微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)大綱

1、微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)大綱緒論一、基本概念1、 什么是微波，微波的波段如何劃分？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，波長從0.1mm到1m。通常，微波波段分為米波、厘米波毫米和亞毫米波四個(gè)波段。2、微波有何特點(diǎn)及特性？答：似光性；穿透性；寬頻帶特性；熱效應(yīng)性；散射性；抗低頻干擾性；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。 第一章 均勻傳輸線理論一、基本概念1、 什么是微波傳輸線（或?qū)Рㄏ到y(tǒng)）？答：微波傳輸線（或?qū)Рㄏ到y(tǒng)）是用以傳輸信息和能量的各種形式的傳輸系統(tǒng)的總稱。它的作用是引導(dǎo)電磁波沿

2、一定的方向傳輸，因此又稱為導(dǎo)波系統(tǒng)，它所引導(dǎo)的電磁波稱為導(dǎo)行波。2、 什么是均勻傳輸線，它是如何分類的？答：截面尺寸、形狀、媒質(zhì)分布、材料及邊界條件均不變的導(dǎo)波系統(tǒng)成為規(guī)則導(dǎo)波系統(tǒng)或均勻傳輸線?？纱笾路譃槿N類型：（1）雙導(dǎo)體傳輸線（或TEM波傳輸線）；由兩根或兩根以上的平行導(dǎo)體構(gòu)成，主要包括平行雙線、同軸線、帶狀線和微帶線等。由于其上傳輸?shù)碾姶挪ㄊ荰EM波或準(zhǔn)TEM波，所以又稱為TEM波傳輸線。（2）波導(dǎo)：均勻填充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)管，主要包括矩形波導(dǎo)，圓波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)等。（3）介質(zhì)傳輸線：因電磁波沿此類傳輸線表面?zhèn)鞑?，故又稱為表面波波導(dǎo)，主要包括介質(zhì)波導(dǎo)，鏡像線和單根表面波

3、傳輸線等。二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）1.1 設(shè)一特性阻抗為50的均勻傳輸線終端接負(fù)載R1=100，求負(fù)載反射系數(shù)。在負(fù)載0.2，0.25及0.5處的輸入阻抗及反射系數(shù)分別為多少？解：，由于，故當(dāng)分別為0.2，0.25及0.5時(shí)有：，  將上述所算得的反射系數(shù)帶入求輸入阻抗的公式則有    （化簡略）   1.4 有一特性阻抗=50的無耗均勻傳輸線，導(dǎo)體間的媒質(zhì)參數(shù)=2.25，=1，終接=1的負(fù)載。當(dāng)=100MHz時(shí)，其線長度為。試求：（1）傳輸線的實(shí)際長度。（2）負(fù)載終端反射系數(shù)。

4、（3）輸入端反射系數(shù)。（4）輸入端阻抗。解：先求波長，欲求波長應(yīng)知道波的傳播速度（一下簡稱為波速）。    波速其中，分別是自由空間中電介質(zhì)常數(shù)和磁導(dǎo)率常數(shù)，分別是相對電介質(zhì)常數(shù)和相對磁導(dǎo)率常數(shù)，為光速。，于是，（1）傳輸線的實(shí)際長度（2）負(fù)載終端反射系數(shù)（3）輸入端反射系數(shù)                       

5、0; （4）輸入端阻抗1.11 設(shè)特性阻抗為=50的無耗均勻傳輸線，終端接有負(fù)載阻抗為復(fù)阻抗時(shí)，可以用一下方法實(shí)現(xiàn)阻抗變換器匹配：即在終端或在阻抗變換器前并接一段終端短路線，試分別求這兩種情況下阻抗變換器的特性阻抗及短路線長度。解：圖(a)中的短路線的輸入導(dǎo)納為 ，由，可得到短路線的長度，此時(shí)終端等效為純電阻，即。因此阻抗變換器的特性阻抗為。圖(b)中的終端負(fù)載經(jīng)過阻抗變換器變換后的輸入導(dǎo)納為，短路線的輸入導(dǎo)納為，由，可得到阻抗變換器的特性阻抗及短路線的長度，。 第二章 規(guī)則金屬波導(dǎo)一、基本概念1、規(guī)則金屬波導(dǎo)是用什么方法來分析的？答：一般采用

6、場分析的方法，即麥克斯韋方程組加邊界條件的方法。2、 試寫出金屬波導(dǎo)內(nèi)部的電磁波滿足的矢量亥姆霍茲方程。答： 其中3、試說明為什么規(guī)則金屬波導(dǎo)內(nèi)不能傳輸TEM波？答：如果內(nèi)部存在TEM波，則要求磁場應(yīng)完全在波導(dǎo)的橫截面內(nèi)，而且是閉合曲線。由麥克斯韋第一方程知，閉合曲線上磁場的積分應(yīng)等于與曲線相交鏈的電流。由于空心金屬波導(dǎo)中不存在軸向（即傳播方向）的傳導(dǎo)電流，所以必要求有傳播方向的位移電流。由于位移電流為，這就要求在傳播方向有電場存在。顯然，這個(gè)結(jié)論與TEM波（即不存在傳播方向的電場也不存在傳播方向的磁場）的定義相互矛盾，所以，規(guī)則金屬波導(dǎo)內(nèi)不能傳播TEM波。二、計(jì)算題（一般

7、是課后練習(xí)題）2.2 矩形波導(dǎo)的橫截面尺寸為,將自由空間波長為、和的信號接入此波導(dǎo)，能否傳輸？若能，出現(xiàn)哪些模式？解：當(dāng)時(shí)信號能傳輸，矩形波導(dǎo)中各模式的截止波長，因此，的信號不能傳輸；的信號能傳輸。工作在主模，的信號能傳輸，矩形波導(dǎo)存在三種模式。 第三章 微波集成傳輸線一、基本概念1、什么是微波集成傳輸線？答：它是由微波技術(shù)與半導(dǎo)體器件及集成電路結(jié)合而成的，從而產(chǎn)生了集成化的平面結(jié)構(gòu)的微波傳輸線，集成化的微波傳輸線稱為微波集成傳輸線。2、微波集成傳輸線具有何特點(diǎn)？答：（1）體積小、重量輕、性能好，一致性號，成本低；（2）具有平面結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整單一平面尺寸來控制其傳

8、輸特性。3、微波集成傳輸線可分哪幾類，各類主要有那些？答：（1）準(zhǔn)TEM波傳輸線，主要有微帶傳輸線和共面波導(dǎo)管；   （2）非TEM波傳輸線，主要有槽線、鰭線等；   （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)。 二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）3.1 微帶工作在什么模式？其相速度和光速、帶內(nèi)波長與空間波長分別有什么關(guān)系？答：微帶工作在TEM模下，TM模中最低次模是模，其截止波長為，在模，其截止波長為，其相速度和光速

9、的關(guān)系為，帶內(nèi)波長與空間波長的關(guān)系為3.2 一根以聚四乙烯（）為填充介質(zhì)的帶狀線，已知,，求此帶狀線的特性阻抗及其不出現(xiàn)高次模的最高工作頻率。解：根據(jù)公式（教材第59頁3-1-4）可求得特性阻抗。帶狀線的主模式為TEM模，若尺寸選擇不好也會(huì)引起高次模，為了抑制高次模，帶狀線的最短工作波長應(yīng)滿足：， ，因此，所以其最高工作頻率為 3.7 證明耦合系數(shù)與奇、偶特性阻抗存在以下關(guān)系：證明：由于，因此有3.12 介質(zhì)波導(dǎo)到模的截止條件是什么？與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)相比它有哪些特點(diǎn)？答：（圓形）介質(zhì)波導(dǎo)的也和金屬波導(dǎo)一樣有截止現(xiàn)象，他們在截止時(shí)是簡并的，其截止

10、頻率均為，式中，是零階貝塞爾函數(shù)的第個(gè)根。特別地，時(shí)，有，因此當(dāng)時(shí)，（圓形）介質(zhì)波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）在很寬的頻帶和較大的直徑變化范圍內(nèi)，模的損耗較??；（2）它可以直接由矩形波導(dǎo)的主模激勵(lì)，而不需要波形變換。3.13 已知光纖直徑，求單模工作的頻率范圍。解：由，取，則 3.14 已知的階躍光纖，求的單模光纖的直徑，并求此光纖的NA。解：取，由得，。另外， 第四章 微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)一、基本概念1、什么是微波網(wǎng)絡(luò)？答：在分析電磁場分布基礎(chǔ)上，用“路”的分析方法將微波元件用電抗或電阻網(wǎng)絡(luò)來等效，將波導(dǎo)傳輸系統(tǒng)用傳輸線來等效，從而將實(shí)際的微波

11、系統(tǒng)簡化為微波網(wǎng)絡(luò)。2、什么是網(wǎng)絡(luò)分析？答：借助于“路”的分析方法，通過分析網(wǎng)絡(luò)的外部特性，總結(jié)出系統(tǒng)的一般傳輸特性，如功率傳遞、阻抗匹配等。3、什么是網(wǎng)絡(luò)綜合？答：根據(jù)微波元件的工作特性設(shè)計(jì)出要求的微波網(wǎng)絡(luò)，從而用一定的微波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）4.2 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。解：該題可分解為三個(gè)網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)分別可如教材93頁表4-2的“并聯(lián)導(dǎo)納”、“短截線”、“并聯(lián)導(dǎo)納”。這三個(gè)網(wǎng)絡(luò)的A矩陣分別為，于是，其中4.4 試求圖示終端接匹配負(fù)載時(shí)的輸入阻抗，并求出輸入端匹配的條件。解：為了不引起反射，則需，從而有，一般可

12、取4.5 設(shè)某系統(tǒng)如圖所示，雙端口網(wǎng)絡(luò)為無耗互易對稱網(wǎng)絡(luò)，在終端參考面T2處接匹配負(fù)載，測得距參考面T1距離處為電壓波節(jié)點(diǎn)，駐波系數(shù)為1.5，試求該雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣。解：設(shè)參考面T1處的反射系數(shù)為，其模值和相位為：，因此有，由S參數(shù)的定義知，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互易性有，網(wǎng)絡(luò)的對稱性有。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)無耗的性質(zhì)：于是我們可以得到兩個(gè)方程：解上述方程可得：，故而，4.6 試求如圖所示并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的S矩陣。解：分別設(shè)端口1和端口的入射波和反射波為，端口1和2的電壓和電流分別為和。分別對端口1列出其電壓和電流方程， 根據(jù)入射波、反射波與電壓、電流的關(guān)系，經(jīng)變換得到：， 

13、60;第五章 微波元器件一、基本概念1、什么是微波元件？答：在微波系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)信號的產(chǎn)生、放大、變頻、匹配、分配、濾波等功能的部件，稱之為微波元件。2、微波元件可分哪些類，各類主要是那些？答：微波元器件按其變換性質(zhì)可分為線性互易元器件、線性非互易元器件及非線性元器件三大類。（1）線性互易元器件只對微波信號進(jìn)行線性變換而不改變頻率特性并滿足互易定理，主要包括：微波連接匹配元件、功率分配元器件、微波濾波器件及微波諧振器件等。（2）非線性互易元器件主要是指鐵氧體器件，它的散射矩陣不對稱，但仍工作在線性區(qū)域，主要包括：隔離器、環(huán)形器等。（3）非線性器件能引起頻率的改變，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制、變頻等，

14、主要包括：微波電子管、微波晶體管、微波固態(tài)諧振器、微波場效應(yīng)管及微波點(diǎn)真空器件等。 二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）5.1 有一矩形波導(dǎo)終端接匹配負(fù)載，在負(fù)載處插入一可調(diào)螺釘后，測得駐波比為1.94，第一個(gè)波節(jié)點(diǎn)離負(fù)載距離為0.1，求此時(shí)負(fù)載處的反射系數(shù)及螺釘?shù)臍w一化電納值。解：插入螺釘后的反射系數(shù)模值為：反射系數(shù)的相位可由下式確定，由反射系數(shù)與導(dǎo)納之間的關(guān)系：，可得 5.9 證明如圖所示微帶環(huán)形電橋的各端口接匹配負(fù)載時(shí)，各段的歸一化特性導(dǎo)納為。證明：微帶環(huán)形電橋的各支路可用下圖來等效。根據(jù)傳輸線四分之一波長的阻抗變換性：，信號從到與從到兩條支路并聯(lián)，端口

15、的輸入導(dǎo)納為 因此                         即                      

16、60; 信號由到與到兩條支路并聯(lián)，同理。5.13 設(shè)矩形諧振腔由黃銅制成，其電導(dǎo)率，其尺寸為，試求模式的諧振腔波長和無載品質(zhì)因數(shù)的值。解：諧振腔波長為： 矩形諧振腔的表面阻抗為 無載品質(zhì)因數(shù)為： 5.15 試說明如圖所示雙Y結(jié)環(huán)形器的工作原理。答：設(shè)兩個(gè)環(huán)形器的連接端口為，根據(jù)Y結(jié)環(huán)形器的工作原理，當(dāng)信號從端口輸入時(shí)，端口有輸出，而端口為隔離端無輸出，輸入到端口的信號從端口輸出，端口為隔離端無輸出。類似分析可得信號從端口輸入，則端口輸出，端口、隔離，從而形成了信號的環(huán)形。 第六章 天線輻射與接收的基本理論一、基本概

17、念1、什么是天線？答：用來輻射和接收無線電波的裝置稱之為天線。2、天線有哪些基本功能？答：（1）天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?。這首先要求天線是一個(gè)良好的“電磁開放系統(tǒng)”，其次要求天線與發(fā)射機(jī)匹配或與接收機(jī)匹配。（2）天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于所需的方向上，或?qū)λ璺较虻膩聿ㄓ凶畲蟮慕邮眨刺炀€具有方向性。（3）天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波，即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。（4）天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。3、天線可分哪幾類？答：（1）按用途的不同，可將天線分為通信天線、廣播電視通信、雷達(dá)天線等。（2）按工作波長的不同，可將天線分為長波、中波、短波、超短波和微波天線等。（3）按輻射元的類型

18、，可大致分為線天線和面天線。二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）6.5 設(shè)某天線的方向圖如圖所示，試求主瓣零功率波瓣寬度、半功率波瓣寬度、第一旁瓣電平。解：主瓣零功率波瓣寬度為：。主瓣半功率波瓣寬度為：。第一旁瓣電平：6.6 長度為（）沿軸放置的短振子，中心饋電，其電流分布為，式中，試求短振子的：輻射電子；方向系數(shù)；有效長度（歸于輸入電流）。解：由于，所以短振子的電流可近似為短振子的輻射場為：                

19、;                           輻射功率為： 將輻射電場帶入上式得：，于是輻射電阻為：；方向系數(shù)為：有效長度： 第七章 電波傳播概論一、基本概念7.1 什么是衰落？簡述引起衰落的原因。答：所謂衰落（Fading），一般是指信號電平隨時(shí)間的隨機(jī)起伏。根據(jù)引起衰落的原因

20、分類大致可分為吸收型和干擾型衰落。吸收型衰落主要是由于傳輸媒質(zhì)電參數(shù)的變化，使信號在媒質(zhì)中的衰減發(fā)生相應(yīng)的變化而引起的；干擾型衰落主要是由隨機(jī)多徑干涉現(xiàn)象引起的。7.2 什么是傳輸失真？簡述引起失真的原因。答：無線電波通過媒質(zhì)除產(chǎn)生傳輸損耗外，還會(huì)產(chǎn)生信號失真振幅失真和相位失真。產(chǎn)生失真的原因有兩個(gè)，一是媒質(zhì)的色散效應(yīng)，二是隨機(jī)多徑傳輸效應(yīng)。7.3 什么是視距傳播？簡述視距傳播的特點(diǎn)。答：所謂視距（Horizon）傳播是指發(fā)射天線和接收天線處于相互能看得見的視線距離之內(nèi)的傳播方式。地面通信、衛(wèi)星通信及雷達(dá)等都可采用這種傳輸方式。主要用于超短波和微波段的電波傳播。在大氣中它的

21、傳播路線是一個(gè)下彎曲的弧線。7.4 何謂天波傳播？簡述天波傳播的特點(diǎn)。答：天波傳播通常是指自發(fā)射天線發(fā)出的電波在高空被電離層反射后到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式，有時(shí)也稱電離層電波傳播，主要用于中短波通信。其特點(diǎn)是（1）對通信信號的頻率有影響；（2）隨機(jī)多徑效應(yīng)嚴(yán)重、通信帶寬較窄；（3）電離層對反射信號的頻率是有限的；（4）受地面吸收及障礙物的影響較小、傳輸損耗小能進(jìn)行長距離的通信；（5）簡單易行。 第八章 線天線一、基本概念1、什么是線天線？主要用在哪些系統(tǒng)中？答：橫向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于縱向尺寸并小于波長的細(xì)長結(jié)構(gòu)的天線稱為線天線，它廣泛用在通信、雷達(dá)等無線系統(tǒng)中。 

22、二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）8.4 一半波振子臂長為，直徑，工作波長，試計(jì)算其輸入阻抗。     解：由于，查書P158圖84得：。其等效特性阻抗為                   由，查書P161圖86得：，即。輸入阻抗為          

23、       8.5有兩個(gè)平行于并沿軸方向排列的半波振子，若；時(shí)，試求其方向函數(shù)。解：半波振子的方向函數(shù)為：，振因子：,其中。由方向圖乘積定理，二元陣的方向函數(shù)等于兩者的乘積（1）時(shí)：令得面方向函數(shù)：      令得面方向函數(shù)：                    &

24、#160;        （2）時(shí)：令得面方向函數(shù)：      令得面方向函數(shù)：                             8.9 五元二項(xiàng)式天線

25、陣，其電流振幅比為1：4：6：4：1，各元間距為，求此天線陣的方向函數(shù)；計(jì)算其主瓣半功率波瓣寬度       解：五元二項(xiàng)式天線陣方向函數(shù)為：                            28.10 設(shè)以半波振子為接收天線，用來接

26、收波長為，極化方向與振子平行的線極化平面波，試求其與振子細(xì)線垂直平面內(nèi)的有效接收面積。    解：半波振子的方向系數(shù)D=1.64，與振子細(xì)線垂直平面內(nèi)的有效接收面積為                      8.11 設(shè)在相距1.5的兩個(gè)站之間進(jìn)行通信，每站均以半波振子為天線， 工作頻率為300MHz,若一個(gè)站的發(fā)射

27、功率為100 W，則另一個(gè)站的匹配負(fù)載中能 得到多少功率？      解：設(shè)匹配負(fù)載吸收的平均功率為，則接收天線的有效接收面積為                          其中為發(fā)射天線的功率流密度。    &#

28、160;                  所以                     而          

29、;            因而               8.12 直立陣子的高度為，當(dāng)工作波長，求它的有效高度 以及歸于波腹電流的輻射電阻。        解：歸于波腹電流的有效高度   

30、0;            由于，用近似公式：8.16 一個(gè)七元引向天線，反向器與有源陣子的間距為，各引向器等 間距排列，且間距為，試估算其方向系數(shù)。           解：在工程上，多元引向器的方向系數(shù)用下式估計(jì)：           

31、               式中為引向天線的總長度：，為比例系數(shù)，查書P175圖833得,所以。 第九章 面天線一、基本概念1、什么是面天線，應(yīng)用在什么波段？答：電流分布在天線體的金屬表面，且口徑尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作波長的天線稱之為面天線，通常應(yīng)用在無線電頻譜的高頻段，特別是微波波段。2、常用的面天線有哪些？答：常用的面天線主要有拋物面天線，卡塞格倫天線兩種。 二、計(jì)算題（一般是課后練習(xí)題）9.2 有一位于平

32、面上的正方形口徑，工作波長為3cm, 面半功率波瓣寬度為，口徑場分布沿軸方向線極化，其表達(dá)式為。試求：           面半功率波瓣寬度;          面方向圖第一旁瓣點(diǎn)平； 口徑利用因數(shù)和天線的增益；       解：由題意可知，口徑場沿方向都是均勻分布且尺寸相同，因此面和面的方向系數(shù)完

33、全相同，或者說方向圖完全相同，當(dāng)然半功率波瓣 寬度也相同，所以面半功率波瓣寬度為                      面方向圖第一旁瓣點(diǎn)平可以通過查教材P200圖9-7曲線得                

34、;  其方向圖由教材P200公式（9213）得，即                9.7 假設(shè)有一位于平面內(nèi)尺寸為的矩形口徑,口徑內(nèi)場為均勻相位和余弦振幅分布：，并沿方向線極化，試求：    平面的方向函數(shù)；    主瓣的半功率波瓣寬度；    第一個(gè)零點(diǎn)的位置；  &

35、#160; 第一旁瓣電平。      解：由題可知口徑內(nèi)場的表達(dá)式為                                      

36、60;    將其代入近區(qū)場：           平面的方向函數(shù)：                        第一零點(diǎn)就是同時(shí)滿足和，求的     

37、60;             第一旁瓣電平為-23dB。9.8 矩形口徑尺寸如圖97所示，若其場振幅為：，相位仍為均勻分布，求口徑利用因數(shù)。        解：若口徑場振幅為：       其輻射功率：         

38、;              則輻射場的最大值：                              其中，S=ab為矩形的面積。        根據(jù)方向函數(shù)的定義：