电磁场与微波复习要点20160107难点.doc

电磁场与微波复习要点20160107第四章1.何谓理想导体、理想电介质、良导体、不良导体、电介质？理想导体：电导率，理想导体内部不存在电场和磁场；理想电介质，是没有欧姆损耗的媒质（补充：在两种理想介质的分界面上没有自由面电流和自由面电荷的存在）；良导体；不良导体；电介质（低损耗媒质） 2.麦克斯韦方程组是哪四个？分别说明什么物理意义？全电流定律，说明变化的电场产生磁场法拉第电磁感应定律，说明变化的磁场产生电场磁通连续性原理，说明任何一条磁力线都是闭合的电场的高斯定理，说明电场是有散场3.时变电磁场的边界条件是什么？E1t = E2t（无条件连续）D1n D2n = s（当s = 0 时连续）H1t H2t = Js （当Js = 0 时连续）B1n = B2n（无条件连续）（电流密度的法向分量的连续与否与电荷的时间变化有关）（电流密度的切向方向分布与电导率有关）4.理想介质分界面上的边界条件是什么？E1t = E2t D1n = D2n H1t = H2t B1n = B2n5.理想介质与理想导体分界面上的边界条件是什么？6.坡印廷定理和坡印廷矢量是什么？坡印廷定理：单位时间内流出s面的能量等于单位体积内单位时间消耗的热功率与体积v区域中的总电场磁场能量之和。坡印廷矢量 是垂直流过单位面积的功率，在时变电磁场中，S表示瞬时功率流密度，其通过任一截面积的面积分代表瞬时功率7.瞬时值与复数值的互换依据什么公式？8.什么是均匀平面波？什么是自由空间？所谓均匀平面波就是等相位面为无限大平面，且等相位面上各点的场强大小相等、方向相同的电磁波；所谓自由空间就是无限大的、无源的真空 9.在一理想电介质中，均匀平面波的电场E和磁场与传播方向，三者存在何种关系？电场E和磁场存在什么关系？三者相互垂直，满足右手法则，其中为波阻抗电场与磁场的关系：如：例4-5-1中可见E为电磁波传播方向为z，电场存在x方向，则相应磁场方向为y，且10.波传播的速度是有什么方程得到的？在无耗媒质中与在导电媒质中，波速有什么不同？由等相位面方程：t-z=const得到。在无耗媒质中，不是频率的函数，其波速较快；在导电媒质中，与频率有关，波速比无耗媒质中要慢11.什么是色散媒质？对通信会产生什么影响？当携带信号的电磁波在导电媒质中传播时，各个频率分量的电磁波以不同相速传播，经过一段距离后，它们相互之间的相位关系发生改变，从而导致信号失真，这种现象叫做色散，这种媒质叫做色散媒质。使通信过程中信号失真。 12.什么是波阻抗？在无耗媒质中，它取决于什么？电场和磁场复振幅的比值是波阻抗，在无耗媒质中，其大小取决于媒质的介电常数和磁导率 13.在无耗媒质中，波行进时，幅度保持不变吗？为什么？不变，在某t时刻，电场和磁场的振幅为常数，沿传播方向没有衰减，幅度保持不变 14.在导电媒质中，波行进时，幅度保持不变吗？为什么？改变，其电场和磁场的振幅随指数e-az而衰减，当z的增大时，振幅减小 15.在导电媒质中，E和在时间上保持同相吗？为什么？不同相，电场和磁场复振幅比值有幅角，幅角在0/4之间变化，具有感性相角。这意味着E和H在空间上虽然相互垂直，但在时间上有相位差，两者不再同相，E相位超前H的相位 16.在电介质（即低损耗媒质）中，波行进时，幅度保持不变吗？为什么？和又如何？改变，随指数e-az而衰减， ，说明低损耗媒质中，均匀平面波的电场强度和磁场强度相位近似相同，其相位常数及波阻抗与无损耗时近似相同，但振幅按指数衰减17.在无耗媒质中，波阻抗是常数，在导电媒质中，波阻抗不是常数，而是频率的函数。这句话对吗？为什么？对。无耗媒质中，是一实常数。导电媒质中，18.何谓趋肤深度？如何计算？电磁波场强的振幅衰减到表面值的1/e所经过的距离，称为趋肤深度。（良导体），（低损耗媒质）微波部分1 什么是集中参数？什么是分布参数？集中参数概念：电路尺寸=1时，l相当于长线，否则是短线。3 双线传输线传播的是什么模式？此种模式有何特点？传播模式：横电磁模（波）或TEM模（波），非色散波。特点：没有最低截止频率，即直流也能传播。电场分量和磁场分量均与传播方向垂直，即在传播方向上既没有电场分量，也没有磁场分量。4 TE波和TM波有什么特点？TE波在传播方向上没有E分量，Ez = 0，传播方向上只存在磁场分量，且与传播方向垂直。TM波在传播方向上没有H分量，Hz = 0，传播方向上只存在电场分量，且与传播方向垂直。 5 双导线传输线满足的是什么方程？P146方程（5-2-2）传输线的电报方程，也称为波动方程。对于横截面处处相同的均匀传输线，满足方程（5-2-3） 6 对于无耗线，如线上既有反射波又有入射波，其电压波的表示式如何？若只有入射波其表示式又如何？有耗线： 传播常数在无耗线时，无耗线： 若只有入射波，则为 7 传播常数和衰减常数、相位常数之间存在什么关系？它们各表示什么意思？传播常数 在无耗线时，传播常数是一个复数，其实部为衰减常数，虚部为相移常数衰减常数指每单位长度的衰减，包括导体衰减和介质衰减相移常数指每单位长度的相移8.什么是行波？什么是驻波和部分驻波？行波表示向某一方向行进的波。两个相反方向的行波叠加将形成驻波。传输线上波腹和波节点的位置不随t而移动，好象驻立一样，故称为驻波。当传输线终端负载既不等于特性阻抗，又不是短路、开路或纯电抗，终端将产生部分反射，即在线路中由入射波和部分反射波相叠加而形成的波。 9.纯驻波是如何形成的？部分驻波呢？请举一例纯驻波工作状态：终端负载为短路、开路、纯电容或纯电感（即ZL=jXL）。由于负载阻抗内没有表示损耗的实部，因此在传输线终端不损耗行波能量而在负载上形成全反射，反射波的幅值也与入射波的幅值相等，反射波与入射波的叠加在线上形成纯驻波。当传输线终端负载既不等于特性阻抗，又不是短路、开路或纯电抗，而是等于任一复数阻抗或任一不等于特性阻抗的实数电阻时，就会吸收一部分功率和反射一部分功率，从而形成所谓“驻波状态”。负载能吸收一部分功率就有行波分量，反射的一部分功率与入射波形成驻波分量，所以有时称这种驻波为“混波”或“行驻波”。此时节点的幅值不等于零，腹点的幅值小于二倍的入射波振幅值，这就是与纯驻波的不同之处。 10.波腹点和波节点与反射波和入射波电压存在什么关系？存在的关系见书p149页公式（5-2-25） |U| max= |Ui | + |Ur | |U| min= |Ui | - |Ur |纯驻波时，波腹点的值是入射波时的两倍；波节点的值恒为零 11.在什么情况下，两波节点之间的距离为半波长？纯驻波和部分驻波状态下，两波节点之间的距离都为半波长 12.什么是特性阻抗？它与频率有关吗？在均匀传输线中，沿线移动时，特性阻抗会发生变化吗？特性阻抗与那些因素有关？书p148页，公式（5-2-17）特性阻抗是入射波电压与电流之比，也是反射波电压与电流之比，入射波和反射波都是行波，所以可以说特性阻抗是行波的电压与电流之比。当传输线无耗时与频率无关，也与传输位置无关，即沿线移动时，特性阻抗不会发生变化，当传输线有损耗时它与频率有关。特性阻抗只与分布参数Z和Y有关。 13.波速是由什么方程推导得到的？P148是令相位因子等于一个常数，再对时间求导数得到的。令，则：，所以有 14.什么是有色散传输线，什么是无色散传输线？请举例说明哪些是有色散传输线，那些是无色散传输线。在有色散传输线中，波传播时会出现何种现象，会对通信产生什么影响？由于频率不同，相速度会有所不同，这种特性叫做波的“色散”。传输色散波的传输线就是色散传输线，否则就是无色散传输线。波导传输TE波和TM波都是色散波。TEM波是非色散波。平行双线、同轴线是非色散波；矩形波导、圆波导是色散传输线。由于色散，信号在传输过程中会发生波形失真。 15.如果负载阻抗是纯电感，驻波图形会怎样？ 距离终端负载最近的是波腹点，结合圆图理解记忆 16.如果负载阻抗是纯电容，驻波图形会怎样？距离终端负载最近的是波节点，结合圆图理解记忆 17如果负载阻抗等于特性阻抗，电压幅值图形会是怎样？P149 反射系数为0，没有反射波，所以只有行波，行波图为图5-3-1。 18.请给出传输线上l处的电压与反射系数的关系。P149 公式 5-2-18 19如端接任意负载阻抗，给出传输线上l处的输入阻抗表示式。 (5-2-27b) 20短路线和开路线的输入阻抗公式。短路线(5-3-3) 开路线(5-3-5) 21什么是驻波比和驻波相位？P146(5-2-24) 驻波比驻波相位：离开负载端第一个波节点与终端负载ZL之间的距离。 22反射系数的计算公式。反射系数与驻波比之间的关系。P146 (5-2-21) (5-2-22) (5-2-26) 23沿着传输线在移动时，驻波比变化吗？反射系数呢？驻波比不变化，反射系数的大小不变，但是反射系数的角度会变化 24阻抗圆图上各部分的含义。25.如果把一阻抗圆图作为导纳圆图用，应注意哪些事项？开路点、短路点和匹配点会发生变化吗？波节点和波腹点呢？在实现匹配时，常常并联某一匹配元件，这类问题常用导纳进行计算，得到了与阻抗圆图相对应的导纳圆图，将阻抗圆图中的R用G代替，X用B代替，用代替，则图上所标的数值不变，由此构成的圆图称为导纳圆图。阻抗圆图作为导纳圆图用，二者在形式上是一样的，只差一个负号。应注意的地方参照表5-4-3。开路点和短路点发生变化，匹配点不变，波节点和波腹点变化。 26纯电抗在圆图的什么位置上？纯电阻在圆图的什么位置上？开路点、短路点和匹配点以及波腹点和波节点呢？对于导纳圆图呢？对阻抗圆图：纯电抗即为|=1的圆，即单位圆；纯电阻为X0的圆，即实轴；开路点为A点，短路点为B点，匹配点为O点，波腹点在实轴右半轴（OA）线上，波节点在实轴左半轴（OB）上。对导纳圆图：纯电纳线为|=1的圆，即单位圆；纯电阻为B0的圆，即实轴；开路点为B点，短路点为A点，匹配点为O点，波腹点在实轴左半轴（OB）线上，波节点在实轴右半轴（OA）上。 27四分之一阻抗变换器的工作原理及计算公式。又称为/4匹配线，某点沿等圆旋转180度，则终点的坐标就是起点坐标的倒数，由此推出公式Zc2Zin*ZL。因此，在已知负载阻抗ZL及其前端源的内阻抗Zin时，选择合适的特性阻抗，就可以串接/4线来实现ZL与Zin间的匹配。 28.传输线有哪三种匹配状态？（1）负载与传输线之间的阻抗匹配；（2）信号源与传输线之间的阻抗匹配；（3）信号源的共轭匹配。29.阻抗匹配的方法中最基本的是采用哪两种方式？（1）/4阻抗变换器；（2）支节匹配器 30为什么矩形波导中不能传输TEM波？事实上，如果波导管内真有TEM波存在，则磁场线应完全在横截面内，而且是闭合线。按麦克斯韦方程，回线上磁场的环路积分应等于与回线交链的轴向电流，此轴向电流可以使传导电流或位移电流。而在空芯波导内不可能有轴向传导电流。因此，可导出在横界面内不可能存在磁场闭合线的结论，故可以断定空芯波导管内不可能存在TEM波。 也可以结合公式说明，如果能够传输TEM波，则Ez、Hz分量为0，将导致E和H的所有分量为0。 31矩形波导中存在TM10模吗？为什么？不存在。由于只要m和n中出现一个为0的情况，所有场量均为0。 32矩形波导中最低传输模式是什么？其截止波长与哪些因素有关？最低模式为TE10，其截止波长为2a。截止波长与传输的模式有关，与m和n有关，还与波导的尺寸有关（a、b）。 33矩形波导中，保证单模传输的条件是什么？频率能不能无限地升高？为什么？为保证单模传输，必须满足a2a。频率无限升高，则会开始传输其他模式的波，出现简并波，高次波。 34什么是波导波长？与工作波长有什么不同？两者存在什么关系？P188波导波长即相波长，是指某一频率的导行波其等相位面在一个周期内沿轴向移动的距离。与工作波长的关系见公式(6-2-29) 35如果波长等于截止波长，矩形波导中的波处于什么状态？P185此时波处于是否能够传播的临介状态，此时也不能传播36.矩形波导的尺寸如何选择？需要满足/2 a ，0 b /237.矩形波导中各参数的计算公式（截止波长，波导波长，相速度，群速度，相位常数，波阻抗等） 填充空气时，38什么是固有品质因数、有载品质因数和外观品质因素？三者之间有何关系？固有品质因数Q0；有载品质因数QL，有外电路耦合情况下，谐振回路的品质因数为有载品质因数；外观品质因数Qe。 39如何提高固有品质因素？P198（6-5-5）提高谐振时总的储能，或者降低损耗功率，提高谐振频率都可以提高固有品质因素。 40什么表明外电路和谐振回路耦合的强弱？PL/Pe表示 41.品质因数和带宽之间有何关系？ (6-5-8) 品质因数越高，回路选择性越好 42矩形谐振腔的谐振波长的表示式是什么？谐振频率表示式是什么？与矩形谐振腔的三个边长尺寸之间满足什么关系？ (6-5-29) 43波导等效为双线传输线，条件是什么？P225条件是公式(7-2-3) 归一化条件：，是电压与横向电场的比例系数，是电流与横向磁场的比例系数 44什么是模式函数？什么是模式电压和电流？他们之间有何关系？et和ht称为矢量模式波型函数，注意模式函数是二维的，与x、y有关。U（z）和I（z）是模式电压和电流，模式电压和电流是一维的，只与z有关。他们之间的关系见公式Et(x,y,z) = ek(x,y) U(z) Ht(x,y,z) = hk(x,y) I(z) （7-2-1）45.用微波网络研究微波系统的优点有哪些？1）可把不均匀、不规则的复杂系统等效为一个微波网络；2）通过对各输入、输