),如圖求匹配介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)及變換器的長(zhǎng)度?!?2分〕解:1〕各局部的等效特性阻抗如圖2〕根據(jù)傳輸線的四分之一波長(zhǎng)阻抗變換性:,得。………………53〕求波導(dǎo)波長(zhǎng):波導(dǎo)波長(zhǎng)為:……………..44〕求變換器的長(zhǎng)度:……………….34[三基類(lèi)型]直立振子天線的高度,其電流分布表達(dá)式為:,當(dāng)工作波長(zhǎng),求它歸于波腹電流的有效高度?〔10分〕解:1〕寫(xiě)出表達(dá)式2〕求有效高度[綜合類(lèi)]設(shè)有一無(wú)耗傳輸線,終端接有負(fù)載,求:1〕、要使傳輸線的駐波比最小,那么該傳輸線上的特性阻抗是多少?2〕、此時(shí)的最小反射系數(shù)及駐波比是多少?3〕、離終端最近的波節(jié)點(diǎn)位置在何處?〔19分〕解:1〕求……………7a.b.求,得:2〕求反射系數(shù)及駐波比………….7a.b.3〕求……

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