微波原理與技術(shù)總結(jié)

徽波原理與技術(shù)一：微波技術(shù)知識要點(diǎn)綜述：主要介紹了微波的波段、特點(diǎn)及其應(yīng)用，在科技迅猛發(fā)展的今天，我們要關(guān)注最新發(fā)展動態(tài)，真正做到學(xué)以致用，拓展自己的知識面，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。核心是在對導(dǎo)行波的分類的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了導(dǎo)行系統(tǒng)傳播滿足的微波的波段分類、特點(diǎn)與應(yīng)用（TE、TM、TEM）和基本求解方法，給出了導(dǎo)行系統(tǒng)、導(dǎo)行波、導(dǎo)波場滿足的方程；本征值縱向場法、非本征值標(biāo)量位函數(shù)法（TEM）。微波的定義一把波長從1米到1毫米范圍內(nèi)的電磁波稱為微波。在整個電磁波譜中，微波處于普通無線電波與紅外線之間，是頻率最高的無線電波，一般情況下，微波又可劃分為分米波、厘米波和毫米波三個波段。微波具有如下四個主要特點(diǎn)：1）似光性、2）頻率高、3）能穿透電離層、4）量子特性。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。微波技術(shù)是研究微波信號的產(chǎn)生、傳輸、變換、發(fā)射、接收和測量的一門學(xué)科，它的基本理論是經(jīng)典的電磁場理論，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”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方程，求得場量的時(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。二：傳輸線理論知識要點(diǎn)：本章主要研究了均勻傳輸線的一般理論傳輸線的計(jì)算方法等問題。傳輸線理論本質(zhì)上屬于以為分布參數(shù)電路理論。傳輸線即可以作為傳輸媒介，也可以用來制作各種類型的器件，如諧振電路、濾波器、阻抗匹配電路、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)等等，求解本章問題可以采用前半部分的理論推導(dǎo)方式，也可采用本章后半部分介紹的圓圖方法，簡便的得出問題的答案。關(guān)鍵概念：傳輸線、基本方程、傳波常數(shù)、分布參數(shù)阻抗、反射系數(shù)、駐波系數(shù)、無耗工作狀態(tài)（特例）、有耗工作狀態(tài)、電壓駐波比、史密斯圓圖（工具）、阻抗匹配傳輸線方程是傳輸線理論中的基本方程。傳輸線可用來傳輸電磁信號能量和構(gòu)成各種微波元器件。微波傳輸線是一種分布參數(shù)電路，線上的電壓和電流是時(shí)間和空間位置的二元函數(shù)，它們沿線的變化規(guī)律可由傳輸線方程來描述。傳輸線方程是傳輸線理論中的基本方程。均勻無耗傳輸線方程為U(z)=Ae-jPz+AejzU(z)=Ae-jPz+AejzI(z)= (Ae-jPz-AejPz)Zi 20九二葺p護(hù)r其解為2兀 vv=^0=

p其解為2兀 vv=^0=

pJe*r，其參量為終端接的不同性質(zhì)的負(fù)載，均勻無耗傳輸線有三種工作狀態(tài):

當(dāng)Zl二Z0時(shí)，傳輸線工作于行波狀態(tài)。線上只有入射波存在，電壓電流振幅不變，相位沿傳播方向滯后；沿線的阻抗均等于特性阻抗；電磁能量全部被負(fù)載吸收。當(dāng)ZL二0、和土jX時(shí)，傳輸線工作于駐波狀態(tài)。線上入射波和反射波的振幅相等，駐波的波腹為入射波的兩倍，波節(jié)為零；電壓波腹點(diǎn)的阻抗為無限大，電壓波節(jié)點(diǎn)的阻抗為零，沿線其余各點(diǎn)的阻抗均為純電抗；沒有電磁能量的傳輸，只有電磁能量的交換。當(dāng)ZL二Rl+jXL時(shí)，傳輸線工作于行駐波狀態(tài)。行駐波的波腹小于兩倍入射波，波節(jié)不為零；電壓波腹點(diǎn)的阻抗為最大的純電阻Rmax=PZ0，電壓波節(jié)點(diǎn)的阻抗為最小的純電阻Rmin二叫沖；電磁能量一部分被負(fù)載吸收，另一部分被負(fù)載反射回去。表征傳輸線上反射波的大小的參量有反射系數(shù)，駐波比和行波系數(shù)K。它們之間的關(guān)系為1-『|其數(shù)值大小和工作狀態(tài)的關(guān)系如下表所示。工作狀態(tài)行波駐波行駐波010<|r|<111<p<^K100<K<15.傳輸線阻抗匹配方法常用”4阻抗變換器和分支匹配器(單分支、雙分支和三分支)。三：規(guī)則金屬波導(dǎo)知識要點(diǎn)：本章以矩形金屬波導(dǎo)的求解為引線，探討了場解的基本規(guī)律，介紹了相關(guān)的公式及概念。隨后給出了圓形波導(dǎo)、同軸線等結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了類比討論，最后探討了波導(dǎo)中激勵模式的產(chǎn)生及分析基礎(chǔ)。主要討論了矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線、其中矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)和同軸線易采用場解法來分析其場分布和傳輸特性。關(guān)鍵概念：規(guī)則波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)、同軸線、TE模、TM模、傳輸與截止、主模、波導(dǎo)正規(guī)模、波導(dǎo)的激勵1?微波傳輸線是引導(dǎo)電磁波沿一定方向傳輸?shù)南到y(tǒng)，故又稱作導(dǎo)波系統(tǒng)。被傳輸?shù)碾姶挪ㄓ址Q作導(dǎo)行波。導(dǎo)行波一方面要滿足麥克斯韋方程，另一方面又要滿足導(dǎo)體或介質(zhì)的邊界條件；也就是說，麥克斯韋方程和邊界條件決定了導(dǎo)行波在導(dǎo)波系統(tǒng)中的電磁場分布規(guī)律和傳播特性。2?導(dǎo)波系統(tǒng)中的電磁波按縱向場分量的有無，可分為TE波、TM波和TEM波三種類型。前兩種是色散波，一般只在金屬波導(dǎo)管中傳輸；后一種是非色散波，一般在雙導(dǎo)體系統(tǒng)中傳輸。只有當(dāng)電磁波的波長或頻率滿足條件九<九c或f>f時(shí)，才能在導(dǎo)波系統(tǒng)中傳輸，否則被截止。3?導(dǎo)波系統(tǒng)中場結(jié)構(gòu)必須滿足下列規(guī)則：電力線一定與磁力線相互垂直，兩者與傳播方向滿足右手螺旋法則；在導(dǎo)波系統(tǒng)的金屬壁上只有電場的法向分量和磁場的切向分量；電力線一定是封閉曲線。各類傳輸線內(nèi)傳輸?shù)闹髂＜捌浣刂共ㄩL和單模傳輸條件列表如下:傳輸線類型截止波長九傳輸線類型截止波長九c單模傳輸條件矩形波導(dǎo)TE10模2aa〈九<2a，九>2b圓波導(dǎo)TE11模3.14R2.62R〈九<3.41R同軸線TEM模g九〉兀/2（D+d）四：微波諧振辰腔知識要點(diǎn):本章主要研究了常用微波諧振腔的特性以及其設(shè)計(jì)方法，包括傳輸線形諧振器、金屬波導(dǎo)諧振腔等內(nèi)容關(guān)鍵概念：諧振模式、諧振頻率、品質(zhì)因素、復(fù)諧振系數(shù)、阻尼引資、傳輸線諧振器、波導(dǎo)諧振腔、耦合系數(shù)、諧振腔的圍繞。核心內(nèi)容有：微波諧振器概述，微波諧振器的基本特性與參數(shù)，集總串聯(lián)/并聯(lián)RLC諧振電路的基本特性，論微波諧振器的激勵與諧振腔的微擾。定向耦合器是一個四端口的網(wǎng)絡(luò)元件，它具有定向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。它的主要指標(biāo)是耦合度和隔離度（或方向性）。定向耦合器的種類很多，本章僅討論了波導(dǎo)雙孔耦合的定向耦合器，平行耦合線定向耦合器，分支定向耦合器。對于波導(dǎo)孔耦合的定向耦合器一般采用耦合波理論進(jìn)行分析；對于后幾種定向耦合器，由于它們結(jié)構(gòu)上都具有對稱平面，故易采用奇、偶模參量法進(jìn)行分析。無論是哪一種定向耦合器，至少有兩種以上的耦合波相互干涉，才能產(chǎn)生定向性。參加干涉的耦合波個數(shù)愈多愈能改善定向耦合器定向性的頻率特性，從而增寬頻帶。另外還介紹了兩種常用微波元件：微帶功分器和波導(dǎo)匹配雙T（魔T）,它們也可看成是一類定向耦合器。微波諧振器是一種儲能和選頻元件，其作用相當(dāng)于低頻電路中的諧振回路。主要討論了諧振器的分析方法、基本參量、基本特性及其等效電路。微波諧振器與低頻集中參數(shù)LC諧振回路的外特性是相同的，因此可以用等效電路來分析，尤其帶有耦合裝置的諧振器更適宜用等效電路法進(jìn)行分析。對于傳輸線型諧振器的場分布的分析，采用使原有傳輸線的場分布滿足兩端面的邊界條件，即可得到由該傳輸線組成的諧振器中的場分布。諧振器中的場分布是呈駐波分布的。各種形式傳輸線，只要滿足諧振條件都可用來構(gòu)成諧振器。對于由兩端短路或開路的傳輸線構(gòu)成的諧振器，其諧振條件為l=啦0/2；對于由一端短路，另一端開路的傳輸線構(gòu)成的諧振器，其諧振條件為l=（2n-l）九0/4；對于由一端短路，另一端為容性電納負(fù)載的傳輸線構(gòu)成的諧振器，其諧振條件為心九0加arcctgG。?0C）。式中為構(gòu)成諧振器的傳輸線中電磁波的相波長。矩形諧振腔中的主模為TE101。圓柱諧振腔中，當(dāng)l<2.1R時(shí)，主模為TM010,當(dāng)l>2.1R時(shí)，主模為TE111。同軸諧振腔中主模為TEM模。圓柱諧振腔中TE011諧振模具有很高的Q值，可用作自動頻率微調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)腔、高頻率穩(wěn)定度的諧振腔和高精度波長計(jì)的工作模式。有耦合的諧振腔用場解法難以得到工程設(shè)計(jì)所需結(jié)果，故常采用網(wǎng)絡(luò)分析方法，即將有耦合的諧振腔分成耦合結(jié)構(gòu)和諧振腔兩個部分，然后分別找出它們各自的等效電路。場移效應(yīng)：在矩形波導(dǎo)中的圓極化波位置，放入合適的橫向磁化強(qiáng)度的鐵氧體后，則原有矩形波導(dǎo)中TE]0模的場結(jié)構(gòu)會發(fā)生位移，這種效應(yīng)稱為場移效應(yīng)。利用此特性做成的隔離器稱為場移式隔離器。隔離器是一種鐵氧體的非互易元件，它是單向傳輸元件，即對正向波可以無衰減地通過，而對反向波產(chǎn)生很大的衰減。這種元件在微波系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。五：微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識要點(diǎn)：

本章主要研究微波電路的等效電路方法，即微波網(wǎng)絡(luò)方法。這種方法將微波集成電路的各端口等效為一對雙絞線系統(tǒng)（分布參數(shù)），將不連續(xù)性等效為集中參數(shù)，由此可以得到完整的等效微波網(wǎng)絡(luò)電路，隨后探討了不同類型的矩陣表示方法及其轉(zhuǎn)換技術(shù)。關(guān)鍵概念：微波網(wǎng)絡(luò)、阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣、散射矩陣、幺正性、ABCD矩陣、傳輸線散射矩陣。微波系統(tǒng)包括均勻傳輸線和微波元件兩大部分。均勻傳輸線可等效為平行雙線；微波元件可等效為網(wǎng)絡(luò)。然后利用微波網(wǎng)絡(luò)理論，可對任何一個復(fù)雜微波系統(tǒng)進(jìn)行研究。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)外接傳輸線的路數(shù)，來定義微波網(wǎng)絡(luò)端口的個數(shù)。微波網(wǎng)絡(luò)按端口個數(shù)一般分為：二端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò)（如三端口網(wǎng)絡(luò)、四端口網(wǎng)絡(luò)等）。本章以二端口網(wǎng)絡(luò)為重點(diǎn)，介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)的五種網(wǎng)絡(luò)參量：阻抗參量、導(dǎo)納參量、轉(zhuǎn)移參量、散射參量和傳輸參量，以及基本電路單元的網(wǎng)絡(luò)參量。二端口網(wǎng)絡(luò)參量的性質(zhì)有可逆網(wǎng)絡(luò):對稱網(wǎng)絡(luò):無耗網(wǎng)絡(luò):Z二Z12 21'Z二Z可逆網(wǎng)絡(luò):對稱網(wǎng)絡(luò):無耗網(wǎng)絡(luò):Z二Z12 21'Z二Z11 22'Z二jXij ij，1221'11221221S二STT-TT二11221'11221221二YA二AS二ST二一T1122'11 22 11、22'1221Y二jB. （i，j二1,2）[S]t[S*]二[1]二端口微波網(wǎng)絡(luò)的組合方式有：級聯(lián)方式、串聯(lián)方式和并聯(lián)方式，可分別用轉(zhuǎn)移矩陣、阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣來分析；二端口網(wǎng)絡(luò)參考面的移動對網(wǎng)絡(luò)參量的影響，可利用轉(zhuǎn)移矩陣和散射矩陣來分析?？赡鏌o耗二端口網(wǎng)絡(luò)的基本特性有：S參量只有三個獨(dú)立參量，它們的相互關(guān)系為：卜1」二lS22I，!S1^=J1-S11p，*12二2G11+922土兀）;若網(wǎng)絡(luò)的一個端口匹配，另一個端口一定自動匹配，即若Sn二0（或S22二0），則S22二0（或S11=0）；若網(wǎng)絡(luò)完全匹配，則網(wǎng)絡(luò)一定完全傳輸，即若Sn=S22二0，貝UIs」二IsJ二1。一般情況下，微波元、器件通常可用集中參數(shù)和分布參數(shù)元件組成的等效電路表示，或用它們的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表示（一般講，一個n端口元件可用一個n端口網(wǎng)絡(luò)表示）。這些等效電路元件或網(wǎng)絡(luò)在按電路拓?fù)溥B接組成電路時(shí)，其端點(diǎn)的連接點(diǎn)便形成節(jié)點(diǎn)。待定導(dǎo)納矩陣法就是利用上述元件或網(wǎng)絡(luò)的待定導(dǎo)納矩陣建立整個電路導(dǎo)納矩陣并借以分析電路的方法。轉(zhuǎn)移矩陣法是目前微波電路機(jī)輔分析中應(yīng)用最廣的一種方法，它非常適合二端口電路的分析。其步驟為：先建立電路中各元件的轉(zhuǎn)移矩陣，然后根據(jù)電路中各元件的連接方式，利用矩陣運(yùn)算法則，求出整個電路的轉(zhuǎn)移矩陣，最后根據(jù)公式求出電路的各種外特性參數(shù)。散射矩陣法是微波電路機(jī)輔分析中特有的一種分析方法。由于在微波頻段，保持恒定的功率輸出和匹配終端條件相對比較容易，故微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測量一般都測其S參數(shù)，因而基于S參數(shù)的散射矩陣法，在直接分析微波電路時(shí)顯得非常便利。因此，散射矩陣法也是微波電路機(jī)輔分析中的一種重要方法。六：微波測量知識要點(diǎn)：本章主要介紹了微波測量方面的基本理論、概念、方法與技能。研究電磁場與微波技術(shù)學(xué)科中常用參數(shù)的測量方法。網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)主要是：單口網(wǎng)絡(luò)的駐波比，輸入阻抗和反射系數(shù)；雙口網(wǎng)絡(luò)的插入駐波比、阻抗（或?qū)Ъ{）和散射等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換，以及網(wǎng)絡(luò)特性的分項(xiàng)測量一一衰減和相位移。信號特性參數(shù)主要是微波功率、頻率與波長。學(xué)會測量這些參數(shù)的測量系統(tǒng)的組成、測量方法的原理和適用場合、誤差來源，及某些測量方法的誤差分析。關(guān)鍵概念：測量系統(tǒng)、測試參量、微波波長與頻率、相移、衰減、駐波系數(shù)。要求掌握測量線法測量駐波比時(shí)所用各種測量方法的原理和適用場合，及測量線法測量輸入阻抗、反射系數(shù)與3點(diǎn)法測量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的原理。了解測量線的近期發(fā)展情況及與微機(jī)結(jié)合的動態(tài)。了解測量線的誤差來源。基本反射計(jì)測量丨r|的工作原理及其誤差分析、調(diào)配反射計(jì)工作原理及其調(diào)配不完善的誤差分析方法。1：波長測量與頻率測量是等價(jià)的。波長測量是長度測量，用波長計(jì)。波長計(jì)的連接方式有通過式和吸收式。頻率測量是時(shí)間測量，用微波數(shù)字式頻率計(jì)。振幅與功率有關(guān)，測量方法如下表：表6.1功率測量測量方法測量功率范圍優(yōu) 缺 點(diǎn)熱量計(jì)法大功率：P>10W量程大，誤差小，頻帶寬，能在極短波長上使用。但結(jié)構(gòu)復(fù)查，笨重，測量不方便。熱電偶法中小功率：1口W<P<300mW頻帶寬，靈敏度和穩(wěn)定性好，使用方便，但過荷力差。熱敏電阻法小功率：幾十微瓦到10mW。電路簡單，測量方便，但測量誤差較大。2：相移測量法:表6.2相移測量測量法應(yīng) 用 特 點(diǎn)傳輸