微波技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)重點(diǎn)

微波技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)重點(diǎn)微波技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)重點(diǎn)/NUMPAGES14微波技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)重點(diǎn)微波技術(shù)基礎(chǔ)復(fù)習(xí)重點(diǎn)第一章引論微波是指頻率從300MHz到3000GHz范圍內(nèi)的電磁波，相應(yīng)的波長(zhǎng)從1m到0.1mm。包括分米波（300MHz到3000MHz）、厘米波（3G到30G）、毫米波（30G到300G）和亞毫米波（300G到3000G）。微波這段電磁譜具有以下重要特點(diǎn)：似光性和似聲性、穿透性、信息性和非電離性。微波的傳統(tǒng)應(yīng)用是雷達(dá)和通信。這是作為信息載體的應(yīng)用。微波具有頻率高、頻帶寬和信息量大等特點(diǎn)。強(qiáng)功率—微波加熱弱功率—各種電量和非電量的測(cè)量導(dǎo)行系統(tǒng)：用以約束或者引導(dǎo)電磁波能量定向傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)導(dǎo)行系統(tǒng)的種類可以按傳輸?shù)膶?dǎo)行波劃分為：

(1)TEM(transversalElectromagnetic,橫電磁波)或準(zhǔn)TEM傳輸線

(2)封閉金屬波導(dǎo)(矩形或圓形，甚至橢圓或加脊波導(dǎo))

(3)表面波波導(dǎo)(或稱開波導(dǎo))導(dǎo)行波：沿導(dǎo)行系統(tǒng)定向傳輸?shù)碾姶挪?，?jiǎn)稱導(dǎo)波微帶、帶狀線，同軸線傳輸?shù)膶?dǎo)行波的電磁能量約束或限制在導(dǎo)體之間沿軸向傳播。是橫電磁波(TEM)或準(zhǔn)TEM波即電場(chǎng)或磁場(chǎng)沿即傳播方向具有縱向電磁場(chǎng)分量。開波導(dǎo)將電磁能量約束在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周圍(波導(dǎo)內(nèi)和波導(dǎo)表面附近)沿軸向傳播，其導(dǎo)波為表面波。導(dǎo)模(guidedmode):即導(dǎo)波的模式，又稱為傳輸模或正規(guī)模，是能夠沿導(dǎo)行系統(tǒng)獨(dú)立存在的場(chǎng)型。特點(diǎn)：(1)在導(dǎo)行系統(tǒng)橫截面上的電磁場(chǎng)呈駐波分布，且是完全確定的，與頻率以及導(dǎo)行系統(tǒng)上橫截面的位置無(wú)關(guān)。(2)模是離散的，當(dāng)工作頻率一定時(shí)，每個(gè)導(dǎo)模具有唯一的傳播常數(shù)。(3)導(dǎo)模之間相互正交，互不耦合。(4)具有截止頻率，截止頻率和截止波長(zhǎng)因?qū)邢到y(tǒng)和模式而異。無(wú)縱向磁場(chǎng)的導(dǎo)波(即只有橫向截面有磁場(chǎng)分量)，稱為橫磁(TM)波或E波。無(wú)縱向電場(chǎng)的導(dǎo)波(即只有橫向截面有電場(chǎng)分量)，稱為橫電(TE)波或H波。TEM波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)均分布在與導(dǎo)波傳播方向垂直的橫截面內(nèi)。第二章傳輸線理論傳輸線是以TEM模為導(dǎo)模的方式傳遞電磁能量或信號(hào)的導(dǎo)行系統(tǒng)，其特點(diǎn)是橫向尺寸遠(yuǎn)小于其電磁波的工作波長(zhǎng)。集總參數(shù)電路和分布參數(shù)電路的分界線：幾何尺寸L/工作波長(zhǎng)>1/20。這些量沿傳輸線分布，其影響在傳輸線的每一點(diǎn)，因此稱為分布參數(shù)。傳播常熟是描述導(dǎo)行系統(tǒng)傳播過(guò)程中的衰減和相位變化的參數(shù)。傳輸線上的電壓和電流是由從源到負(fù)載的入射波和反射波的電壓以及電流疊加，在傳輸線上呈行駐波混合分布。特性阻抗：傳輸線上入射波的電壓和入射波電流之比，或反射波電壓和反射波電流之比的負(fù)值，定義為傳輸線的特性阻抗。傳輸線上的電壓和電流決定的傳輸線阻抗是分布參數(shù)阻抗。分布參數(shù)阻抗：傳輸線上任意一點(diǎn)的阻抗(輸入阻抗)定義為該點(diǎn)的電壓和電流之比。對(duì)于無(wú)耗傳輸線而言，傳輸線上任意一點(diǎn)的輸入阻抗與傳輸線上的位置d和負(fù)載的阻抗有關(guān)。從輸入阻抗公式可以知道：(1)傳輸線的輸入阻抗隨位置d變化，且和負(fù)載的阻抗有關(guān)。(2)傳輸線具有阻抗變換作用，從公式可以看出阻抗從負(fù)載阻抗ZL變換到Zin(d)(3)因?yàn)檎腥呛瘮?shù)具有周期性，傳輸線的輸入阻抗呈周期性變化。無(wú)耗傳輸線的電壓反射系數(shù)隨著位置的不同，其模的大小不變，只是相位以沿順時(shí)針(向信號(hào)源)變化。有耗傳輸線的電壓反射系數(shù)隨著位置的不同，其模的大小改變，相位以-沿順時(shí)針(向信號(hào)源)變化。對(duì)于負(fù)載阻抗ZL＝Z0的情況，反射系數(shù)為0，將無(wú)反射的情況稱為行波狀態(tài)；行波狀態(tài)下的特點(diǎn)：(1)沿線各點(diǎn)的電壓、電流振幅不變(2)電壓和電流同相(3)沿線各點(diǎn)的輸入阻抗均等于傳輸線的特性阻抗對(duì)于全反射的情況即反射系數(shù)的模為1的情況，稱為駐波狀態(tài)：負(fù)載短路、終端開路和終端接純電感或純電容負(fù)載無(wú)耗線。駐波狀態(tài)的特點(diǎn)：實(shí)際的傳輸線構(gòu)成的電路，反射系數(shù)<1,因此電磁波既有傳輸又有反射，稱其為行駐波狀態(tài)。實(shí)際應(yīng)用的傳輸線都存在一定的損耗，包括道題損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗。損耗的主要影響是導(dǎo)致導(dǎo)波的振幅(能量)衰減；其次由于損耗的存在導(dǎo)致傳輸線的相位常數(shù)和頻率相關(guān)，從而使得傳播速度與頻率有關(guān)，即色散效應(yīng)。阻抗匹配的目的：使微波電路或系統(tǒng)無(wú)反射，盡量接近行波重要性：a)匹配可以使得傳輸給傳輸線和負(fù)載的功率最大，且饋線的功率損耗最小b)避免失配時(shí)可能導(dǎo)致的功率擊穿c)減小失配對(duì)信號(hào)源的頻率牽引，使信號(hào)源穩(wěn)定工作。第三章規(guī)則金屬波導(dǎo)金屬波導(dǎo)只有一個(gè)導(dǎo)體，故不能傳輸TEM波，只有TE和TM兩種模式。存在多種模式，并存在嚴(yán)重的色散現(xiàn)象。廣泛應(yīng)用：高功率、毫米波、精密測(cè)試設(shè)備(測(cè)速、測(cè)向儀器)。Hmn為任意振幅常數(shù)，m,n為波型指數(shù)，每個(gè)mn的組合對(duì)應(yīng)一個(gè)基本波函數(shù)。導(dǎo)模在矩形波導(dǎo)橫截面上的場(chǎng)呈駐波分布，且在每個(gè)橫截面上的場(chǎng)分布是完全確定的，橫截面上場(chǎng)的分布與頻率、以及在導(dǎo)行系統(tǒng)上的位置無(wú)關(guān)；整個(gè)導(dǎo)模以完整的場(chǎng)結(jié)構(gòu)沿軸向(Z方向)傳播。當(dāng)波導(dǎo)中傳輸微波信號(hào)的時(shí)候，在技術(shù)波導(dǎo)內(nèi)壁表面上將產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱為管壁電流。高頻工作狀態(tài)，由于趨膚效應(yīng)將使管壁電流集中在很薄的波導(dǎo)內(nèi)壁表面流動(dòng)，由于趨膚深度很小，可以將管壁電流視為面電流。管壁電流的大小和方向由管壁附近的切向磁場(chǎng)和波導(dǎo)壁法向矢量共同決定：。導(dǎo)模的傳輸條件：某導(dǎo)模能夠在波導(dǎo)中傳輸，其工作的波長(zhǎng)應(yīng)該小于波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)，或表述為導(dǎo)模的工作頻率高于波導(dǎo)的截止頻率。導(dǎo)模的截止：導(dǎo)模工作的波長(zhǎng)大于波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)時(shí)，相位常數(shù)β為虛數(shù)，相應(yīng)的模式稱為消失模或截止模。所有的場(chǎng)分量振幅由于截止模的電抗反射損耗將按指數(shù)規(guī)律衰減。模式簡(jiǎn)并：波導(dǎo)中不同模式的截止波長(zhǎng)相同的現(xiàn)象，稱為模式簡(jiǎn)并現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)的導(dǎo)模稱為簡(jiǎn)并模，由(3.1-27)可以知道TEmn模和TMmn模為簡(jiǎn)并模。除了TEm0和TE0n外，矩形波導(dǎo)中的模式都具有雙重簡(jiǎn)并。主模：波導(dǎo)中工作頻率最低的導(dǎo)模稱為主?；蚧＃渌墓ぷ髂Ｊ絼t稱為高階模。波阻抗：行系統(tǒng)中導(dǎo)模的波阻抗定義為橫向電場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)之比。與矩形波導(dǎo)一樣,圓波導(dǎo)也只能傳輸TE和TM波型。TE11圓波導(dǎo)的主模。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,中間為支撐介質(zhì)，是微波技術(shù)中最常見的TEM模傳輸線。第四章微波集成傳輸線帶狀線又稱三板線,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。帶狀線仍可理解為與同軸線一樣的對(duì)稱雙導(dǎo)體傳輸線,主要傳輸?shù)氖荰EM波，也存在高次TE和TM模。微帶線的結(jié)構(gòu)為厚度為h、相對(duì)介電常數(shù)為εr的介質(zhì)基板厚度，以及寬度為W,厚度為t的金屬導(dǎo)帶；下面是接地板。場(chǎng)分布與TEM模很相似，可看成“準(zhǔn)TEM?！?，并按TEM模處理。耦合傳輸線由兩根或多根靠得很近的非屏蔽傳輸線構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)。由于耦合線彼此靠得近，導(dǎo)致電場(chǎng)和磁場(chǎng)的能量互相耦合構(gòu)成耦合帶狀線和耦合微帶線。奇模激勵(lì)：由大小相等方向相反的電流對(duì)耦合線兩帶狀線導(dǎo)體產(chǎn)生的激勵(lì)。奇模激勵(lì)時(shí)中間對(duì)稱面為電壁。偶模激勵(lì)：由大小相等方向相同的電流產(chǎn)生的激勵(lì)。偶模激勵(lì)時(shí)中間對(duì)稱面為磁壁。對(duì)于均勻介質(zhì)填充的對(duì)稱耦合線其傳輸模為TEM模。第六章微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)在高頻（尤其是微波、毫米波頻段）測(cè)量電壓、電流幾乎是不可能的，這是因?yàn)殡妷骸㈦娏鞯臏y(cè)量需要定義有效的端對(duì)，對(duì)傳輸TEM波的同軸線、帶狀線端對(duì)存在，但是對(duì)于傳輸TE/TM（比如矩形波導(dǎo)或圓形波導(dǎo)）的波導(dǎo)系統(tǒng)則端對(duì)不存在。等效電壓、電流以及阻抗的定義做如下的約束：1)電壓和電流僅對(duì)特定波導(dǎo)模式定義，且定義電壓與其橫向電場(chǎng)成正比，電流與其橫向磁場(chǎng)成正比。2)為了和電路理論中的電壓和電流應(yīng)用方式相似，等效電壓和電流的乘積應(yīng)當(dāng)?shù)扔谠撃Ｊ降墓β柿鳌?）單一行波的電壓和電流之比應(yīng)等于此線的特性阻抗；此特性阻抗可任意選擇，但通常選擇等于此線的波阻抗，或歸一化為1.實(shí)用的微波元件及系統(tǒng)均含有各種各樣的不均勻性(即不連續(xù)性).不連續(xù)性主要包括1)截面形狀或材料性能在波導(dǎo)某處的突然改變。2)截面形狀或材料性能在一定距離內(nèi)連續(xù)改變。3）均勻波導(dǎo)系統(tǒng)的障礙物或孔縫4)波導(dǎo)的分支各種各樣的不均勻性附近將激勵(lì)起高次模。注意：（1）微波網(wǎng)絡(luò)的形式與模式相關(guān)，若傳輸單一模式，則等效為一個(gè)N端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于傳輸M種模式，則可以等效為N*M端口的微波網(wǎng)絡(luò)。（2）微波網(wǎng)絡(luò)的形式和參考面(不均勻區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)端面)的選取有關(guān)，參考面的選取通常是垂直于各端口的軸線，并遠(yuǎn)離不均勻區(qū)，使得參考面上沒有高次模，只有相應(yīng)的傳輸模式。一端口網(wǎng)絡(luò)就是功率技能進(jìn)去又能出來(lái)的單個(gè)端口波導(dǎo)或傳輸線的電路。輸入阻抗的實(shí)部與耗散功率有關(guān)，而虛部則與網(wǎng)絡(luò)中的凈儲(chǔ)能有關(guān)。福斯特電抗定理：對(duì)于一個(gè)無(wú)耗的網(wǎng)絡(luò)，電抗對(duì)頻率的斜率必然總是正的；無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)的電鈉也具有對(duì)頻率為正的斜率。應(yīng)用此定理可以證明物理可實(shí)現(xiàn)的電抗或電鈉函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)，必定在ω軸上交替出現(xiàn)。散射參數(shù)：行波散射參數(shù)對(duì)應(yīng)的是以特性阻抗匹配為原則，對(duì)應(yīng)的在測(cè)量上的外在表現(xiàn)為電壓駐波比VSWR。散射矩陣的特性：(1).互易網(wǎng)絡(luò)散射矩陣的對(duì)稱性：對(duì)于互易網(wǎng)絡(luò)，其阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣是對(duì)稱陣，同樣對(duì)于其散射矩陣也是對(duì)稱陣。(2).無(wú)耗無(wú)源網(wǎng)絡(luò)散射矩陣的么陣性：么陣性:散射矩陣的轉(zhuǎn)置和散射矩陣的共軛矩陣的乘積為一個(gè)單位陣。(3).無(wú)耗傳輸線條件下，散射參數(shù)的幅值不會(huì)隨參考面的移動(dòng)而改變。第八章常用微波元件短路負(fù)載：又稱為短路器，它的作用是將電磁能量全部反射回去。主要有接觸式活塞和扼流式活塞。主要的要求為：1)保證接觸處的損耗小，其反射系數(shù)的模接近12)當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，接觸損耗的變化要小。3)大功率條件下，活塞與波導(dǎo)(同軸導(dǎo)體)之間不能發(fā)生打火現(xiàn)象。匹配負(fù)載能幾乎無(wú)反射地吸收入射波的全部功率。當(dāng)需要在傳輸系統(tǒng)工作于行波狀態(tài)時(shí)，都要用到匹配負(fù)載。對(duì)匹配負(fù)載的基本要求是：（1）有較寬的工作頻帶，（2)輸入駐波比小和一定的功率容量。失配負(fù)載：既吸收一部分功率又反射一部分功率的負(fù)載。實(shí)用中的失配負(fù)載都做成標(biāo)準(zhǔn)失配負(fù)載。即具有一固定的駐波比。無(wú)耗二端口網(wǎng)絡(luò)的基本性質(zhì)：若一個(gè)端口匹配，則另一個(gè)端口自動(dòng)匹配；若網(wǎng)絡(luò)是完全匹配的，則必然是完全傳輸?shù)?，或相反。相角只有兩個(gè)是獨(dú)立的，已知其中兩個(gè)相角，則第三個(gè)相角便可確定。連接元件的作用是將作用不同的微波元件連接成完整的系統(tǒng)。其主要指標(biāo)要求是接觸損耗小、駐波比大、功率容量大、工作頻帶寬。衰減與相移元件：分別是用來(lái)改變導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁場(chǎng)強(qiáng)的幅度和相位，衰減器和相移器聯(lián)合使用，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)行系統(tǒng)中電磁波的傳播常熟。三端口網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)：無(wú)耗互易三端口網(wǎng)絡(luò)不可能完全匹配。任意完全匹配的無(wú)耗三端口網(wǎng)絡(luò)必定非互易，且為