《西電射頻微波教程》課件

《西電射頻微波教程》課程概述1課程目標(biāo)本課程旨在為學(xué)生提供射頻微波技術(shù)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決射頻微波工程問題的能力。2課程內(nèi)容課程涵蓋電磁場(chǎng)理論、傳輸線理論、波導(dǎo)理論、微波器件、微波電路、微波系統(tǒng)等內(nèi)容。3課程考核課程考核方式包括平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考試，旨在全面評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。課程大綱電磁場(chǎng)基礎(chǔ)靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)的基本定理，麥克斯韋方程組，平面波的性質(zhì)和傳播。傳輸線理論傳輸線的概念，阻抗匹配，駐波比，傳輸線參數(shù)測(cè)量。微波網(wǎng)絡(luò)分析S參數(shù)，雙端口網(wǎng)絡(luò)，微波濾波器，耦合器。微波器件設(shè)計(jì)微波振蕩器，放大器，天線，波導(dǎo)。電磁波的基礎(chǔ)知識(shí)無線電波用于廣播、通信和雷達(dá)等應(yīng)用。微波用于微波爐、衛(wèi)星通信和雷達(dá)等應(yīng)用。紅外線用于熱成像、遙感和醫(yī)療診斷等應(yīng)用。可見光人類肉眼可見的光，用于視覺和攝影等應(yīng)用。靜電場(chǎng)的基本定理庫侖定律高斯定理環(huán)路定理靜態(tài)磁場(chǎng)的基本定理安培環(huán)路定理磁場(chǎng)強(qiáng)度沿閉合回路的線積分等于該回路所包圍電流的代數(shù)和。高斯磁定理穿過任意閉合曲面的磁通量恒為零，即磁力線是閉合的。磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度反映的是磁場(chǎng)的強(qiáng)度，而磁感應(yīng)強(qiáng)度反映的是磁場(chǎng)的強(qiáng)度及其對(duì)電流的作用效果。變化電磁場(chǎng)的Maxwell方程1高斯定理電場(chǎng)線起于正電荷，止于負(fù)電荷2高斯磁定理磁場(chǎng)線是閉合曲線3法拉第電磁感應(yīng)定律變化磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)4麥克斯韋-安培環(huán)路定理變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)平面波的性質(zhì)傳播方向平面波沿特定方向傳播，波前為平面。電場(chǎng)和磁場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直，且都垂直于傳播方向。波速平面波在真空中以光速傳播。極化電場(chǎng)矢量的方向決定了平面波的極化狀態(tài)。平面波在導(dǎo)體中的傳播1衰減常數(shù)導(dǎo)體中的衰減常數(shù)與頻率和導(dǎo)體電導(dǎo)率成正比。2趨膚深度趨膚深度是電磁波在導(dǎo)體中傳播的深度。3傳播速度導(dǎo)體中的傳播速度小于自由空間中的傳播速度。平面波在不同介質(zhì)中的反射與折射1反射當(dāng)平面波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，一部分能量會(huì)反射回原介質(zhì)。2折射另一部分能量會(huì)進(jìn)入新的介質(zhì)，并改變傳播方向。3反射角入射角等于反射角。4折射角折射角取決于入射角和兩種介質(zhì)的折射率。傳輸線的基本概念1導(dǎo)波結(jié)構(gòu)傳輸線是一種用于引導(dǎo)電磁波傳播的結(jié)構(gòu)。2電磁場(chǎng)分布傳輸線中存在電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)沿傳輸線方向傳播。3傳輸特性傳輸線具有阻抗、衰減、相位常數(shù)等特性。理想無損傳輸線無損耗理想傳輸線不包含電阻和電導(dǎo)，因此不會(huì)發(fā)生能量損失。均勻性傳輸線的物理參數(shù)沿線均勻分布，確保電磁波以恒定速度傳播。無限長理想傳輸線長度無限長，消除反射的影響，保證能量完全傳輸。失真的傳輸線衰減信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，其振幅會(huì)逐漸減小。色散信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，不同頻率的信號(hào)傳播速度不同，導(dǎo)致信號(hào)波形發(fā)生畸變。反射信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，遇到阻抗不匹配的地方會(huì)發(fā)生反射，導(dǎo)致信號(hào)失真。駐波比及其測(cè)量1定義駐波比是傳輸線上電壓波幅的最大值與最小值之比2測(cè)量可以使用駐波比計(jì)或網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量3應(yīng)用用于評(píng)估傳輸線匹配狀況和負(fù)載阻抗雙端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)S參數(shù)定義S參數(shù)描述了雙端口網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出端口之間的功率關(guān)系。S參數(shù)矩陣S參數(shù)用一個(gè)矩陣表示，每個(gè)元素代表對(duì)應(yīng)端口的反射和傳輸系數(shù)。S參數(shù)的性質(zhì)與計(jì)算線性S參數(shù)是線性的，這意味著它們不受輸入信號(hào)的幅度影響。這意味著我們可以使用疊加原理來分析復(fù)雜電路中的S參數(shù)?；ヒ仔詫?duì)于無源網(wǎng)絡(luò)，S參數(shù)是互易的。這意味著S參數(shù)矩陣的對(duì)角線元素是相等的。歸一化S參數(shù)通常是相對(duì)于特征阻抗歸一化的。這意味著它們表示的是反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，而不是實(shí)際的電壓和電流。測(cè)量S參數(shù)可以通過使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測(cè)量。網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種專門設(shè)計(jì)的儀器，可以測(cè)量S參數(shù)。我們可以使用S參數(shù)來分析和設(shè)計(jì)微波電路。各類雙端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)傳輸線傳輸線是傳輸電磁能量的結(jié)構(gòu)，常見的傳輸線有同軸線、微帶線、帶狀線等天線天線是將導(dǎo)線或其他金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成特定的形狀，使它能夠有效地發(fā)射和接收電磁波波導(dǎo)波導(dǎo)是一種封閉的金屬管，用來傳輸電磁波，其工作原理是利用電磁波在管壁之間的反射來實(shí)現(xiàn)能量傳輸微波濾波器的設(shè)計(jì)原理1頻率選擇允許特定頻率的信號(hào)通過，并抑制其他頻率的信號(hào)。2阻抗匹配確保信號(hào)在濾波器輸入和輸出端之間順利傳輸。3傳輸特性濾波器的頻率響應(yīng)曲線，決定了濾波器的性能指標(biāo)。分布式低通濾波器結(jié)構(gòu)由多個(gè)相同的濾波單元級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)單元由一個(gè)電感和一個(gè)電容組成。優(yōu)點(diǎn)具有較高的帶寬和較低的插入損耗，同時(shí)具有較好的阻帶抑制性能。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于微波系統(tǒng)中，例如濾波器、耦合器、分路器等。集中參數(shù)低通濾波器設(shè)計(jì)使用電阻器和電容器等元件實(shí)現(xiàn)濾波功能，通常以LC電路的形式出現(xiàn)。特性具有較高的截止頻率和較陡的衰減特性，適合用于較低頻率信號(hào)的過濾。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于音頻、視頻、無線通信等領(lǐng)域，例如音頻信號(hào)的降噪處理。微波耦合器的工作原理1基本概念微波耦合器是一種用于將微波信號(hào)從一個(gè)傳輸線傳輸?shù)搅硪粋€(gè)傳輸線的器件。它可以用于將信號(hào)從一個(gè)電路的一部分傳遞到另一個(gè)電路的一部分，或?qū)⑿盘?hào)從一個(gè)系統(tǒng)的一部分傳遞到另一個(gè)系統(tǒng)的一部分。2工作原理微波耦合器的工作原理是基于電磁場(chǎng)的耦合作用。當(dāng)兩個(gè)傳輸線靠近放置時(shí)，它們之間的電磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生耦合，從而導(dǎo)致能量從一個(gè)傳輸線傳遞到另一個(gè)傳輸線。3主要類型微波耦合器主要分為兩種類型：方向性耦合器和非方向性耦合器。方向性耦合器可以將信號(hào)從一個(gè)方向傳遞到另一個(gè)方向，而非方向性耦合器則可以從兩個(gè)方向傳遞信號(hào)。方向性耦合器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)指定耦合度、隔離度和頻率響應(yīng)。設(shè)計(jì)步驟選擇合適的傳輸線結(jié)構(gòu)、確定耦合長度和耦合系數(shù)。仿真與優(yōu)化使用仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化，確保性能指標(biāo)滿足要求。制造與測(cè)試根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行制造，并進(jìn)行性能測(cè)試，確保實(shí)際性能與設(shè)計(jì)一致。圓波導(dǎo)的基本性質(zhì)1傳輸模式圓波導(dǎo)支持多種傳輸模式，包括TE模式和TM模式。2截止頻率每個(gè)模式都有其獨(dú)特的截止頻率，低于截止頻率，電磁波無法在波導(dǎo)中傳播。3傳輸特性圓波導(dǎo)的傳輸特性受其尺寸、頻率和模式的影響，可用于微波電路的設(shè)計(jì)。矩形波導(dǎo)的基本性質(zhì)橫截面矩形波導(dǎo)通常由金屬材料制成，具有矩形橫截面，稱為波導(dǎo)管。傳輸模式矩形波導(dǎo)可以支持多種傳輸模式，每種模式具有不同的截止頻率和場(chǎng)分布。應(yīng)用范圍矩形波導(dǎo)廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)系統(tǒng)和其他高頻電路中。微波振蕩器的工作原理1能量反饋振蕩器通過反饋回路將一部分輸出能量返回到輸入端，以維持持續(xù)的振蕩。2正反饋反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相位，放大信號(hào)，形成正反饋。3相位條件反饋信號(hào)的相位必須與輸入信號(hào)相位一致，才能形成正反饋。4幅度條件反饋信號(hào)的幅度必須足夠大，才能克服器件內(nèi)部損耗，維持振蕩。反饋振蕩器的設(shè)計(jì)1振蕩條件滿足Barkhausen判據(jù)2反饋網(wǎng)絡(luò)提供正反饋3放大器提供增益負(fù)電阻振蕩器的設(shè)計(jì)1負(fù)阻特性負(fù)電阻器件是振蕩器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2諧振回路諧振回路為振蕩提供能量存儲(chǔ)和反饋。3穩(wěn)定性分析確保振蕩器在期望頻率下穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)電阻振蕩器利用負(fù)電阻器件的特性產(chǎn)生持續(xù)振蕩信號(hào)。微波放大器的基本分類固態(tài)放大器以半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)或雙極型晶體管(BJT)。管放大器使用真空管，如微波三極管或行波管。微波固態(tài)放大器的設(shè)計(jì)器件選擇根據(jù)頻率范圍和功率需求選擇合適的半導(dǎo)體器件。常用的器件包括場(chǎng)效應(yīng)管、雙極型晶體管和HEMT。電路設(shè)計(jì)使用電路仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，優(yōu)化放大器性能，包括增益、帶寬、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性。匹配