微波技術(shù)復(fù)習(xí)(答案史密斯圓圖版)

1、微波技術(shù)與天線復(fù)習(xí)提綱（一、思考題1. 什么是微波？微波有什么特點(diǎn)？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(zhǎng)從0.1mm到1m；微波的特點(diǎn)：似光性、穿透性、寬頻帶特性、熱效應(yīng)特性、散射特性、抗低2. 試解釋一下長(zhǎng)線的物理概念，說明以長(zhǎng)線為基礎(chǔ)的傳輸線理論的主要物理現(xiàn)象有哪些？一般是采用哪些物理量來描述？答：長(zhǎng)線是指?jìng)鬏斁€的幾何長(zhǎng)度與工作波長(zhǎng)相比擬的的傳輸線；以長(zhǎng)線為基礎(chǔ)的物理現(xiàn)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(shù)、傳輸系數(shù)和駐波系數(shù)。3. 均勻傳輸線如何建立等效電路，等效電路中各個(gè)等效元件如何定義？4. 均勻傳輸

2、線方程通解的含義5. 如何求得傳輸線方程的解？ZG 負(fù)載及信號(hào)源無關(guān)；2）傳輸常數(shù) 和j 20r與導(dǎo)波系統(tǒng)的狀態(tài)特性無關(guān)，10001的反射系數(shù)，對(duì)于無耗傳輸線，它的表達(dá)式為 (z)1 ej( 2z)11一一對(duì)應(yīng)，因此，輸入阻抗可通過反射系數(shù)的測(cè)量來確定；當(dāng)Z Z 時(shí)， =0，101駐波比與反射系數(shù)的關(guān)系： 1，駐波比的取值范圍是 ；當(dāng)傳輸1 18. 均勻傳輸線輸入阻抗的特性，與哪些參數(shù)有關(guān)？U z) jIZ z) Z jZ z)Z in(Z)Zll0l0U0Z jZ tan( z)Iz)j z)l0llZ0特性：/2重復(fù)性阻抗變換特性端負(fù)載阻抗及工作頻率有關(guān)，且一般為復(fù)數(shù)，故不宜直接測(cè)量。9.

3、 均勻傳輸線反射系數(shù)的特性(z)| | z)l1(z)變化，其周期為/2，即反射系數(shù)也具有/2重復(fù)性。10. 簡(jiǎn)述傳輸線的行波狀態(tài)，駐波狀態(tài)和行駐波狀態(tài)。 l于傳輸線的特性阻抗，即 Z =Z0。l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(shù)| |=1。lZ Z|100|=| |=1Z Zl1駐波，構(gòu)成混合波狀態(tài)，故稱之為行駐波狀態(tài)。11. 什么是行波狀態(tài)，行波狀態(tài)的特點(diǎn) l于傳輸線的特性阻抗，即 Z =Z0。l無耗傳輸線的行波狀態(tài)有以下特點(diǎn)：沿線電壓和電流振幅不變，駐波比 =1。電壓和電流在任意點(diǎn)上都同相。傳輸線上各點(diǎn)阻抗均等于傳輸線特性阻抗。12.什么是駐波狀態(tài)，駐波狀態(tài)的特性Z Z駐

4、波狀態(tài)就是全反射狀態(tài)，也即終端反射系數(shù)| |=1。|=| |=1。100Z Zll1特性1電壓波腹點(diǎn)、電流波節(jié)點(diǎn)；端接純感（容）抗的無耗線，向源方向第一個(gè)出現(xiàn)的是電壓波腹（節(jié)）點(diǎn)；下，線上既無能量損耗，也不傳輸能量；（3）線上波節(jié)點(diǎn)兩側(cè)沿線各點(diǎn)電壓（或電流）反相，相鄰兩波節(jié)點(diǎn)之間各點(diǎn)電壓（或電流）同相；（4）沿線各點(diǎn)的輸入阻抗為純電抗。13.分布終端負(fù)載為短路、開路或純阻抗三種情況之一。（1）終端負(fù)載短路時(shí)，z=(2n+1)/4(n=0,1,2,)處為電壓波腹點(diǎn)。（2）終端負(fù)載開路時(shí)，z=n/2(n=0,1,2,)處為電壓波腹點(diǎn)。2n1X終端負(fù)載為純電感jX時(shí)，z arctan( )(n)LZ

5、L40 nX端負(fù)載為純電容-jX時(shí)，z 2 2arccot( )(n)處為波腹點(diǎn)。CCZ014.介紹傳輸功率、回波損耗、插入損耗傳輸線的傳輸損耗（Transmission Efficiency）為負(fù)載吸收功率P(0)|2t始端傳輸功率P(l) 2l|2l)t| 0 exp(l)，l可見，傳輸效率取決于傳輸線的損耗和終端匹配情況。傳輸線的損耗分為回波損耗和插入損耗?；夭〒p耗定義為入射波功率與反射波功率之比，通常以分貝來表示，即P1Lr(z)10lg in dB=lglg| |z)dB |24z)lP|rl對(duì)于無耗線， =0，Lr與z無關(guān)，即L(z)20lg| |rl若負(fù)載匹配，則 | | L，表

6、示無反射波功率。rr若不考慮其他損耗，即=0，則11| |22l其中， 為傳輸線上駐波系數(shù)。此時(shí)，由于插入損耗僅取決于失配情況，故又稱為失配損耗。于反射信號(hào)本身的損耗，| |越大，則|L |越?。欢迦霌p耗|L |則表示反射信lri號(hào)引起的負(fù)載功率的減小，| |越大，則|L |也越大。li15. 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(shí)現(xiàn)？出最大功率時(shí)，負(fù)載全部吸收，以實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的傳輸，阻抗匹配有三種類型，分別是：負(fù)載阻抗匹配、源阻抗匹配和共軛阻抗匹配。波。用的方法是在信號(hào)源之后加一個(gè)去耦衰減器或隔離器。于電源內(nèi)阻的共軛值時(shí)，稱之為共軛阻抗匹配。16.負(fù)載獲得最大輸出功率

7、時(shí)，負(fù)載與源阻抗間關(guān)系： Z Z 。*ing17.史密斯圓圖是求解均勻傳輸線有關(guān) 阻抗匹配 和 功率匹配 問題的一類曲線 實(shí)部和虛部 的等值線簇與反射系數(shù) 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?qū)Ъ{圓圖。導(dǎo)納圓圖可以通過對(duì) 阻抗圓圖 旋轉(zhuǎn) 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(shí)軸左邊的交點(diǎn)為 短路 開路 圓圖實(shí)軸上的點(diǎn)代表純電阻 點(diǎn)，左半軸上的點(diǎn)為電壓波 節(jié) 腹 順時(shí)針 方向移動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)在圓圖上應(yīng) 逆時(shí)針 旋轉(zhuǎn)。18. TEM、TE和TM波是如何定義的？什么是波導(dǎo)的截止性？分別說明矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線、帶狀線和微帶線

8、的主模是什么？ 波指電矢量與傳播方 波指電矢量和磁矢量都與傳播方向垂直；2）k 是與波導(dǎo)橫截面尺寸、形狀及傳輸模式有關(guān)的一個(gè)參量，當(dāng)相移常數(shù)=0c時(shí)，意味導(dǎo)波系統(tǒng)不再傳播，亦稱為截止, 此時(shí)k k， 故將k 稱為截止波數(shù)cc3）矩形波導(dǎo)的主模是TE10模；圓波導(dǎo)的主模是TE11模；同軸線的主模是TEM模；帶狀線的主模是TEM模；微帶線的主模是準(zhǔn)TEM模。波導(dǎo)波長(zhǎng)，相速度，TE波和TM波的波阻抗1） 相移常數(shù)和截止波數(shù)：相移常數(shù) 和截止波數(shù)k 的關(guān)系是 k k22cccr ru2） 相速 ：電磁波的等相位面移動(dòng)速度稱為相速，即 vvk kpp122c3） 波導(dǎo)波長(zhǎng) ：導(dǎo)行波的波長(zhǎng)稱為波導(dǎo)波長(zhǎng)，它

9、與波數(shù)的關(guān)系式為gc 2 rrk1 k /kg22cE4） 波阻抗：某個(gè)波形的橫向電場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)之比，即 ZtHt20.導(dǎo)波系統(tǒng)中截止波長(zhǎng)、工作波長(zhǎng)和波導(dǎo)波長(zhǎng)的區(qū)別。答：導(dǎo)行波的波長(zhǎng)稱為波導(dǎo)波長(zhǎng)，用g 表示，它與波數(shù)的關(guān)系式為 221k1 k /kg22c其中，2 /k為工作波長(zhǎng)。21.為什么空心的金屬波導(dǎo)內(nèi)不能傳播TEM波？答：空心金屬波導(dǎo)內(nèi)不能存在TEM波。這是因?yàn)椋喝绻麅?nèi)部存在TEM波，則要求知，要求一定有電場(chǎng)存在，顯然這個(gè)結(jié)論與TEM波的定義相矛盾，所以，規(guī)則金屬內(nèi)不能傳輸TEM波。22.圓波導(dǎo)中的主模為 TE11模 TM01模 TE01模 。23.說明圓波導(dǎo)中TE01模為什么具有低損

10、耗特性。答：TE 模磁場(chǎng)只有徑向和軸向分量，故波導(dǎo)管壁電流無縱向分量，只01有周向電流。因此當(dāng)傳輸功率一定時(shí)，隨著頻率升高，管壁的熱損耗將單調(diào)下降，故其損耗相對(duì)其它模式來說是低的，故可將工作在TE 模的01圓波導(dǎo)用于毫米波的遠(yuǎn)距離傳輸或制作高Q值的諧振腔。24.什么叫模式簡(jiǎn)并現(xiàn)象？矩形波的和圓波導(dǎo)的模式簡(jiǎn)并有何異同？答：波導(dǎo)中的電磁波是各種TM 模和TE 模的各種線性組合，m為x方向變化的mnmn半周期數(shù)，n是y方向變化的半周期數(shù)；如果當(dāng)兩個(gè)模式TM 和TE 的截止波長(zhǎng)mn mn簡(jiǎn)并。25.解釋圓波導(dǎo)中的模式簡(jiǎn)并和極化簡(jiǎn)并J (x)J (x)的性質(zhì)，所以一01階貝塞爾函數(shù)的根和零階貝塞爾函數(shù)導(dǎo)

11、數(shù)的根相等，即 ，故有0n1n，從而形成了TE 模和 模的簡(jiǎn)并。這種簡(jiǎn)并稱為E-H簡(jiǎn)并。cTE0ncTM1n0n1n極化簡(jiǎn)并：由于原波導(dǎo)具有軸對(duì)稱性，對(duì)m0的任意非圓對(duì)稱模式，橫向電同的場(chǎng)分布，故稱之為極化簡(jiǎn)并。26.為什么一般矩形（主模工作條件下）測(cè)量線探針開槽開在波導(dǎo)寬壁的中心線上？答：因?yàn)橐话憔匦尾▽?dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ㄊ荰E10模。而TE10模在波導(dǎo)壁面上的電量。27.帶狀線傳輸主模TEM TE模和 TM模；微帶線的高次模有 波導(dǎo)模式 和 表面波模式 。28. 微帶線的特性阻抗隨著w/h的增大而 減小 越大,特性阻抗越 小 。29.微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)中，如何將波導(dǎo)管等效成平行傳輸線的？為定義任意傳

12、輸系統(tǒng)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(shí)部應(yīng)等于平均傳輸功率；電壓和電流之比應(yīng)等于對(duì)應(yīng)的等效特性阻抗值。E (x,y,z) e (x,yU (z)tkk總可以表示為：式中，、e (x,y) h (x,y)是二維實(shí)H (x,y,z)th (x,y)I (z)kkkk函數(shù)，代表了橫向場(chǎng)的模式橫向分布函數(shù)；U (z、I (z)是一維標(biāo)量函數(shù)，它們kk反映了橫向電磁場(chǎng)各模式沿傳播方向的變化規(guī)律。30.列出微波等效電路網(wǎng)絡(luò)常用有5數(shù)是如何測(cè)量得到的。Z Z11（1）阻抗參量Z12Z Z 2122U Z IU Z

13、II2當(dāng)端口開路時(shí)， 0，網(wǎng)絡(luò)阻抗參量方程變?yōu)椋? 12 1則 Z UZ U12II101I02I2U Z I當(dāng)端口開路時(shí)， 0，網(wǎng)絡(luò)阻抗參量方程變?yōu)椋篣 Z II11 22 2則 Z UZ U12IIY Y 202I0I1Y Y Y1（2）導(dǎo)納參量IY UI Y U1121U2I1UI當(dāng)端口短路時(shí)， 0，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納參量方程變?yōu)椋簞t Y Y 2U1010UU22I Y UI Y U1222U1當(dāng)端口短路時(shí)， 0，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納參量方程變?yōu)椋簞tIIY Y 12UU202U01U1U AA U U A（3）轉(zhuǎn)移參量1 22IAAII 122U A UI A UI2當(dāng)端口開路時(shí)， 0，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移參量方程變?yōu)椋?/p>

14、1212UI1U則 A A 12UI02I02 2U A II A IU2當(dāng)端口短路時(shí)， 0，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移參量方程變?yōu)椋?212U I則 A A 11II22U 02U 02A：端口開路時(shí)，端口到端口電壓傳輸系數(shù)的倒數(shù)；：端口開路時(shí)，端口與端口之間的轉(zhuǎn)移導(dǎo)納；：端口短路時(shí)，端口到端口電流傳輸系數(shù)的倒數(shù)；：端口短路時(shí)，端口與端口之間的轉(zhuǎn)移阻抗。11A21A22A12SS （4）散射矩陣S=SS端口接匹配負(fù)載時(shí)， 0，網(wǎng)絡(luò)散射參量方程變?yōu)椋篵S a 1b S aa212 1b1ab2a則 S S 101a02a2當(dāng)端口接匹配負(fù)載時(shí)， 0，網(wǎng)絡(luò)散射參量方程變?yōu)椋篵 S aa1b S a122 2b1ab

15、2a則 S S S 參量各參數(shù)的物理意義為：S202a01a1：端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口的反射系數(shù)；11S：端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口到端口波的傳輸系數(shù)；21：端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口的反射系數(shù)；S22S：端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口與端口波的傳輸系數(shù)。12（5）傳輸矩陣a ba T b T aa b當(dāng)用 、 作為輸入量, 、 作為輸出量, 此時(shí)有以下線性方程:1 2 2bT b T a11222 2 231. S參數(shù)如何測(cè)量。對(duì)于互易雙端口網(wǎng)絡(luò)，S =S12S SS12，故只要測(cè)量求得 、 及 三個(gè)量就可以了。211122a b設(shè)終端負(fù)載阻抗為Z ，終端反射系數(shù)為 ，則有： = ，代入ll2l2b S a

16、 S a111 112 2b S a S a221 122 2 b S a S b 12 l 2得111 1b S a S b221 122 l 2b1a1S 2輸入端參考面處的反射系數(shù)為 S 12 l1S 22 lin11負(fù)載時(shí)，測(cè)得的輸入端反射系數(shù)分別為、 ，代入上式解得：somS 11m2( )( )S 2msom 12os 2 S 22oms os32. 二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)（S11，S12，S21，S22）的物理意義。S：端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口的反射系數(shù)；11SS：端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口到端口波的傳輸系數(shù)；21：端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口的反射系數(shù)；22S：端口接匹配負(fù)載時(shí)，端口與端口波的

17、傳輸系數(shù)。12 33.多口網(wǎng)絡(luò) 矩陣的性質(zhì)：網(wǎng)絡(luò)互易有 S S ，網(wǎng)絡(luò)無耗有 S S I ，網(wǎng)ST 絡(luò)對(duì)稱時(shí)有 S S 。iijj34. 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。用是為了消除反射，提高傳輸效率，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。主要包括螺釘調(diào)配器、多階梯阻抗變換器及漸變型變換器等。 0 e l35. 寫出理想的雙口元件的 S 矩陣，理想衰減器的 S =，理想相移el0 器 S = 0 00 e j，理想隔離器 S =。ej01 036. 功率分配元器件的定義，并舉例說明有哪些？合器、功率分配器以及各種微波分支器件。j 0 0 1139. 簡(jiǎn)述天線近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的特點(diǎn)2Il2co

18、s，E jsin，H sinr2200r離天線較遠(yuǎn)時(shí), 可認(rèn)為近區(qū)場(chǎng)近似為零。 電場(chǎng)與磁場(chǎng)相位相差 也就是說, 電磁能量在場(chǎng)源和場(chǎng)之間來回振蕩, 沒有能量向外輻射, 所以近區(qū)場(chǎng)又稱為感應(yīng)場(chǎng)。60 IlIl遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)：E jsine ，H jsinejkrjkrr2r在遠(yuǎn)場(chǎng)，電基本振子的場(chǎng)只有E 和H 兩個(gè)分量，它們?cè)诳臻g上相互垂直，在1S EH*r2基本振子的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是一個(gè)沿著徑向向外傳播的橫電磁波，故遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)又稱輻射場(chǎng)。E 是一個(gè)常數(shù)，即等于媒質(zhì)的本征阻抗，因而遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)具0H0有與平行波相同的特性。上。在不同的方向上，輻射強(qiáng)度不相等。這說明電基本振子的輻射是有方向性的。40. 天線的電參數(shù)有哪些？答：

19、天線的電參數(shù)有：主瓣寬度、旁瓣電平、前后比、方向系數(shù)。 41.電基本振子的歸一化方向函數(shù) F , = sin ，方向系數(shù) D=1.5，輻射電阻l（ 波瓣寬度 90 .0R =802 =0.52242. 解釋天線的方向圖，以及E面和H面？ q 和 f 函數(shù)的天線方向性函數(shù)以圖形的形式表示出來，則稱為方向圖或方向性圖。E 面：含最大輻射方向，電場(chǎng)矢量所在的平面（由電場(chǎng)強(qiáng)度方向和最大輻射方向構(gòu)成的平面）H 面：含最大輻射方向，磁場(chǎng)矢量所在的平面（由磁場(chǎng)方向和最大輻射方向構(gòu)成43. 簡(jiǎn)述什么是天線的極化，極化的分類？間取向。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(chǎng)矢量沿著一條線做往復(fù)

20、運(yùn)動(dòng)。線極化分為水平極化和垂直極化。化。極化和右旋橢圓極化。44. 解釋天線方向圖參數(shù)中的主瓣寬度、旁瓣電平、前后比、方向系數(shù)向圖主瓣兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的寬度。旁瓣電平：是指離主瓣最近且電平最高的第一旁瓣的電平，一般以分貝表示。前后比：是指最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（后向）電平之比，通常以分貝為單位。同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。45. 從接收角度講, 對(duì)天線的方向性有哪些要求？窄難以保證穩(wěn)定的接收，如何選擇主瓣寬度，應(yīng)根據(jù)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(gè)或多個(gè)可控制的零點(diǎn)，以便將零

21、點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向，而且當(dāng)干擾方向變化時(shí)，零點(diǎn)方向也隨之改變，以抑制干擾，這也稱為零點(diǎn)自動(dòng)形成技術(shù)46. 什么是衰落？簡(jiǎn)述引起衰落的原因。兩大類：吸收性衰落和干涉型衰落。收的強(qiáng)弱也有起伏，形成信號(hào)的衰落。衰落。47. 什么是波長(zhǎng)縮短效應(yīng)？試簡(jiǎn)要解釋其原因。答：對(duì)稱振子上的相移常數(shù)大于自由空間的波數(shù)k，亦即對(duì)稱振子上的波長(zhǎng)短于自由空間波長(zhǎng)，這是一種波長(zhǎng)縮短現(xiàn)象。 對(duì)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(shù)大于自由空間的波數(shù)k, 致使波長(zhǎng)縮短; 由于振子導(dǎo)體有一定半徑, 末端分布電容增大（稱為末端效應(yīng)）,末端電流實(shí)際不為零, 這等效于振子長(zhǎng)度增加, 末端效應(yīng)越顯著, 波長(zhǎng)縮短越嚴(yán)重

22、。48.對(duì)稱振子天線在臂長(zhǎng)等于多少時(shí)方向性最好？ 0.5答:h時(shí)，方向性最好。49. 半波對(duì)稱振子的方向系數(shù)： 1.64 。50. 半波振子的2 78 。o0.551.天線的有效面積答：有效接收面積是衡量一個(gè)天線接收無線電波能力的重要指標(biāo)。它的定義為:當(dāng)天線以最大接收方向?qū)?zhǔn)來波方向進(jìn)行接收時(shí), 接收天線傳送到匹配負(fù)載的P平均功率為并假定此功率是由一塊與來波方向相垂直的面積所截獲, 則這Lmax,個(gè)面積就稱為接收天線的有效接收面積, 記為 , 即有AepA LmaxseavS式中, 為入射到天線上電磁波的時(shí)間平均功率流密度，其值為av1 E2s avi252.簡(jiǎn)述天線增益的定義。生的功率流密度

23、S1與理想點(diǎn)源（無方向性）天線在同一方向同一距離處產(chǎn)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(shù)，簡(jiǎn)稱增益，常用G表示。SE2G maxmaxES20P0PPP00PG in0PinEE053.寫出陣列天線的方向圖乘積定理，并作說明。F,) cos2E答：E mr21由上式可得到如下結(jié)論：在各天線元為相似元的條件下，天線陣的方向圖函數(shù)是單元因子與陣因子之積。這個(gè)特性稱為方向圖乘積定理。式中，F(xiàn),) 稱為元因子；cos 稱為陣因子。2身的類型和尺寸。它體現(xiàn)了天線元的方向性對(duì)天線陣方向性的影響。方式及其天線元上激勵(lì)電流的相對(duì)振幅和相位，與天線元本身的類型和尺寸無關(guān)。54.采用天線陣可增強(qiáng)方向性，其主要原理是什么？所產(chǎn)生場(chǎng)的矢量疊加，只要各天線元上的電流振幅和相位分布滿足適當(dāng)?shù)年P(guān)系，就可以得到需要的輻射特性?？荚囶}型：一、填空題（10分）二、名詞