《微波技术》学习指南

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1、第 1 章 绪论1.1 学习要求1. 掌握微波的波长和频率范围，以及波段的划分。2. 了解微波在电磁波谱中的位置，微波的特性。3. 了解微波技术的发展方向和主要应用领域。4. 了解微波技术的分析方法。1.2 内容提要1. 微 波是 频 率 最 高 的 无 线电 波 ， 其 频 率 范 围大 约 在 300MHz3000GHz 之间。它一般划分为分米波、厘米波、毫米波 和亚毫米波四个主要波段。2. 微波与普通无线电波相比，具有似光性、频率高、能穿透 电离层和量子特性等特点。这些特点决定了传输和处理微波信号的 器件和系统，有别于普通无线电波所采用的器件和系统；也决定了 微波的独特作用。3. 微波技

2、术在雷达、通信、科学研究、生物医学工程和能源 利用与开发等方面都有重要应用。4. 研究微波的传输特性有“场”和“路”两种分析方法。第 2 章 传输线理论2.1 学习要求1. 了解传输线的种类及分布参数和分布参数电路的概念。2. 了解传输线方程及入射波和反射波的概念。3. 掌握均匀无耗传输线的传播常数、相速、相波长和群速的概 念，重点掌握输入阻抗、反射系数及驻波比之间的关系及求解方法。4. 掌握均匀无耗传输线的三种工作状态的分析过程，包括传输 线上电压、电流的分布、阻抗特性的分析与计算等。5. 了解阻抗圆图的构成原理，会利用阻抗圆图进行传输线的分 析和计算。6. 了解阻抗匹配的目的和含义，对常用

3、的负载阻抗匹配的方法串联4阻抗变换器法和单分支匹配器法要会分析和计算。2.2 内容提要1. 传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。 微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间 位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。传 输线方程是传输线理论中的基本方程。2. 均匀无耗传输线方程为d 2U(z)卩 2U (z )= 0 d 阮)R () o-卩 21 (z )= 0 dz 2其解为U (z )= A e - jP z + A ejP zI(z)=CA e-jPz - A ejPz)Z 120其参量为Lp2兀v尢Z =o， p =，v =，入0C九ppo

4、prr3. 终端接的不同性质的负载，均匀无耗传输线有三种工作状 态：(1) 当Z二Z时，传输线工作于行波状态。线上只有入射波L0 存在，电压电流振幅不变，相位沿传播方向滞后；沿线的阻抗均等 于特性阻抗；电磁能量全部被负载吸收。(2) 当Z = 0、0和土 jX时，传输线工作于驻波状态。线上LL入射波和反射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍，波节为 零；电压波腹点的阻抗为无限大，电压波节点的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗；没有电磁能量的传输，只有电磁能量的 交换。(3)当Z = R + jX时，传输线工作于行驻波状态。行驻波的L L L 波腹小于两倍入射波，波节不为零；电压波腹点的阻

5、抗为最大的纯 电阻R =pZ，电压波节点的阻抗为最小的纯电阻R = Z /p ； max0min0电磁能量一部分被负载吸收，另一部分被负载反射回去。4. 表征传输线上反射波的大小的参量有反射系数r，驻波比P和行波系数K。它们之间的关系为1 + |r其数值大小和工作状态的关系如下表所示。行驻波工作状态|r|0 |r| 15. 阻抗圆图和导纳圆图是传输线进行阻抗计算和阻抗匹配的 重要工具。6. 阻抗匹配包括共轭匹配和无反射匹配，传输线阻抗匹配方 法常用-4阻抗变换器和分支匹配器(单分支、双分支和三分支)。第 3 章微波传输线3.1 学习要求1. 了解规则波导分析方法及其与双导线传输方法的异同之处；

6、2. 掌握矩形波导的一般理论与传输特性，掌握矩形波导主模的场分布与相应参数；3. 了解圆波导、同轴线、带状线和微带线等传输线的工作原理、 结构特点、传输特性和分析方法。3.2 内容提要1. 微波传输线是引导电磁波沿一定方向传输的系统，故又称 作导波系统。被传输的电磁波又称作导行波。导行波一方面要满足 麦克斯韦方程，另一方面又要满足导体或介质的边界条件；也就是 说，麦克斯韦方程和边界条件决定了导行波在导波系统中的电磁场 分布规律和传播特性。2. 导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为 TE 波、 TM 波和 TEM 波三种类型。前两种是色散波，一般只在金属波导 管中传输；后一种是非色散波，

7、一般在双导体系统中传输。只有当 电磁波的波长或频率满足条件九f时，才能在导波系统 cc 中传输，否则被截止。3. 导波系统中场结构必须满足下列规则：电力线一定与磁力 线相互垂直，两者与传播方向满足右手螺旋法则；在导波系统的金 属壁上只有电场的法向分量和磁场的切向分量；电力线一定是封闭 曲线。4. 本章主要讨论了矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微 带线等常用的微波传输线。其中矩形波导、圆波导和同轴线易采用 场解法来分析其场分布和传输特性；带状线利用传输线理论分析其 传输特性；而微带线则采用准静态分析法来分析其传输特性。5. 各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件列 表如下：传输线类型

8、主模截止波长心单模传输条件矩形波导TEio 模2aaX2b圆波导TE11 模3.14R2.62RV 尢 V3.41R同轴线TEM模gXK/2(D+d)带状线TEM模g九 2wjw ,九 2brr第 4 章 微波网络基础4.1 学习要求1. 掌握微波等效传输线的概念，了解用网络观点分析微波系 统的优点；2. 掌握二端口网络的几种网络矩阵，特别是转移矩阵、散射 矩阵等矩阵参数的性质及其求解；3. 了解二端口微波网络的组合方式，掌握网络级联后网络参 量的计算，以及参考面移动对网络参量的影响4. 掌握二端口网络的转移矩阵和散射矩阵的转化关系，及其 与工作特性参量的关系；5. 了解多口网络散射矩阵参数的

9、性质。4.2 内容提要1. 微波系统包括均匀传输线和微波元件两大部分。均匀传输 线可等效为平行双线；微波元件可等效为网络。然后利用微波网络 理论，可对任何一个复杂微波系统进行研究。2. 根据网络外接传输线的路数，来定义微波网络端口的个数。 微波网络按端口个数一般分为：二端口网络和多端口网络（如三端 口网络、四端口网络等）。本章以二端口网络为重点，介绍了二端 口网络的五种网络参量：阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参 量和传输参量，以及基本电路单元的网络参量。3. 二端口网络参量的性质有可逆网络：Z = Z , Y = Y , A A - A A = 112 21 12 21 11 22 12

10、21S = S , T T - T T = 112 21 11 22 12 21对称网络：Z = Z ,Y = Y , A = A ,S = S ,T =-T11 22 11 22 11 22 11 22 12 21无耗网络：Z 二 jX , Y 二 jB（i, j 二 1,2）, STS*二1ijijijij4. 二端口微波网络的组合方式有：级联方式、串联方式和并 联方式,可分别用转移矩阵、阻抗矩阵和导纳矩阵来分析；二端口 网络参考面的移动对网络参量的影响,可利用转移矩阵和散射矩阵 来分析。5. 微波元件的性能可用网络的工作特性参量来描述,网络的 工作特性参量和网络参量之间有密切的关系,可以

11、相互转换。其工 作特性参量与网络参量的关系为：电压传输系数：T - S -221 A + A + A + A11 12 21 22插入衰减：A 一 1 一 1T2|s 2112L - 10log A - 10log 1(dB)Is 2112插入相移：0 - arg T arg S -申21 21输入驻波比：1 + |S 1 p - p111 - S1 116. 可逆无耗二端口网络的基本特性有： S 参量只有三个独立 参量，它们的相互关系为：|sj二打,|sj勺邙了 ,甲=12G +9 土兀）；若网络的一个端口匹配，另一个端口一定 12 11 22自动匹配，即若S = 0（或S = 0），则S=

12、 0（或S = 0）；若网络11 22 22 11完全匹配，则网络一定完全传输，即若S = S = 0，则11 22Is二 Is J 二1 7. 利用微波网络的信号流图可以简化网络线性方程组的求 解，从而分析网络的外特性参量。第 5 章 常用微波元件5.1 学习要求1. 了解微波元器件的分类及它们在微波电路中的作用；2. 掌握终端负载元件、微波连接元件和阻抗匹配元件有哪些及他 们的作用；3. 掌握定向耦合器的性能指标及波导双孔定向耦合器、平行耦合带状线定向耦合器和双分支定向耦合器的工作原理；4. 掌握双T、匹配双T的特性；5. 了解微波谐振腔的作用及性能参数；6. 了解微波滤波器和微波铁氧体元

13、件的性能和用途。5.2 内容提要1. 本章采用网络方法对一些常用的微波元件进行了分析和综 合。主要讨论了下列内容：微波系统中的电抗元件，连接元件、转 接元件和终端负载，衰减器和移相器，阻抗变换器，定向耦合器， 微带功分器，波导匹配双T,微波滤波器，微波谐振器，微波铁氧 体元件以及微波集成电路。2. 对各种连接元件和短路活塞要求有良好的电接触，以保证 不产生反射，常采用抗流结构。匹配负载和短路负载是两种常用的 终端元件，它们均属于一端口网络。衰减器和移相器均属于二端口 网络，但两者具有不同的功能。衰减器的作用是对通过它的微波能 量产生衰减；而移相器的作用是对通过它的微波信号产生一定的相 移，微波

14、能量可无衰减地通过。3. 阻抗变换器是微波系统中一种常用的阻抗匹配元件，它主 要包括单节阻抗变换器、多节阶梯阻抗变换器和渐变线阻抗变换 器，其阻抗匹配原理是将原来较大的反射波分成许多振幅较小而相 位又能互相抵消的反射波，只要合理选择节数和各段阻抗值，就能 得到满意的结果。4. 定向耦合器是一个四端口的网络元件，它具有定向传输的 特点。它的主要指标是耦合度和隔离度（或方向性）。定向耦合器的 种类很多，本章仅讨论了波导双孔耦合的定向耦合器，平行耦合线 定向耦合器，分支定向耦合器。对于波导孔耦合的定向耦合器一般 采用耦合波理论进行分析；对于后几种定向耦合器，由于它们结构 上都具有对称平面，故易采用奇

15、、偶模参量法进行分析。无论是哪 一种定向耦合器，至少有两种以上的耦合波相互干涉，才能产生定 向性。参加干涉的耦合波个数愈多愈能改善定向耦合器定向性的频 率特性，从而增宽频带。另外还介绍了两种常用微波元件：微带功 分器和波导匹配双T （魔T）,它们也可看成是一类定向耦合器。5. 微波滤波器主要功能是分隔频率。表征滤波器的主要特性 是衰减特性。根据衰减特性分为低通、高通、带通和带阻滤波器, 对滤波器的要求是通带内衰减尽可能小,阻带内衰减尽可能大,通 带与阻带的过渡区尽可能小,即愈陡愈好。这些要求是相互矛盾的, 解决这些矛盾的最经济和合理的方法是采用网络综合法进行设计。 微波滤波器设计与低频滤波器的

16、设计基本相同,唯一的差别是用分 布参数元件代替集中参数元件。微波滤波器常采用高低阻抗线来构 成。6. 微波谐振器是一种储能和选频元件,其作用相当于低频电 路中的谐振回路。本章主要讨论了谐振器的分析方法、基本参量、 基本特性及其等效电路。微波谐振器与低频集中参数 LC 谐振回路的外特性是相同的, 因此可以用等效电路来分析,尤其带有耦合装置的谐振器更适宜用 等效电路法进行分析。对于传输线型谐振器的场分布的分析,采用使原有传输线的场 分布满足两端面的边界条件,即可得到由该传输线组成的谐振器中 的场分布。谐振器中的场分布是呈驻波分布的。各种形式传输线,只要满足谐振条件都可用来构成谐振器。对 于由两端短

17、路或开路的传输线构成的谐振器,其谐振条件为 l = n九0/2 ；对于由一端短路，另一端开路的传输线构成的谐振器，其 谐振条件为l = （2n-l）九0/4；对于由一端短路，另一端为容性电纳负载的传输线构成的谐振器,其谐振条件为心九；2兀arcctg（ZC）。0 0 0 式中为构成谐振器的传输线中电磁波的相波长。矩形谐振腔中的主模为TEoi。圆柱谐振腔中，当1V2.1R时， 主模为TM010，当/2.1R时，主模为TEm。同轴谐振腔中主模为 TEM模。圆柱谐振腔中TE011谐振模具有很高的Q值，可用作自 动频率微调的标准腔、高频率稳定度的谐振腔和高精度波长计的工 作模式。有耦合的谐振腔用场解法

18、难以得到工程设计所需结果，故常采 用网络分析方法，即将有耦合的谐振腔分成耦合结构和谐振腔两个 部分，然后分别找出它们各自的等效电路。7. 微波铁氧体元件是根据微波铁氧体的两个重要特性做成的 微波元件。铁氧体在恒定磁场和交变磁场共同作用下，它的导磁率 为张量；而在恒定磁场和圆极化波磁场共同作用下，它的导磁率为 标量，且有下列特性：铁磁谐振：当微波频率等于铁氧体分子进动频率0=yH时， 圆极化波的和卩具有谐振特性，此时铁氧体对微波能量具有强 + + 烈的吸收，这种现象称为铁氧体谐振现象。利用此特性做成的隔离 器称为谐振式隔离器。场移效应：在矩形波导中的圆极化波位置，放入合适的横向磁 化强度的铁氧体后，则原有矩形波导中 TE10 模的场结构会发生位 移，这种效应称为场移效应。利用此特性做成的隔离器称为场移式 隔离器。隔离器是一种铁氧体的非互易元件，它是单向传输元件，即对 正向波可以无衰减地通过，而对反向波产生很大的衰减。这种元件 在微波系统中有广泛应用。8. 微波集成电路具有体积小、重量轻、便于大批量生产和成本 低的特点，因此它将在微波技术领域获得广泛应用。微波集成电路 分为“半集成”式和“全集成”式两种。