微波天线课程报告

1、微波技术与天线课程考查报告班级：姓名：学号：成绩：课程内容总结：一、 均匀传输线理论1.1 均匀传输线方程及其解共有三个参量：1）均匀传输线方程2) 传播常数 3) 相速p与波长 1.2 传输线阻抗与状态参量1. 输入阻抗由上一节可知, 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Ul、终端电流Il的关系如下： 2. 反射系数定义传输线上任意一点z处的反射波电压（或电流）与入射波电压（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U(z)=U+(z)+U-(z)=A1e jz1+(z) I(z)=I+(z)+I-(z) = e jz1-(z)1

2、. 行波状态行波状态下传输线上的电压和电流： 2. 纯驻波状态 纯驻波状态就是全反射状态, 也即终端反射系数|l|=1。 在此状态下, 由式（1- 2- 10），负载阻抗必须满足： 3. 行驻波状态当微波传输线终端接任意复数阻抗负载时, 由信号源入射的电磁波功率一部分被终端负载吸收, 另一部分则被反射, 因此传输线上既有行波又有纯驻波, 构成混合波状态, 故称之为行驻波状态。 1.4 传输线的传输功率、 效率和损耗1.5 阻抗匹配 1) 分三种：负载阻抗匹配，源阻抗匹配，共轭阻抗匹配。 1.6 史密斯圆图及其应用 传输线上任意一点的反射函数(z)可表达为 ：1.7 同轴线的特性阻抗 同轴线是一

3、种典型的双导体传输系统, 它由内、 外同轴的两导体柱构成。二、规则金属波导2.1导波原理1. 规则金属管内电磁波2. 传输特性1) 相移常数和截止波数： 。2) 相速p与波导波长g。电磁波在波导中传播, 其等相位面移动速率称为相速, 于是有： 。3) 波阻抗。定义即： 。 4) 传输功率: 2.2 矩形波导1. 矩形波导中的场2.矩形波导尺寸选择原则2.3 圆形波导1. 圆波导中的场与矩形波导一样, 圆波导也只能传输TE和TM波型。2. 圆波导的传输特性1) 截止波长。圆波导TEmn模、TMmn模的截止波数分别为： 2) 简并模。在圆波导中有两种简并模, 它们是E-H简并和极化简并。 3. 几

4、种常用模式1) 主模TE11模2) 圆对称TM01模TM01模是圆波导的第一个高次模3) 低损耗的TE01模TE01模是圆波导的高次模式 2.4 波导的激励与耦合：1. 电激励2. 磁激励3. 电流激励三、微波集成传输线3.1 微带传输器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： 1.微带线 2. 微带线3. 耦合微带线3.2介质波导介质波导可分为两大类：一类是开放式介质波导，主要包括圆形介质波导和介质镜像线等；另一类是半开放介质波导，主要包括H形波导、G形波导等。 3.3 光纤光纤又名光导纤

5、维, 它是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。光纤按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、 塑料包层玻璃芯光纤和全塑料光纤。 四、微波网络基础4.1 等效传输线1.等效电压和等效电流2.模式等效传输线4.2 单口网络1.单口网络的传输特性令参考面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：2. 归一化电压和电流由于微波网络比较复杂, 因此在分析时通常采用归一化阻抗, 即将电路中各个阻抗用特性阻抗归一, 与此同时电压和电流也要归一。 4.3 双端口网络的阻抗与转移矩阵在各种微波网络中, 双端口网络是最基本的, 任意具有两个端口的微波元件均可视

6、之为双端口网络。下面介绍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。4 散射矩阵与传输矩阵1. 散射矩阵2.传输矩阵3.散射参量与其它参量之间的相互转换4.S参数测量4.5 多端口网络的散射矩阵(1) 互易性质(2) 无耗性质(3) 对称性质五、微波元器件5.1 连接匹配元件 (1) 短路负载(2) 匹配负载(3) 失配负载2. 微波连接元件微波连接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波导接头、 衰减器、相移器、转换接头。 3. 阻抗匹配元件 (1) 螺钉调配器(2) 多阶梯阻抗变换器(3) 渐变

7、型阻抗变换器5.2 功率分配元器件 1. 定向耦合器 1) 定向耦合器的性能指标 (1)耦合度(2)隔离度(3) 定向度 (4) 输入驻波比(5)工作带宽 2)波导双孔定向耦合器3)双分支定向耦合器4)平行耦合微带定向耦合器 2. 功率分配器将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同, 可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。 (1) 两路微带功率分配器 端口“”无反射; 端口“、”输出电压相等且同相; 端口“、”输出功率比值为任意指定值 (2) 微带环形电桥 微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的

8、一种功率分配元件。 3. 波导分支器将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器, 它是微波功率分配器件的一种, 常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。 (1) E-T分支(2)H-T分支(3) 匹配双T5. 3 微波谐振器件在低频电路中, 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; 在放大器中用作谐振回路; 在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。5.4 微波铁氧体器件1. 隔离器1) 谐振式隔离器2) 场移式隔离器3) 隔离器的性能指标2. 铁氧体环行器一个理想的环行器必须具备以下的条件:输入端口完全匹配,

9、无反射;输入端口到输出端口全通, 无损耗; 输入端口与隔离器间无传输。 于是环行器的散射参数应满足: 六、天线辐射与接收的基本理论6.1 概论通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系统大致分为两大类:有线通信,无线通信。 6.2 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。 2. 磁基本振子的场引入这种假想的磁荷和磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”,

10、可以大大简化计算工作。 6.3 天线的电参数1. 天线方向图及其有关参数所谓天线方向图， 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。 2. 天线效率天线效率定义为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： G=D·A4. 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变化所描绘的图形,

11、如果是直线, 就称为线极化;如果是圆就称为圆极化;如果是椭圆就称为椭圆极化。5. 频带宽度(Frequency Band Width)天线的电参数都与频率有关, 也就是说, 上述电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时, 往往要引起天线各个参数的变化,6. 输入阻抗与驻波比(Input Impedance and Standing Wave Ratio)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7. 有效长度有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。 6.4 接收天线理论接收天线主要考虑以下四个方面

12、：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. 接收天线的方向性七、电波传播概论7.1电波传播的基本概念1. 无线电波在自由空间的传播2. 传输媒质对电波传播的影响 (1) 传输损耗(2) 衰落现象(3)传输失真(4)电波传播方向的变化7.2 视距传播1. 视线距离：2. 大气对电波的衰减大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、 雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。 另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射。3. 场分析在视距传播中, 除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外, 还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波，

13、如图 7-5 所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。7.3 天波传播1. 电离层概况2. 无线电波在电离层中的传播仿照电波在视距传播中的介绍方法, 可将电离层分成许多薄片层, 每一薄片层的电子密度是均匀的, 但彼此是不等的。 7.4 地面波传播 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。 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。 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

14、号稳定, 这是地面波传播的突出优点。 7.5 不均匀媒质的散射传播除了上述三种基本传输方式外, 还有散射波传播。 八、线天线8.1 对称振子天线8.2 阵列天线1. 二元阵2. 均匀直线阵8.3 直立振子天线与水平振子天线1. 直立振子天线1) 单极天线的辐射场及其方向图2) 有效高度3) 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。 2) 水平振子天线尺寸的选择为保证水平振子天

15、线在较宽的频带范围内最大辐射方向不发生偏移, 应选择振子的臂长h0.625, 以保证在与振子轴垂直的方向上始终有最大辐射, 8.4 引向天线与电视天1. 引向天线2) 多元引向天线对于总元数为N的多元引向天线, 其分析方法与二元引向天线的分析方法相似。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。 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

16、内垂直放置8.5 移动通信基站天线1. 移动通信基站天线的特点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;天线应采用垂直极化;采用扇形天线; 如果是中心激励, 采用全向天线;天线增益应尽可能的高;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。 8.6 螺旋天线螺旋天线的参数有: 螺旋直径d=2b;螺距h; 圈数N;每圈的长度c;螺距角; 轴向长度L。 1. 法向模螺旋天线每一圈螺旋天线的辐射场为：E=aE+aE 2. 轴向模螺旋天线当

17、d/0.250.45 时, 螺旋天线的一圈的周长接近一个波长, 此时天线上的电流呈行波分布, 则天线的辐射场呈圆极化, 其最大辐射方向沿轴线方向。 8.7 行波天线1. 行波单导线天线的方向图若天线终端接匹配负载, 则天线上电流为行波分布: I(z)=I0 e- jz 2. V形天线和菱形天线8.8 宽 频 带 天 线在许多场合中, 要求天线有很宽的工作频率范围。 按工程上的习惯用法, 若天线的阻抗、方向图等电特性在一倍频程（fmax/fmin=2）或几倍频程范围内无明显变化, 就可称为宽频带天线。8.9 缝隙天线1. 理想缝隙天线的辐射场2. 波导缝隙天线8.10 微带天线微带天线的主要特点

18、有: 体积小、重量轻、低剖面, 因此容易做到与高速飞行器共形, 且电性能多样化（如双频微带天线、 圆极化天线等）, 尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件, 因而适合大规模生产。在现代通信中, 微带天线广泛地应用于100MHz到50GHz的频率范围。8.11 智能天线使用智能天线技术的主要优点有:具有较高的接收灵敏度;使空分多址系统（SDMA）成为可能;消除在上下链路中的干扰;抑制多径衰落效应。 9、 面天线 9.1惠更斯元的辐射 如图所示，面天线通常由金属面S1和初级辐射源组成。设包围天线的封闭曲面由金属面的外表面S1以及金属面的口径面S2共同组成，由于S1为导体的外表面，其上的场为零

19、，于是面天线的辐射问题就转化为口径面S2的辐射。由于口径面上存在着口径场ES和HS，根据惠更斯原理(Huygen's Principle)，将口径面S2分割成许多面元，这些面元称为惠更斯元或二次辐射源。 由所有惠更斯元的辐射之和即得到整个口径面的辐射场。为方便计算，口径面S2通常取为平面。当由口径场求解辐射场时，每一个面元的次级辐射可用等效电流元与等效磁流元来代替，口径场的辐射场就是由所有等效电流元（等效电基本振子）和等效磁流元（等效磁基本振子）所共同产生的。这就是电磁场理论中的等效原理(Field Equivalence Theorem)。如同电基本振子和磁基本振子是分析线天线的基本

20、辐射单元一样，惠更斯元是分析面天线辐射问题的基本辐射元。磁基本振子远区辐射场的表达式为：电基本振子的辐射场：9.2 平面口径的辐射 综合对不同口径场辐射场的分析以及相应的数值计算，对同相口径场而言，可归纳出如下的重要结论： （1）平面同相口径的最大辐射方向一定位于口径面的法线方向； （2）在口径场分布规律一定（均匀程度一定，v一定），的情况下，口径面的电尺寸越大，主瓣越窄（由上表或图），方向系数 越大； （3）当口径电尺寸一定时，口径场分布越均匀，其面积利用系数越大，方向系数越大，但是副瓣电平越高；（4）口径辐射的副瓣电平以及面积利用系数只取决于口径场的分布情况，而与口径的电尺寸无关。9.3旋

21、转抛物面天线旋转抛物面天线（Paraboloidal Reflector Antennas）是应用最广泛的天线之一,它由馈源和反射面组成。天线的反射面由形状为旋转抛物面的导体表面或导线栅格网构成，馈源是放置在抛物面焦点上的具有弱方向性的初级照射器，利用抛物面的几何特性，抛物面天线可以把方向性较弱的初级辐射器的辐射反射为方向性较强的辐射。9.4卡塞格伦天线 标准的卡塞格伦天线和普通单反射面天线都存在着要求对口面照射尽可能均匀和要求从反射面边缘溢出的能量尽可能少的矛盾，从而限制了反射面天线增益因子的提高。心得体会：这一学期我们跟着许老师学习微波技术与天线，受益匪浅。在面对复杂的数学公式计算与推导，老师另辟蹊径，以结论出发，反观初始条件，得到期许的验证，避免成为冗杂乏味的数学公式讲解，而失去应有的物理意义。这对我这这门课程乃至今后的学习都有很大的启发。与此同时，有通过日常可见的天线等与微波天线有关的设备来进一步加深对这门课程的学习与理解