微波与天线考查报告任务书(第二版)刘学观讲解

1、微波与天线技术课程考查报告任务书 专业：通信工程 班级：OX 姓名：OOXX 学号：XXOO 二零一三年一月课程内容总结本书共分为十章，包括微波技术、天线与电波传播和微波应用系统三个部分。第一至五章为微波技术部分，主要讨论了均匀传输线理论、规则金属波导、微波集成传输线、微波网络基础和微波元器件，其中在微波集成传输线部分主要讨论了带状线、微带线、耦合微带线及介质波导的传输特性，并对光纤的传输原理及特性做了介绍；在“微波元器件”一章中，从工程应用的角度出发，重点介绍了具有代表性的几组微波元器件，主要包括连接匹配元件、功率分配元器件、微波谐振元件和微波铁氧体器件。第六至九章为天线与电波传播部分，主要

2、叙述了天线辐射与接收的基本理论、电波传播概论、线天线及面天线，其中在线天线部分侧重介绍了在工程中常用的鞭天线、电视天线、移动通信基站天线、行波天线、宽频带天线、微带天线等，还对智能天线技术做了简要介绍。微波应用系统安排在第十章，主要讨论了雷达系统、微波通信系统级微波遥感系统三个典型系统。上述三部分既相互联系有相互独立，下面将做详细说明。微波技术部分一、均匀传输线理论 1、均匀传输方程及其解 （1）均匀传输线方程 对于时谐振电压和电流，可得时谐传输线方程 式中， 分别称为传输线单位长串联阻抗和单位长并联导纳。（2）均匀传输线方程的解 （3）传输线的工作特性参数 特性阻抗;传播常数;相速与波长。2

3、、 传输线阻抗与状态参量 （1）输入阻抗: 对无耗均匀传输线, 线上各点电压U(z)、 电流I(z)与终端电压U1、终端电流Il的关系如下： （2）反射系数: 传输线上任意一点z处的反射波电压（或电流）与入射波电（或电流）之比为电压（或电流）反射系数, 即： （3）输入阻抗与反射系数的关系 3、 无线传输线的状态分析无线传输线有以下三种工作状态： 行波状态； 纯驻波状态； 行驻波状态。 4、史密斯圆图及其应用史密斯圆图是用来分析传输线匹配问题的有效方法。它具有概念明晰、求解直观、精度较高的特点，被广泛用于射频工程中。二、规则金属波导1、波导原理 在规则波导中场的纵向分量满足标量齐次波动方程,

4、结合相应边界条件即可求得纵向分量Ez和Hz, 而场的横向分量即可由纵向分量求得; 既满足上述方程又满足边界条件的解有许多, 每一个解对应一个波型也称之为模式,不同的模式具有不同的传输特性; kc是微分方程在特定边界条件下的特征值, 它是一个与导波系统横截面形状、尺寸及传输模式有关的参量。由于当相移常数=0时, 意味着波导系统不再传播, 亦称为截止, 此时kc=k, 故将kc称为截止波数。 2、 波导与波导的激励与耦合波导主要分为矩形波导和圆形波导，波导激励有电激励、磁激励和电流激励。三、微波集成传输线1、微带传输线 对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构, 这样可以通过调整单

5、一平面尺寸来控制其传输特性, 从而实现微波电路的集成化。共分三种：带状线 微带线 耦合微带线。2、 介质波导 介质波导可分为两大类：一是开放式介质波导，主要有圆形介质波导和介质镜像线等；二是半开放介质波导，主要包括H、G形波导等。3、 光纤 (1)单模光纤和多模光纤 （2）三种常见的光纤波导（3）光纤的基本参数描述光纤的基本参数除了光纤的直径D外, 还有光波波长g、光纤芯与包层的相对折射率差、折射率分布因子g以及数值孔径NA。 四、微波网络基础1、等效传输线主要包含等效电压和等效电流与模式等效传输线。2、 单口网络 （1）端接微波元件的传输线及其等效网络如图所示：（2）单口网络的传输特性令参考

6、面T处的电压反射系数为l, 由均匀传输线理论可知, 等效传输线上任意点的反射系数为 而等效传输线上任意点等效电压、 电流分别为式中, Ze为等效传输线的等效特性阻抗。 传输线上任意一点输入阻抗为 ，任意点的传输功率为3、双端口网络的阻抗与转移矩阵线性无源双端口网络各端口上电压和电流之间的关系。 （1） 阻抗矩阵与导纳矩阵 （2） 转移矩阵 转移矩阵也称为A矩阵,它在研究网络级联特性时特别方便。五、微波元器件1、连接匹配元件 短路负载 终端负载元件 匹配负载 失配负载 波导接头 衰减器 连接匹配元件 微波连接元件 相移器 转接接头 螺钉调配器 阻抗匹配元件 多阶梯阻抗变换器 渐变型阻抗变换器2、

7、 功率分配元件 定向耦合器 功率分配器 波导分支器 3、微波谐振元件：在低频电路中，谐振回路是一种基本元件，它是由电感和电容串联或者并联而成，在振荡器中作为振荡回路，用以控制振荡器的频率；在放大器中用振荡回路；在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。4、微波铁氧体元件：它是非互易性的器件，电阻率很高，最常用的有隔离器和环行器。天线与电波传播部分六、天线辐射与接收的基本理论1、基本振子的辐射（1）电基本振子电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I振幅均匀分布、 相位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。 电基本振子的辐 式中 是媒质中电磁波的

8、波数 （2）磁基本振子的场 磁基本振子的辐射 2、 天线的电参数 （1）天线方向图及其有关参数天线方向图是指在离天线一定距离处, 辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, 通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。水平面 铅垂平面E平面 H平面（2） 天线效率 天线辐射功率与输入功率之比,记为A， 即 （3） 增益系数 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数, 它是方向系数与天线效率的乘积, 记为G, 即： （4） 极化和交叉极化电平 极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间

9、变化所描绘的图形,如果是直线, 就称为线极化;如果是圆就称为圆极化。 （5） 输入阻抗与驻波比 要使天线辐射效率高, 就必须使天线与馈线良好地匹配, 也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,才能使天线获得最大功率 （6） 有效长度有效长度是衡量天线辐射能力的一个重要指标。 3、接收天线理论接收天线主要考虑以下四个方面：1.天线接收的物理过程及收发互易性2.有效接收面积3.等效噪声温度4.接收天线的方向性7、 电波传播理论1.、无线电波在自由空间的传播天线置于自由空间中, 假设发射天线是一理想的无方向性天线, 若它的辐射功率为P瓦, 则离开天线r处的球面上的功率流密度为 2、视距传输 视线距离

10、 3、天波传播 无线电波在电离层中的传播相对介电常数为 其折射率为 4、地面波传输（1）垂直极化波沿非理想导电地面传播时,当地面的电导率越小或电波频率越高, 电场纵向分量 Ez1越大, 说明传播损耗越大。（2）地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。在某些场合, 由于受到条件的限制, 也可以采用低架水平天线接收。（3） 地面波由于地表面的电性能及地貌、 地物等并不随时间很快地变化, 并且基本上不受气候条件的影响, 因此信号稳定, 这是地面波传播的突出优点。 八、线天线 1、对称振子天线（1）对称振子天线的归一化E面方向图 （2） 半波振子的辐射电阻及方向性将 代入式（8-1-

11、5）即得半波振子的E面方向图函数为 （3）振子天线的输入阻抗2、阵列天线（1） 二元阵 （2） 均匀直线阵 3、直立振子天线与水平振子天线（1） 直立振子天线单极天线的辐射场及其方向图 有效高度 提高单极天线效率的方法 （2） 水平振子天线水平振子天线经常应用于短波通信、电视或其它无线电系统中, 这主要是因为: 水平振子天线架设和馈电方便;地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小;工业干扰大多是垂直极化波, 因此用水平振子天线可减小干扰对接收的影响。 单极天线铅垂平面方向图4、 引向天线与电视天线 （1） 引向天线 （2）电视发射天线 1) 电视发射天线的特点 频率范围宽。 覆盖面积大

12、。 在以零辐射方向为中心的一定的立体角所对的区域, 电视信号变得十分微弱。 我国的电视发射信号采用水平极化。 为了扩大服务范围, 发射天线必须架在高大建筑物的顶端或专用的电视塔上。2) 旋转场天线，设有两个电流大小相等I1=I2、相位差=90 的直线电流元, 在水平面内垂直放置。5、移动通信基站天线（1）移动通信基站天线的特点 为尽可能避免地形、地物的遮挡, 天线应架设在很高的地方, 这就要求天线有足够的机械强度和稳定性; 为使用户在移动状态下使用方便, 天线应采用垂直极化; 根据组网方式的不同, 如果是顶点激励, 采用扇形天线; 如果是中心激励, 采用全向天线; 为了节省发射机功率, 天线增

13、益应尽可能的高; 为了提高天线的效率及带宽, 天线与馈线应良好地匹配。（2） 移动通信基站天线 VHF和UHF移动通信基站天线一般是由馈源和角形反射器两部分组成的, 为了获得较高的增益, 馈源一般采用并馈共轴阵列和串馈共轴阵列两种形式。 另外还有螺旋天线、行波天线、宽频带天线、 缝隙天线、微带天线等。九、面天线1、惠更斯元的辐射 惠更斯元的方向函数为 惠更斯元与惠更斯元方向图2、 平面口径的辐射 （1）口面辐射场的一般表达式: 式中（2）矩形口径时辐射场的特性 口径场沿y轴线极化且均匀分布 此时有 3、卡塞格伦天线优点： (1)由于天线有两个反射面，几何参数增多，便于按照各种需要灵活地进行设计

14、 (2)可以采用短焦距抛物面天线作主反射面，减少了天线的纵向尺寸 (3)由于采用了副反射面，馈源可以安装在抛物面顶点附近，使馈源和接收机之间的传输线缩短，减小了传输线损耗所造成的噪声。微波应用系统部分十、微波应用系统1、雷达系统 2、微波通信系统 （1）微波中继转接方式 （2）SDH数字微波通信系统 3、微波遥感系统心得体会曾经，老师在讲电磁场与电磁波的时候就说过，电磁场与电磁波是以后微波技术与天线的基础。果不其然，微波技术与天线这门课程确实难度很大，说句实在的，我当时选这门课的时候就看中是三个学分。想当初电磁场与电磁波就学的不怎么样，主要是我物理就没有学好过，所以一直就提不起兴趣，这种状态一直延续到该课程的学习当中了。不过，我还是一如既往的喜欢老师的授课风