微波天線課程報(bào)告

1、微波技術(shù)與天線課程考查報(bào)告班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：成績(jī)：課程內(nèi)容總結(jié)：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(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), 即：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

2、. 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(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 傳輸線上任意一點(diǎn)的反射函數(shù)(z)可表達(dá)為 ：1.7 同軸線的特性阻抗 同軸線是一

3、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)速率稱為相速, 于是有： 。3) 波阻抗。定義即： 。 4) 傳輸功率: 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)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)。圓波導(dǎo)TEmn模、TMmn模的截止波數(shù)分別為： 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

4、種常用模式1) 主模TE11模2) 圓對(duì)稱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)三、微波集成傳輸線3.1 微帶傳輸器對(duì)微波集成傳輸元件的基本要求之一就是它必須具有平面型結(jié)構(gòu), 這樣可以通過(guò)調(diào)整單一平面尺寸來(lái)控制其傳輸特性, 從而實(shí)現(xiàn)微波電路的集成化。共分三種： 1.微帶線 2. 微帶線3. 耦合微帶線3.2介質(zhì)波導(dǎo)介質(zhì)波導(dǎo)可分為兩大類：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；另一類是半開放介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。 3.3 光纖光纖又名光導(dǎo)纖

5、維, 它是在圓形介質(zhì)波導(dǎo)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的導(dǎo)光傳輸系統(tǒng)。光纖按組成材料可分為石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖、 塑料包層玻璃芯光纖和全塑料光纖。 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

6、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) 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

7、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。 (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

8、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,

9、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: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”,

10、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： 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,

11、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(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

12、：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)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，

13、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

14、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

15、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

16、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 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)

17、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)

18、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50GHz的頻率范圍。8.11 智能天線使用智能天線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:具有較高的接收靈敏度;使空分多址系統(tǒng)（SDMA）成為可能;消除在上下鏈路中的干擾;抑制多徑衰落效應(yīng)。 9、 面天線 9.1惠更斯元的輻射 如圖所示，面天線通常由金屬面S1和初級(jí)輻射源組成。設(shè)包圍天線的封閉曲面由金屬面的外表面S1以及金屬面的口徑面S2共同組成，由于S1為導(dǎo)體的外表面，其上的場(chǎng)為零

19、，于是面天線的輻射問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為口徑面S2的輻射。由于口徑面上存在著口徑場(chǎng)ES和HS，根據(jù)惠更斯原理(Huygen's Principle)，將口徑面S2分割成許多面元，這些面元稱為惠更斯元或二次輻射源。 由所有惠更斯元的輻射之和即得到整個(gè)口徑面的輻射場(chǎng)。為方便計(jì)算，口徑面S2通常取為平面。當(dāng)由口徑場(chǎng)求解輻射場(chǎng)時(shí)，每一個(gè)面元的次級(jí)輻射可用等效電流元與等效磁流元來(lái)代替，口徑場(chǎng)的輻射場(chǎng)就是由所有等效電流元（等效電基本振子）和等效磁流元（等效磁基本振子）所共同產(chǎn)生的。這就是電磁場(chǎng)理論中的等效原理(Field Equivalence Theorem)。如同電基本振子和磁基本振子是分析線天線的基本

20、輻射單元一樣，惠更斯元是分析面天線輻射問(wèn)題的基本輻射元。磁基本振子遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的表達(dá)式為：電基本振子的輻射場(chǎng)：9.2 平面口徑的輻射 綜合對(duì)不同口徑場(chǎng)輻射場(chǎng)的分析以及相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，對(duì)同相口徑場(chǎng)而言，可歸納出如下的重要結(jié)論： （1）平面同相口徑的最大輻射方向一定位于口徑面的法線方向； （2）在口徑場(chǎng)分布規(guī)律一定（均勻程度一定，v一定），的情況下，口徑面的電尺寸越大，主瓣越窄（由上表或圖），方向系數(shù) 越大； （3）當(dāng)口徑電尺寸一定時(shí)，口徑場(chǎng)分布越均勻，其面積利用系數(shù)越大，方向系數(shù)越大，但是副瓣電平越高；（4）口徑輻射的副瓣電平以及面積利用系數(shù)只取決于口徑場(chǎng)的分布情況，而與口徑的電尺寸無(wú)關(guān)。9.3旋

21、轉(zhuǎn)拋物面天線旋轉(zhuǎn)拋物面天線（Paraboloidal Reflector Antennas）是應(yīng)用最廣泛的天線之一,它由饋源和反射面組成。天線的反射面由形狀為旋轉(zhuǎn)拋物面的導(dǎo)體表面或?qū)Ь€柵格網(wǎng)構(gòu)成，饋源是放置在拋物面焦點(diǎn)上的具有弱方向性的初級(jí)照射器，利用拋物面的幾何特性，拋物面天線可以把方向性較弱的初級(jí)輻射器的輻射反射為方向性較強(qiáng)的輻射。9.4卡塞格倫天線 標(biāo)準(zhǔn)的卡塞格倫天線和普通單反射面天線都存在著要求對(duì)口面照射盡可能均勻和要求從反射面邊緣溢出的能量盡可能少的矛盾，從而限制了反射面天線增益因子的提高。心得體會(huì)：這一學(xué)期我們跟著許老師學(xué)習(xí)微波技術(shù)與天線，受益匪淺。在面對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式計(jì)算與推導(dǎo)，老師另辟蹊徑，以結(jié)論出發(fā)，反觀初始條件，得到期許的驗(yàn)證，避免成為冗雜乏味的數(shù)學(xué)公式講解，而失去應(yīng)有的物理意義。這對(duì)我這這門課程乃至今后的學(xué)習(xí)都有很大的啟發(fā)。與此同時(shí)，有通過(guò)日常可見的天線等與微波天線有關(guān)的設(shè)備來(lái)進(jìn)一步加深對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)與理解