微波技術與天線復習提綱及解析

1、1 微波技術與天線復習提綱及解析一、思考題1. 什么是微波？微波有什么特點？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；微波的特點 ：似光性、穿透性、寬頻帶特性、熱效應特性、散射特性、抗低頻干擾特性、視距傳播性、分布參數的不確定性、電磁兼容和電磁環(huán)境污染。2. 試解釋一下長線的物理概念，說明以長線為基礎的傳輸線理論的主要物理現象有哪些？一般是采用哪些物理量來描述？答：長線是指傳輸線的幾何長度與工作波長相比擬的的傳輸線；以長線為基礎的物理現象：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、傳輸系數和駐

2、波系數。3. 微波技術、天線與電波傳播三者研究的對象分別是什么？它們有何區(qū)別和聯系？答：微波技術、 天線與電磁波傳播是無線電技術的一個重要組成部分，它們共同的基礎是電磁場理論，但三者研究的對象和目的有所不同。微波技術 主要研究引導電磁波在微波傳輸系統中如何進行有效的傳輸，它希望電磁波按一定要求沿傳輸系統無輻射地傳輸；天線是將微波導行波變成向空間定向輻射的電磁波，或將空間的電磁波變成微波設備中的導行波； 電波傳播研究電波在空間的傳播方式和特點。2 4. 試解釋傳輸線的工作特性參數（特性阻抗、傳播常數、相速和波長）。答：傳輸線的工作特性參數主要有特征阻抗z0，傳輸常數 錯誤!未找到引用源。，相速及

3、波長。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值，其表達式為0rjwlzgjwc,它僅由自身的分布參數決定而與負載及信號源無關；2）傳輸常數j是描述傳輸線上導行波的衰減和相移的參數，其中，和分別稱為衰減常數和相移常數，其一般的表達式為()()rjwlgjwc;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pv；4）傳輸線上電磁波的波長與自由空間波長0的關系02r。5. 傳輸線狀態(tài)參量輸入阻抗、反射系數、駐波比是如何定義的，有何特點，并分析三者之間的關系。答：輸入阻抗 ：傳輸線上任一點的阻抗zin定義為該點的電壓和

4、電流之比，與導波系統的狀態(tài)特性無關，10001tan( )taninzjzzzzzzjzz反射系數 ：傳輸線上任意一點反射波電壓與入射波電壓的比值稱為傳輸 線 在 該 點 的 反 射 系 數 ， 對 于 無 耗 傳 輸 線 ， 它 的 表 達 式 為2(2)10110( )|jzjzzzzezz3 駐波比 ：傳輸線上波腹點電壓振幅與波節(jié)點電壓振幅的比值為電壓駐波比，也稱為駐波系數。反射系數與輸入阻抗的關系：當傳輸線的特性阻抗一定時，輸入阻抗與反射系數一一對應， 因此，輸入阻抗可通過反射系數的測量來確定；當10zz時，1=0，此時傳輸線上任一點的反射系數都等于0，稱之為負載匹配。駐波比與反射系數

5、的關系：111 |1 |，駐波比的取值范圍是1；當傳輸線上無反射時，駐波比為1，當傳輸線全反射時，駐波比趨于無窮大。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重。6. 簡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)就是無反射的傳輸狀態(tài)，此時反射系數l=0，而負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|l|=1。|z1-z0/z1+z0|=|l|=1 行駐波狀態(tài)：當微波傳輸線終端接任意復數阻抗負載時，由信號源入射的電磁波功率一部分被終端負載吸收，另一部分則被反射，因此傳輸線上既有行波也有純駐波，構成

6、混合波狀態(tài)， 故稱之為行駐波狀態(tài)。7. 分析無耗傳輸線呈純駐波狀態(tài)時終端可接那幾種負載，各自對應的電壓波腹點分布。答：終端負載為短路、開路或純阻抗三種情況之一。4 （1）終端負載短路時， z=(2n+1) /4(n=0,1,2,)處為電壓波腹點。（2）終端負載開路時， z=n/2(n=0,1,2,) 處為電壓波腹點。（3）終端負載為純電感jxl時，)2,1 ,0)(arctan24120nzxnzl處為波腹點；終端負載為純電容-jxc時，)2, 1 ,0)(arccot220nzxnzc處為波腹點。8. 阻抗匹配的意義，阻抗匹配有哪三者類型，并說明這三種匹配如何實現？答：阻抗匹配的意義： 對一

7、個由信號源、傳輸線和負載構成的系統，希望信號源在輸出最大功率時，負載全部吸收，以實現高效穩(wěn)定的傳輸，阻抗匹配有三種類型，分別是：負載阻抗匹配、源阻抗匹配和共軛阻抗匹配。負載阻抗匹配 ： 負載阻抗等于傳輸線的特性阻抗稱之為負載阻抗匹配。此時，傳輸線上只有從信號源到負載方向傳輸的入射波，而無從負載向信號源方向的反射波。源阻抗匹配 ：電源內阻等于傳輸線的特性阻抗稱之為源阻抗匹配。源阻抗匹配常用的方法是在信號源之后加一個去耦衰減器或隔離器。共軛阻抗匹配 ：對于不匹配電源，當負載阻抗折合到電源參考面上的輸入阻抗等于電源內阻的共軛值時，稱之為共軛阻抗匹配。9. 負載獲得最大輸出功率時，負載與源阻抗間關系：

8、*ginzz。5 10.史密斯圓圖是求解均勻傳輸線有關阻抗匹配和功率匹配問題的一類曲線坐標圖， 圖上有兩組坐標線，即歸一化阻抗或導納的實部和虛部的等值線簇與 反射系數的 幅和模角等值線簇，所有這些等值線都是圓或圓弧， 故也稱阻抗圓圖或導納圓圖。導納圓圖可以通過對阻抗圓圖旋轉 180得到。阻抗圓圖的上半部分呈感 性，下半部分呈容 性。smith 圓圖與實軸左邊的交點為短路 點，與橫軸右邊的交點為開路 點。smith 圓圖實軸上的點代表純電阻 點，左半軸上的點為電壓波節(jié) 點，右半軸上的點為電壓波腹 點。在傳輸線上負載向電源方向移動時，對應在圓圖上應順時針旋轉，反之在傳輸線上電源向負載方向移動時，對

9、應在圓圖上應 逆時針 旋轉。11.tem 、te和 tm波是如何定義的？什么是波導的截止性？分別說明矩形波導、圓波導、同軸線、帶狀線和微帶線的主模是什么？答：1）te波，tm波，tem 波是屬于電磁波的三種模式。te 波指電矢量與傳播方向垂直，或者說傳播方向上沒有電矢量。tm 波是指磁矢量與傳播方向垂直。 tem 波指電矢量和磁矢量都與傳播方向垂直；2）ck是與波導橫截面尺寸、形狀及傳輸模式有關的一個參量，當相移常數 =0 時，意味導波系統不再傳播，亦稱為截止, 此時kkc， 故6 將ck稱為截止波數3）矩形波導的主模是te10模；圓波導的主模是te11模；同軸線的主模是 tem 模；帶狀線的

10、主模是tem 模；微帶線的主模是準tem 模。12.簡述矩形波導傳輸特性的主要參數定義：相移常數，截止波長，截止波數，波導波長，相速度，te波和 tm波的波阻抗。1）相移常數和截止波數：相移常數和截止波數ck的關系是22ckk2）相 速pv： 電 磁 波 的 等 相 位 面 移 動 速 度 稱 為 相 速 ， 即221rrpccuvkk3）波導波長g：導行波的波長稱為波導波長，它與波數的關系式為22/12kkckcrrg4）波阻抗 ：某個波形的橫向電場和橫向磁場之比，即ttezh13.導波系統中工作波長與波導波長的區(qū)別。答：導行波的波長稱為波導波長，用g 表示，它與波數的關系式為22/1122

11、kkkcg其中，k/2為工作波長。7 14.為什么空心的金屬波導內不能傳播tem 波？空心金屬波導內不能存在tem 波。這是因為：如果內部存在 tem 波，則要求磁場完全在波導的橫截面內，而且是閉合曲線。有麥克斯韋第一方程可知，閉合曲線上磁場的積分等于與曲線相交鏈的電流。由于空心金屬波導中不存在軸向即傳播方向的傳導電流，故必要求有傳播方向的位移電流，由位移電流的定義式可知，要求一定有電場存在，顯然這個結論與tem 波的定義相矛盾，所以，規(guī)則金屬內不能傳輸tem 波。15.圓波導中的主模為 te11模 ，軸對稱模為 tm01模，低損耗模為 te01模 。16.說明圓波導中 te01模為什么具有低

12、損耗特性。答： te0 1模磁 場只 有徑向 和軸 向分 量 ，故 波導 管壁 電 流無 縱向分量，只有周向電流。因此當傳輸功率一定時，隨著頻率升高，管壁的熱損耗將單調下降，故其損耗相對其它模式來說是低的，故可將工作在te01模的圓波導用于毫米波的遠距離傳輸或制作高 q值的諧振腔。17.什么叫模式簡并現象？矩形波導的和圓波導的模式簡并有何異同？答：波導中的電磁波是各種tmmn模和 temn模的各種線性組合， m 為x 方向變化的半周期數， n 是 y 方向變化的半周期數； 如果當兩個模式8 tmmn和 temn的截止波長相等時，也就說明這兩種模式在矩形波導里出現的可能性相同，這種現象就叫做簡并

13、。18.圓波導中波型指數m和 n 的意義是什么？圓波導中單模傳輸的條件是什么？答：m 表示場沿圓周分布的整波數，n 表示場沿半徑分布的最大值個數。圓波導中單模傳輸的條件：19.波導激勵的方法有：電激勵 ， 磁激勵 ， 電流激勵 。20.微波集成傳輸線的特點及分類。答：特點：體積小、重量輕、性能優(yōu)越、一致性好、成本低；具有平面結構，通過調整單一平面尺寸來控制其傳輸特性。分類：準 tem 波傳輸線，主要包括微帶傳輸線和共面波導等；非tem 波傳輸線，主要包括槽線、鰭線等；開放式介質波導傳輸線，主要包括介質波導、鏡像波導點；半開放式介質波導，主要包括h形波導、 g 形波導等。21.帶狀線傳輸主模 t

14、em模時， 必須抑制高次模 te模和 tm模；微帶線的高次模有波導模式和表面波模式。22.微帶線的特性阻抗隨著w/h 的增大而減小 。相同尺寸的條件下，r 越大, 特性阻抗越小 。23.微波網絡基礎中，如何將波導管等效成平行傳輸9 線的？答：為定義任意傳輸系統某一參考面上的電壓和電流，作以下規(guī)定：電壓 u(z) 和電流 i(z) 分別與 et 和 ht 成正比；電壓 u(z) 和電流 i(z) 共軛乘積的實部應等于平均傳輸功率；電壓和電流之比應等于對應的等效特性阻抗值。對任一導波系統，不管其橫截面形狀如何，也不管傳輸哪種波形，其橫向電磁場總可以表示為：)(),(),()(),(),(ziyxh

15、zyxhzuyxezyxekktkkt式中，),(),(yxhyxekk、是二維實函數，代表了橫向場的模式橫向分布函數；)()(zizukk、是一維標量函數，它們反映了橫向電磁場各模式沿傳播方向的變化規(guī)律。24.列出微波等效電路網絡常用有5 種等效電路的矩陣表示，并說明矩陣中的參數是如何測量得到的。答： （1）阻抗參量當端口開路時， i20，網絡阻抗參量方程變?yōu)椋寒敹丝陂_路時，i10，網絡阻抗參量方程變?yōu)椋?2111 1221 11211211100iiuz iuziuuzzii則11112 222221212222200iiuz iuziuuzzii則1 0（2）導納參量當端口短路時， u2

16、0，網絡導納參量方程變?yōu)椋寒敹丝诙搪窌r， u10，網絡導納參量方程變?yōu)椋海?）轉移參量當端口開路時， i20，網絡轉移參量方程變?yōu)椋寒敹丝诙搪窌r， u20，網絡轉移參量方程變?yōu)椋篴11：端口開路時，端口到端口電壓傳輸系數的倒數；a21：端口開路時，端口與端口之間的轉移導納；a22：端口短路時，端口到端口電流傳輸系數的倒數；a12：端口短路時，端口與端口之間的轉移阻抗。11122122yyyyy22111122111211211100uuiy uiy uiiyyuu則11112222221212222200uuiy uiy uiiyyuu則11112221212222uaauuaiaaii221

17、11212121111212200iiua uia uuiaauu則22112212221112222200uuuaiiaiuiaaii則1 1（4）散射矩陣當端口接匹配負載時，a20，網絡散射參量方程變?yōu)椋寒敹丝诮悠ヅ湄撦d時，a10，網絡散射參量方程變?yōu)椋簊參量各參數的物理意義為：s11：端口接匹配負載時，端口的反射系數；s21：端口接匹配負載時，端口到端口波的傳輸系數；s22：端口接匹配負載時，端口的反射系數；s12：端口接匹配負載時，端口與端口波的傳輸系數。（5）傳輸矩陣當用 a1、 b1作為輸入量 , a2、b2作為輸出量 , 此時有以下線性方程 :25.雙口網絡中 s11=0112a

18、ab，s21=0122aab。26.s參數如何測量。答：對于互易雙端口網絡，s12=s21，故只要測量求得s11、s22及 s12三個量就可以了。設終端負載阻抗為lz，終端反射系數為l，則有：a2=lb2，代入11122122sssss=221111221 11211211100aabs abs abbssaa則11112222221212222200aabs abs abbssaa則111 2122221 2222at bt abt bt a1 222212122121111asasbasasb得22212122121111bsasbbsasbll輸入端參考面處的反射系數為llinsssab

19、2221211111令終端短路、開路和接匹配負載時，測得的輸入端反射系數分別為mos和、，代入上式解得：sosmosomosmmsss2)(2222121127.多口網絡s矩陣的性質：網絡互易有sst，網絡無耗有iss，網絡對稱時有jjiiss。28.簡述微波元器件中有源元器件和無源元器件在微波電路中的作用。29.微波元器件按照變換性質分為線性互易元器件，線性非互易元器件，非線性元器件。30.阻抗匹配元器件的定義、作用，并舉例說明有哪些阻抗匹配元件。答：阻抗匹配元器件 是用于調整傳輸系統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，改善系統穩(wěn)定性。主要包括螺釘調配器、多階梯

20、阻抗變換器及漸變型變換器等。1 331.寫出理想的雙口元件的s矩陣，理想衰減器的s=00llee，理想相移器s=00jjee，理想隔離器s=0100。32.功率分配元器件的定義，并舉例說明有哪些？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。33.簡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s矩陣。答：假設輸入電壓信號從端口“”經a 點輸入，則到的 d 點的信號有兩路，一路由分支線直達，其波行程為g/4，另一路由 abcd，波行程為3g/4,；故兩條路徑到達的波行程差為g/2，相應的相位差為，即相位相反。因此若選擇

21、合適的特性阻抗，使到達的兩路信號的振幅相等，則端口“”處的兩路信號相互抵消，從而實現隔離。同樣由 ac 的兩路信號為同相信號，故在端口“”有耦合輸出1 4信號，即端口“”為耦合端。耦合端輸出信號的大小同樣取決于各線的特性阻抗。01000110001021jjjjs34.簡述 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 分支都是在主波導寬邊面上的分支，其軸線平行于主波導的10te模的電場方向，不同點在于e-t 分支相當于分支波導與主波導串聯，而 h-t 分支相當于并聯于主波導的分支線。35.簡述天線的定義和功能。答：用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。1

22、 5基本功能 ：1）天線應能將導波能量盡可能多地轉變成電磁波能量；2）天線具有方向性； 3）天線有適當的極化。4）天線應有足夠的工作頻帶。36.簡述天線近區(qū)場和遠區(qū)場的特點。答：近區(qū)場：sin4sin24cos2420302rilhriljeriljer， 在近區(qū), 電場e和re與靜電場問題中的電偶極子的電場相似, 磁場h和恒定電流場問題中的電流元的磁場相似, 所以近區(qū)場稱為準靜態(tài)場。 由于場強與r/1的高次方成正比 , 所以近區(qū)場隨距離的增大而迅速減小, 即離天線較遠時 , 可認為近區(qū)場近似為零。 電場與磁場相位相差90，說明玻印廷矢量為虛數, 也就是說 , 電磁能量在場源和場之間來回振蕩,

23、 沒有能量向外輻射, 所以近區(qū)場又稱為感應場。遠區(qū)場 ：jkrjkreriljheriljesin2sin60，在遠場，電基本振子的場只有e和h兩個分量，它們在空間上相互垂直，在時間上同相位，所以其玻印亭矢量*21hes是實數，且指向r方向。 這說明電基本振子的遠區(qū)場是一個沿著徑向向外傳播的橫電磁波，故遠區(qū)場又稱輻射場。12000he是一個常數，即等于媒質的本征阻抗，因而遠場區(qū)具有與平行波相同的特性。1 6輻射場的強度與距離成反比，隨著距離的增大，輻射場減小。這是因為輻射場是以球面波的形式向外擴散的，當距離增大時，輻射能量分布到更大的球面面積上。在不同的方向上，輻射強度不相等。這說明電基本振子

24、的輻射是有方向性的。37.天線的電參數有哪些？答：天線的電參數有： 主瓣寬度、旁瓣電平、前后比、方向系數。38.電基本振子的歸一化方向函數f,=sin，方向系數 d=1.5， 輻射電阻r =2280）（l， 3db波瓣寬度0.52=900. 39.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40.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 函數的天線方向性函數以圖形的形式表示出來，則稱為方向圖或方向性圖。1 7e 面：包含最大輻射方向，電場矢量所在的平面（由電場強度方向和最大輻射方向構

25、成的平面） ，h 面：包含最大輻射方向，磁場矢量所在的平面（由磁場方向和最大輻射方向構成的平面）。41.簡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的極化，一般是指輻射電場的空間取向。輻射場的極化是指在空間某一固定位置上電場矢量端點隨時間運動的軌跡。根據軌跡形狀不同，可分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化：電場矢量沿著一條線做往復運動。線極化分為水平極化和垂直極化。圓極化：電場矢量的大小不變，其末端做圓周運動。分為左旋圓極化和右旋圓極化。橢圓極化：電場矢量大小隨時間變化，其末端運動的軌跡是橢圓。分為左旋橢圓極化和右旋橢圓極化。42.簡述波瓣寬度。答：波瓣寬度是衡

26、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半功率點之間的寬度，在場強方向圖中，等于最大場強的 1/2兩點之間的寬度，稱為半功率波瓣寬度；有時也將頭兩個零點之間的角寬作為主瓣寬度，稱為零功率波瓣寬度。43.從接收角度講 , 對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來自1 8同一方向，即使主瓣寬度很窄，也不能抑制干擾，另一方面當來波方向易于變化時，主瓣太窄難以保證穩(wěn)定的接收，如何選擇主瓣寬度，應根據具體情況而定。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，最好有一個或多個可控制的零點，以便將零點對準

27、干擾方向，而且當干擾方向變化時，零點方向也隨之改變，以抑制干擾，這也稱為零點自動形成技術44.什么是衰落？簡述引起衰落的原因。答：所謂 衰落 ，一般是指信號電平隨時間的隨機起伏。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：由于傳輸媒質電參數的變化，使得信號在媒質中的衰減發(fā)生相應的變化，如大氣中的云霧等都對電波有吸收作用，由于氣象的隨機性，因而這種吸收的強弱也有起伏，形成信號的衰落。干涉型衰落：由隨機多徑干涉現象引起的信號幅度和相位的隨機起伏稱為干涉型衰落。45.什么是波長縮短效應？試簡要解釋其原因。對稱振子上的相移常數大于自由空間的波數k，亦即對稱振子上的波長短于自由空間

28、波長，這是一種波長縮短現象。 對稱振子輻射引起振子電流衰減, 使振子電流相速減小 , 相移常數大于自由空間的波數k, 致使波長縮短 ; 由于振子導體有一定半徑 , 末端分布電容增大（稱為末端效應）, 末端電流實際不為零 , 這等效于振子長度增加 , 因而造成波長縮短。 振子1 9導體越粗 , 末端效應越顯著 , 波長縮短越嚴重。46.證明方向性系數22004,sindfd d47.對稱振子天線在臂長等于多少時方向性最好？答:0.5h時，方向性最好。48.半波對稱振子的方向系數： 1.64 。49.半波振子的5.02 78o 。50.天線的有效面積。答：有效接收面積是衡量一個天線接收無線電波能力

29、的重要指標。它的定義為 : 當天線以最大接收方向對準來波方向進行接收時, 接收天線傳送到匹配負載的平均功率為plmax,并假定此功率是由一塊與來波2 0方向相垂直的面積所截獲, 則這個面積就稱為接收天線的有效接收面積, 記為 ae, 即有avlespamax式中, sav為入射到天線上電磁波的時間平均功率流密度，其值為221iaves51.簡述天線增益的定義。答：天線增益是這樣定義的。即輸入功率相同時，某天線在某一方向上的遠區(qū)產生的功率流密度s1與理想點源（無方向性） 天線在同一方向同一距離處產生的功率流密度s0的比值，稱為該天線在該方向上的增益系數，簡稱增益，常用g 表示。00max02maxmax