微波天線與技術(shù)課程報告

1、微波技術(shù)與天線 課程考察報告 姓 名 ： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師： 許 焱 平- 13 -緒論 1微波技術(shù)是研究微波信號的產(chǎn)生、傳輸、變換、發(fā)射、接收和測量的一門學(xué)科，它的基本理論是經(jīng)典的電磁場理論，研究電磁波沿傳輸線的傳播特性有兩種分析方法。一種是“場”的分析方法，即從麥克斯韋方程出發(fā)，在特定邊界條件下解電磁波動方程，求得場量的時空變化規(guī)律，分析電磁波沿線的各種傳輸特性；另一種是“路”的分析方法，即將傳輸線作為分布參數(shù)電路處理，用克希霍夫定律建立傳輸線方程，求得線上電壓和電流的時空變化規(guī)律，分析電壓和電流的各種傳輸特性。2微波的定義：把波長從1m到0.1mm范圍內(nèi)的電磁波稱為微波。微

2、波波段對應(yīng)的頻率范圍為: 300MHz3000GHz。在整個電磁波譜中，微波介于超短波與紅外線之間，是頻率最高的無線電波，它的頻帶寬度比所有普通無線電波波段總和寬1000倍。一般情況下，微波又可劃分為分米波、厘米波和毫米波和亞毫米四個波段。 3微波具有如下主要特點：（1)似光性；（2)穿透性；（3)寬頻帶特性；（4)熱效應(yīng)特性；（5）散射特性；（6）抗低頻干擾特性；（7）視距傳輸特性；（8）分布參數(shù)的不確定性；（9）電磁兼容和電磁環(huán)境污染。4微波技術(shù)的主要應(yīng)用：（1)在雷達上的應(yīng)用；（2)在通訊方面的應(yīng)用；（3)在科學(xué)研究方面的應(yīng)用；（4)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用；（5)微波能的應(yīng)用。目錄緒論1目

3、錄2一、均勻傳輸線理論3二、規(guī)則金屬波導(dǎo)4三、微波集成傳輸線5 四、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)5五、微波元器件6六、天線輻射與接收的基本理論7七、電波傳播概論8八、線天線9九、面天線10十、微波應(yīng)用系統(tǒng)11心得體會12本課程我們共學(xué)習(xí)了十章，主要學(xué)習(xí)了均勻傳輸線理論、規(guī)則金屬波導(dǎo)、微波集成傳輸線、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、微波元器件、天線輻射與接收理論、電波傳播概論、線天線、面天線、微波應(yīng)用系統(tǒng)。一、 均勻傳輸線理論1.1 均勻傳輸線方程及其解共有三個參量：1）均勻傳輸線方程2) 傳播常數(shù) 3) 相速p與波長 1.2 傳輸線阻抗與狀態(tài)參量1. 輸入阻抗由上一節(jié)可知, 對無耗均勻傳輸線, 線上各點電壓U(z)、 電流I(

4、z)與終端電壓Ul、終端電流Il的關(guān)系如下： 2. 反射系數(shù)定義傳輸線上任意一點z處的反射波電壓（或電流）與入射波電壓（或電流）之比為電壓（或電流）反射系數(shù), 3. 輸入阻抗與反射系數(shù)的關(guān)系U(z)=U+(z)+U-(z)=A1e jz1+(z) I(z)=I+(z)+I-(z) = e jz1-(z)1. 行波狀態(tài)行波狀態(tài)下傳輸線上的電壓和電流： 2. 純駐波狀態(tài) 純駐波狀態(tài)就是全反射狀態(tài), 也即終端反射系數(shù)|l|=1。 在此狀態(tài)下, 由式（1- 2- 10），負載阻抗必須滿足： 3. 行駐波狀態(tài)當微波傳輸線終端接任意復(fù)數(shù)阻抗負載時, 由信號源入射的電磁波功率一部分被終端負載吸收, 另一部分

5、則被反射, 因此傳輸線上既有行波又有純駐波, 構(gòu)成混合波狀態(tài), 故稱之為行駐波狀態(tài)。 1.4 傳輸線的傳輸功率、 效率和損耗1.5 阻抗匹配 1) 分三種：負載阻抗匹配，源阻抗匹配，共軛阻抗匹配。 1.6 史密斯圓圖及其應(yīng)用 1.7 同軸線的特性阻抗 同軸線是一種典型的雙導(dǎo)體傳輸系統(tǒng), 它由內(nèi)、 外同軸的兩導(dǎo)體柱構(gòu)成。二、規(guī)則金屬波導(dǎo)2.1導(dǎo)波原理1. 規(guī)則金屬管內(nèi)電磁波2. 傳輸特性1) 相移常數(shù)和截止波數(shù)： 。2) 相速p與波導(dǎo)波長g。電磁波在波導(dǎo)中傳播, 其等相位面移動速率稱為相速,。3) 波阻抗。定義即： 。 2.2 矩形波導(dǎo)1. 矩形波導(dǎo)中的場2.矩形波導(dǎo)尺寸選擇原則2.3 圓形波導(dǎo)

6、1. 圓波導(dǎo)中的場與矩形波導(dǎo)一樣, 圓波導(dǎo)也只能傳輸TE和TM波型。2. 圓波導(dǎo)的傳輸特性1) 截止波長。 2) 簡并模。在圓波導(dǎo)中有兩種簡并模, 它們是E-H簡并和極化簡并。 3. 幾種常用模式1) 主模TE11模2) 圓對稱TM01模TM01模是圓波導(dǎo)的第一個高次模3) 低損耗的TE01模TE01模是圓波導(dǎo)的高次模式 2.4 波導(dǎo)的激勵與耦合：1. 電激勵2. 磁激勵3. 電流激勵2.5各類傳輸線內(nèi)傳輸?shù)闹髂＜捌浣刂共ㄩL和單模傳輸條件列表如下：傳輸線類型主 模截止波長lc單模傳輸條件矩形波導(dǎo)TE10模2aa<l<2a，l>2b圓波導(dǎo)TE11模3.14R2.62R<l

7、<3.41R同軸線TEM模¥l>p/2(D+d)三、微波集成傳輸線1.微波集成傳輸線的優(yōu)點：體積小、重量輕、價格低廉、可靠性高、性能優(yōu)越、功能的可復(fù)制性好。2.集成微波傳輸系統(tǒng)分為四大類：（1）準TEM波傳輸線，主要包括微帶傳輸線和共面波導(dǎo)等。（2）非TEM波傳輸線，主要包括槽線等。（3）開放式介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線，主要包括介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像波導(dǎo)等。（4）半開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。3.帶狀線：它由兩塊相距為b的接地板與中間寬度為w、厚度為t的矩形截面導(dǎo)體構(gòu)成，接地板之間填充均勻介質(zhì)或空氣。4.帶狀線和微帶線傳輸特性參量主要有：特性阻抗Z0、衰減常數(shù)a、相速vp

8、和波導(dǎo)波長lg。5.介質(zhì)波導(dǎo)可以分為兩大類：一類是開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括圓形介質(zhì)波導(dǎo)和介質(zhì)鏡像線等；另一類是半開放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。6.光纖按組成材料可分為石英玻璃光纖、多組分玻璃光線、朔料包層玻璃芯光纖和全朔料光纖。按折射率分布形狀可分為階躍型光纖和漸變型光纖。按傳輸模式可分為多模光纖和單模光纖。四、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)4.1 等效傳輸線1.等效電壓和等效電流2.模式等效傳輸線4.2 單口網(wǎng)絡(luò)1.單口網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性令參考面T處的電壓反射系數(shù)為l, 由均勻傳輸線理論可知, 等效傳輸線上任意點的反射系數(shù)為：2. 歸一化電壓和電流由于微波網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜, 因此在分析時通常采用歸一化

9、阻抗, 即將電路中各個阻抗用特性阻抗歸一, 與此同時電壓和電流也要歸一。 4.3 雙端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗與轉(zhuǎn)移矩陣在各種微波網(wǎng)絡(luò)中, 雙端口網(wǎng)絡(luò)是最基本的, 任意具有兩個端口的微波元件均可視之為雙端口網(wǎng)絡(luò)。下面介紹線性無源雙端口網(wǎng)絡(luò)各端口上電壓和電流之間的關(guān)系。 1. 阻抗矩陣與導(dǎo)納矩陣2. 轉(zhuǎn)移矩陣轉(zhuǎn)移矩陣也稱為A矩陣,它在研究網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)特性時特別方便。4 散射矩陣與傳輸矩陣1. 散射矩陣2.傳輸矩陣3.散射參量與其它參量之間的相互轉(zhuǎn)換4.S參數(shù)測量4.5 多端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣(1) 互易性質(zhì)(2) 無耗性質(zhì)(3) 對稱性質(zhì)五、微波元器件5.1 連接匹配元件 (1) 短路負載(2) 匹配負載(3)

10、失配負載2. 微波連接元件微波連接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波導(dǎo)接頭、 衰減器、相移器、轉(zhuǎn)換接頭。 3. 阻抗匹配元件 (1) 螺釘調(diào)配器(2) 多階梯阻抗變換器(3) 漸變型阻抗變換器5.2 功率分配元器件 1. 定向耦合器 1) 定向耦合器的性能指標 (1)耦合度(2)隔離度(3) 定向度 (4) 輸入駐波比(5)工作帶寬 2)波導(dǎo)雙孔定向耦合器3)雙分支定向耦合器4)平行耦合微帶定向耦合器 2. 功率分配器將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同, 可分為等功率分配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上, 大功率往往采用同軸線而中小功率常采用微帶線

11、。 (1) 兩路微帶功率分配器 端口“”無反射; 端口“、”輸出電壓相等且同相; 端口“、”輸出功率比值為任意指定值 (2) 微帶環(huán)形電橋 微帶環(huán)形電橋是在波導(dǎo)環(huán)形電橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種功率分配元件。 3. 波導(dǎo)分支器將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱為波導(dǎo)分支器, 它是微波功率分配器件的一種, 常用的波導(dǎo)分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙T。 (1) E-T分支(2)H-T分支(3) 匹配雙T5. 3 微波諧振器件在低頻電路中, 諧振回路是一種基本元件, 它是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)而成, 在振蕩器中作為振蕩回路，用以控制振蕩器的頻率; 在放大器中用作諧振回路; 在帶通或帶阻濾波器

12、中作為選頻元件等。5.4 微波鐵氧體器件1. 隔離器1) 諧振式隔離器2) 場移式隔離器3) 隔離器的性能指標2. 鐵氧體環(huán)行器一個理想的環(huán)行器必須具備以下的條件:輸入端口完全匹配, 無反射;輸入端口到輸出端口全通, 無損耗; 輸入端口與隔離器間無傳輸。 于是環(huán)行器的散射參數(shù)應(yīng)滿足: 六、天線輻射與接收的基本理論6.1 概論通信的目的是傳遞信息, 根據(jù)傳遞信息的途徑不同, 可將通信系統(tǒng)大致分為兩大類:有線通信,無線通信。 6.2 基本振子的輻射1. 電基本振子電基本振子是一段長度l遠小于波長, 電流I振幅均勻分布、 相位相同的直線電流元, 它是線天線的基本組成部分, 任意線天線均可看成是由一系

13、列電基本振子構(gòu)成的。 2. 磁基本振子的場引入這種假想的磁荷和磁流的概念, 將一部分原來由電荷和電流產(chǎn)生的電磁場用能夠產(chǎn)生同樣電磁場的磁荷和磁流來取代,即將“電源”換成等效“磁源”, 可以大大簡化計算工作。 6.3 天線的電參數(shù)1. 天線方向圖及其有關(guān)參數(shù)所謂天線方向圖， 是指在離天線一定距離處, 輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖, 通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。 2. 天線效率天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比, 記為A， 即 3. 增益系數(shù)增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù), 它是方向系數(shù)與天線效率的乘積, 記為G, 即：

14、 G=D·A4. 極化和交叉極化電平極化特性是指天線在最大輻射方向上電場矢量的方向隨時間變化的規(guī)律。具體地說,就是在空間某一固定位置上,電場矢量的末端隨時間變化所描繪的圖形,如果是直線, 就稱為線極化;如果是圓就稱為圓極化;如果是橢圓就稱為橢圓極化。5. 頻帶寬度(Frequency Band Width)天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān), 也就是說, 上述電參數(shù)都是針對某一工作頻率設(shè)計的。當工作頻率偏離設(shè)計頻率時, 往往要引起天線各個參數(shù)的變化,6. 輸入阻抗與駐波比(Input Impedance and Standing Wave Ratio)要使天線輻射效率高, 就必須使天線與饋線良

15、好地匹配, 也就是天線的輸入阻抗等于傳輸線的特性阻抗,才能使天線獲得最大功率7. 有效長度有效長度是衡量天線輻射能力的又一個重要指標。 6.4 接收天線理論接收天線主要考慮以下四個方面：1. 天線接收的物理過程及收發(fā)互易性2. 有效接收面積3. 等效噪聲溫度4. 接收天線的方向性七、電波傳播概論7.1電波傳播的基本概念1. 無線電波在自由空間的傳播2. 傳輸媒質(zhì)對電波傳播的影響 (1) 傳輸損耗(2) 衰落現(xiàn)象(3)傳輸失真(4)電波傳播方向的變化7.2 視距傳播1. 視線距離：2. 大氣對電波的衰減大氣對電波的衰減主要來自兩個方面。一方面是云、霧、 雨等小水滴對電波的熱吸收及水分子、氧分子對

16、電波的諧振吸收。 另一方面是云、霧、雨等小水滴對電波的散射。3. 場分析在視距傳播中, 除了自發(fā)射天線直接到達接收天線的直射波外, 還存在從發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達接收天線的反射波， 如圖 7-5 所示。因此接收天線處的場是直射波與反射波的疊加。7.3 天波傳播1. 電離層概況 2. 無線電波在電離層中的傳播仿照電波在視距傳播中的介紹方法, 可將電離層分成許多薄片層, 每一薄片層的電子密度是均勻的, 但彼此是不等的。 7.4 地面波傳播 垂直極化波沿非理想導(dǎo)電地面?zhèn)鞑r,當?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越小或電波頻率越高, 電場縱向分量 Ez1越大, 說明傳播損耗越大。 地面波的波前傾斜現(xiàn)象在接收地面上的無線電

17、波中具有實用意義。在某些場合, 由于受到條件的限制, 也可以采用低架水平天線接收。 地面波由于地表面的電性能及地貌、 地物等并不隨時間很快地變化, 并且基本上不受氣候條件的影響, 因此信號穩(wěn)定, 這是地面波傳播的突出優(yōu)點。 7.5 不均勻媒質(zhì)的散射傳播除了上述三種基本傳輸方式外, 還有散射波傳播。 八、線天線8.1 對稱振子天線8.2 陣列天線1. 二元陣2. 均勻直線陣8.3 直立振子天線與水平振子天線1. 直立振子天線1) 單極天線的輻射場及其方向圖2) 有效高度3) 提高單極天線效率的方法 2. 水平振子天線水平振子天線經(jīng)常應(yīng)用于短波通信、電視或其它無線電系統(tǒng)中, 這主要是因為: 水平振

18、子天線架設(shè)和饋電方便;地面電導(dǎo)率的變化對水平振子天線的影響較直立天線小;工業(yè)干擾大多是垂直極化波, 因此用水平振子天線可減小干擾對接收的影響。 2) 水平振子天線尺寸的選擇為保證水平振子天線在較寬的頻帶范圍內(nèi)最大輻射方向不發(fā)生偏移, 應(yīng)選擇振子的臂長h0.625, 以保證在與振子軸垂直的方向上始終有最大輻射, 8.4 引向天線與電視天1. 引向天線2) 多元引向天線對于總元數(shù)為N的多元引向天線, 其分析方法與二元引向天線的分析方法相似。2. 電視發(fā)射天線1) 電視發(fā)射天線的特點 頻率范圍寬。 覆蓋面積大。 在以零輻射方向為中心的一定的立體角所對的區(qū)域, 電視信號變得十分微弱。 我國的電視發(fā)射信

19、號采用水平極化。 為了擴大服務(wù)范圍, 發(fā)射天線必須架在高大建筑物的頂端或?qū)Ｓ玫碾娨曀稀?) 旋轉(zhuǎn)場天線，設(shè)有兩個電流大小相等I1=I2、相位差=90° 的直線電流元, 在水平面內(nèi)垂直放置8.5 移動通信基站天線1. 移動通信基站天線的特點天線應(yīng)架設(shè)在很高的地方, 這就要求天線有足夠的機械強度和穩(wěn)定性;天線應(yīng)采用垂直極化;采用扇形天線; 如果是中心激勵, 采用全向天線;天線增益應(yīng)盡可能的高;天線與饋線應(yīng)良好地匹配。2. 移動通信基站天線 VHF和UHF移動通信基站天線一般是由饋源和角形反射器兩部分組成的, 為了獲得較高的增益, 饋源一般采用并饋共軸陣列和串饋共軸陣列兩種形式。 8.6

20、 螺旋天線螺旋天線的參數(shù)有: 螺旋直徑d=2b;螺距h; 圈數(shù)N;每圈的長度c;螺距角; 軸向長度L。 1. 法向模螺旋天線每一圈螺旋天線的輻射場為：E=aE+aE 2. 軸向模螺旋天線當d/0.250.45 時, 螺旋天線的一圈的周長接近一個波長, 此時天線上的電流呈行波分布, 則天線的輻射場呈圓極化, 其最大輻射方向沿軸線方向。 8.7 行波天線1. 行波單導(dǎo)線天線的方向圖若天線終端接匹配負載, 則天線上電流為行波分布: I(z)=I0 e- jz 2. V形天線和菱形天線8.8 寬 頻 帶 天 線在許多場合中, 要求天線有很寬的工作頻率范圍。 按工程上的習(xí)慣用法, 若天線的阻抗、方向圖等電特性在一倍頻程（fmax/fmin=2）或幾倍頻程范圍內(nèi)無明顯變化, 就可稱為寬頻帶天線。8.9 縫隙天線1. 理想縫隙天線的輻射場2. 波導(dǎo)縫隙天線8.10 微帶天線微帶天線的主要特點有: 體積小、重量輕、低剖面, 因此容易做到與高速飛行器共形, 且電性能多樣化（如雙頻微帶天線、 圓極化天線等）, 尤其是容易和有源器件、微波電路集成為統(tǒng)一組件, 因而適合大規(guī)模生產(chǎn)。在現(xiàn)代通信中, 微帶天線廣泛地應(yīng)用于100MHz到5