微波天線與技術(shù)課程報(bào)告

1、微波技術(shù)與天線 課程考察報(bào)告 姓 名 ： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 許 焱 平- 13 -緒論 1微波技術(shù)是研究微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、變換、發(fā)射、接收和測(cè)量的一門(mén)學(xué)科，它的基本理論是經(jīng)典的電磁場(chǎng)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(chǎng)”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(dòng)方程，求得場(chǎng)量的時(shí)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?；舴蚨山鬏斁€方程，求得線上電壓和電流的時(shí)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(zhǎng)從1m到0.1mm范圍內(nèi)的電磁波稱(chēng)為微波。微

2、波波段對(duì)應(yīng)的頻率范圍為: 300MHz3000GHz。在整個(gè)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(wú)線電波，它的頻帶寬度比所有普通無(wú)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(gè)波段。 3微波具有如下主要特點(diǎn)：（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(dá)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(huì)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(gè)參量：1）均勻傳輸線方程2) 傳播常數(shù) 3) 相速p與波長(zhǎng) 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(duì)無(wú)耗均勻傳輸線, 線上各點(diǎn)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(diǎn)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(fù)載阻抗必須滿足： 3. 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

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(chēng)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(fù)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(zhǎng)g。電磁波在波導(dǎo)中傳播, 其等相位面移動(dòng)速率稱(chēng)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)。 2) 簡(jiǎn)并模。在圓波導(dǎo)中有兩種簡(jiǎn)并模, 它們是E-H簡(jiǎn)并和極化簡(jiǎn)并。 3. 幾種常用模式1) 主模TE11模2) 圓對(duì)稱(chēng)TM01模TM01模是圓波導(dǎo)的第一個(gè)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(lì)與耦合：1. 電激勵(lì)2. 磁激勵(lì)3. 電流激勵(lì)2.5各類(lèi)傳輸線內(nèi)傳輸?shù)闹髂＜捌浣刂共ㄩL(zhǎng)和單模傳輸條件列表如下：傳輸線類(lèi)型主 模截止波長(zhǎng)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(diǎn)：體積小、重量輕、價(jià)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(lèi)：（1）準(zhǔn)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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)lg。5.介質(zhì)波導(dǎo)可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是開(kāi)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(lèi)是半開(kāi)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(diǎn)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(shí)通常采用歸一化

9、阻抗, 即將電路中各個(gè)阻抗用特性阻抗歸一, 與此同時(shí)電壓和電流也要?dú)w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(gè)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(wú)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(chēng)為A矩陣,它在研究網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)特性時(shí)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(cè)量4.5 多端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣(1) 互易性質(zhì)(2) 無(wú)耗性質(zhì)(3) 對(duì)稱(chēng)性質(zhì)五、微波元器件5.1 連接匹配元件 (1) 短路負(fù)載(2) 匹配負(fù)載(3)

10、失配負(fù)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(biāo) (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(chēng)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(wú)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(lái)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(chēng)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(chǎng)移式隔離器3) 隔離器的性能指標(biāo)2. 鐵氧體環(huán)行器一個(gè)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(wú)反射;輸入端口到輸出端口全通, 無(wú)損耗; 輸入端口與隔離器間無(wú)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(lèi):有線通信,無(wú)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(zhǎng)度l遠(yuǎn)小于波長(zhǎng), 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(chǎng)引入這種假想的磁荷和磁流的概念, 將一部分原來(lái)由電荷和電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)用能夠產(chǎn)生同樣電磁場(chǎng)的磁荷和磁流來(lái)取代,即將“電源”換成等效“磁源”, 可以大大簡(jiǎn)化計(jì)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(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖, 通常采用通過(guò)天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來(lái)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(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。具體地說(shuō),就是在空間某一固定位置上,電場(chǎng)矢量的末端隨時(shí)間變化所描繪的圖形,如果是直線, 就稱(chēng)為線極化;如果是圓就稱(chēng)為圓極化;如果是橢圓就稱(chēng)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(shuō), 上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻率設(shè)計(jì)的。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí), 往往要引起天線各個(gè)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(zhǎng)度有效長(zhǎng)度是衡量天線輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。 6.4 接收天線理論接收天線主要考慮以下四個(gè)方面：1. 天線接收的物理過(guò)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(wú)線電波在自由空間的傳播2. 傳輸媒質(zhì)對(duì)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(duì)電波的衰減大氣對(duì)電波的衰減主要來(lái)自兩個(gè)方面。一方面是云、霧、 雨等小水滴對(duì)電波的熱吸收及水分子、氧分子對(duì)

16、電波的諧振吸收。 另一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的散射。3. 場(chǎng)分析在視距傳播中, 除了自發(fā)射天線直接到達(dá)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(dá)接收天線的反射波， 如圖 7-5 所示。因此接收天線處的場(chǎng)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(wú)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(shí),當(dāng)?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越小或電波頻率越高, 電場(chǎng)縱向分量 Ez1越大, 說(shuō)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(wú)線電

17、波中具有實(shí)用意義。在某些場(chǎng)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(shí)間很快地變化, 并且基本上不受氣候條件的影響, 因此信號(hào)穩(wěn)定, 這是地面波傳播的突出優(yōu)點(diǎn)。 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(duì)稱(chēng)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(chǎng)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(wú)線電系統(tǒng)中, 這主要是因?yàn)? 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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(diǎn) 頻率范圍寬。 覆蓋面積大。 在以零輻射方向?yàn)橹行牡囊欢ǖ牧Ⅲw角所對(duì)的區(qū)域, 電視信號(hào)變得十分微弱。 我國(guó)的電視發(fā)射信

19、號(hào)采用水平極化。 為了擴(kuò)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(chǎng)天線，設(shè)有兩個(gè)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(dòng)通信基站天線1. 移動(dòng)通信基站天線的特點(diǎn)天線應(yīng)架設(shè)在很高的地方, 這就要求天線有足夠的機(jī)械強(qiáng)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(lì), 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(dòng)通信基站天線 VHF和UHF移動(dòng)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(zhǎng)度c;螺距角; 軸向長(zhǎng)度L。 1. 法向模螺旋天線每一圈螺旋天線的輻射場(chǎng)為：E=aE+aE 2. 軸向模螺旋天線當(dāng)d/0.250.45 時(shí), 螺旋天線的一圈的周長(zhǎng)接近一個(gè)波長(zhǎng), 此時(shí)天線上的電流呈行波分布, 則天線的輻射場(chǎng)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(fù)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(chǎng)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(wú)明顯變化, 就可稱(chēng)為寬頻帶天線。8.9 縫隙天線1. 理想縫隙天線的輻射場(chǎng)2. 波導(dǎo)縫隙天線8.10 微帶天線微帶天線的主要特點(diǎn)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