微波及天线技术

1、微波技术与天线课程报告班 级：成 绩：2目录绪论1一、均匀传输线理论2二、规则金属波导3三、波导集成传输线4四、波导网络基础5五、微波元器件 6六、天线辐射与接收的基本理论7七、电波传播概论8八、线天线9九、 面天线10心得体会11本课程共涉及九章内容，我们主要学习了均匀传输线理论、规则金属波导、微波集成传输线、微波网络基础、微波元器件、天线辐射与接收理论、电波传播概论、线天线、面天线。第一章 均匀传输线理论一、均匀传输线方程及其解对均匀传输线的分析方法通常有两种: 一种是场分析法, 即从麦克斯韦尔方程出发, 求出满足边界条件的波动解, 得出传输线上电场和磁场的表达式, 进而分析传输特性; 第

2、二种是等效电路法, 即从传输线方程出发, 求出满足边界条件的电压、 电流波动方程的解, 得出沿线等效电压、电流的表达式, 进而分析传输特性。1、均匀传输线方程a. 时谐传输线方程 b.电压、电流的通解：Z0=(R+jL)/(G+jC) 二、传输线的阻抗和状态参量a. 传输线的特性阻抗 ：反射系数：传输线上任意一点处的反射波电压与入射波电压之比.驻波比：传输线上电压最大值与电压最小值之比.三、无耗传输线的状态分析有三种不同的工作状态：1.行波状态；2.纯驻波状态；3.行驻波状态四、传输线的传输功率、 效率和损耗 1. 传输功率与效率 2. 回波损耗和插入损耗 五、传输线的三种匹配状态：a.负载阻

3、抗匹配；b.源阻抗匹配；c.共轭阻抗匹配六、史密斯圆图及其应用1、圆图分为：a阻抗圆图 b导纳圆图 七、同轴线的特性阻抗同轴线是一种典型的双导体传输系统。第二章、规则金属波导一、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相速与波导波长波阻抗传输功率二、矩形波导1、矩形波导中的场矩形金属波导中只能存在TE波和TM波2、矩形波导的传输特性三、圆形波导1、圆波导中的场2、圆波导的传输特性截止波长 圆波导TE模、TM模的截止波长分别是： kcTEmn=mna kcTMmn=mna四、波导的激励与耦合激励波导的方法通常有三种：电激励，磁激励，电流激励第三章、微波集成传输线一

4、、微带传输线其基本结构有两种形式：带状线和微带线二、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；另一类是半开放式介质波导，主要包括H型波导、G型波导等。三、光纤1、单模光纤和多模光纤2、光线的特性数值孔径NA= sin3、光纤的传输特性 a.光纤的损耗 b.光纤的色散特性第四章 微波网路基础一、等效传输线a.等效电压和等效电流 b模式等效传输线二、串口网络（a）端接微波元件 （b）等效串口网络1、串口网络的传输特性等效传输线上任意点等效电压、等效电流为： 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

5、特性阻抗归一, 与此同时电压和电流也要归一。三、双端口网络的阻抗与转移矩阵双端口网络1、阻抗矩阵与导纳矩阵2、转移矩阵： 四、散射矩阵与传输矩阵1、散射矩阵2、传输矩阵：当用a1、b1作为输入量, a2、b2作为输出量, 此时有以下线性方程: 化成矩阵形式： 第五章 微波元器件一、连接匹配元件微波连接匹配元件包括终端负载元件、微波连接元件以及阻抗匹配元器件三大类。终端负载元件是连接在传输系统终端实现终端短路、匹配或标准时匹配等功能的元件。微波连接元件用以将作用不同的两个微波系统按一定的要求连接起来，主要包括波导接头、衰减器、相移器及转换接头等；阻抗匹配元器件是用于调整传输系统与终端之间阻抗匹配

6、的器件。1、终端负载元件该终端负载元件是典型的一端口互易元件，主要包括短路负载、匹配负载和适配负载。2、微波连接元件该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、转换接口。3、阻抗匹配元件 它的作用是消除反射，提高传输效率，改善系统稳定性。如螺钉调配器、阶梯阻抗变换器和渐变性阻抗变换器。二、功率分配元器件1、定向耦合器它是一种具有定向传输特性的四端口元件，是有耦合装置联系在一起的两对传输系统构成。 定向耦合器的性能指标：耦合度、隔离度、定向度、输入驻波比、工作带宽2、功率分配器 将一路微波功率按一定的比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器 两路微带功率分配器的平面结构3

7、、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。如E面T型分支 三、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；再放大其中用作谐振回路；在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。各种微波谐振器1、微波谐振器件的演化过程及其参量 谐振频率： f0=12LC2、矩形空腔谐振器矩形空腔谐振器是由一段长 、两端短路的矩形波导组成3、微带谐振器第六章、天线辐射与接收的基本理论一、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: 一类是在相互联系的网络中用各种传输线来传递信息,

8、即所谓的有线通信, 如电话、计算机局域网等有线通信系统; 另一类是依靠电磁辐射通过无线电波来传递信息, 即所谓的无线通信, 如电视、 广播、 雷达、 导航、卫星等无线通信系统。二 、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. 磁基本振子的场磁基本振子是一个半径为b的细线小环, 且小环的周长满足条件：2b<<,假设其上有电流i(t)=Icost, 由电磁场理论, 其磁偶极矩矢量为 三、 天线的电参数 1、所谓天线方向图， 是指在离天线一定

9、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。 在地面上架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向 （1） 水平面 当仰角及距离r为常数时, 电场强度随方位角 的变化曲线, 参见图（2） 铅垂平面 当 及r为常数时, 电场强度随仰角的变化曲线, 参见图 6 - 4。 超高频天线, 通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示 （1） E平面 所谓E平面， 就是电场矢量所在的平面。 对于沿z轴放置的电基本振子而言, 子午平面是E平面。 （2） H平面 所谓H平面， 就是磁场矢量所在的平面。 对于沿z轴放置的电基本振

10、子, 赤道平面是H面。 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：四、接收天线理论1、天线接收原理设在入射场的作用下, 接收天线上的电流分布为I(z), 并假设电流初相为零, 则接收天线从入射场中吸收的功率 式中, 因子e jkzcos是入射场到达天线上各元段的波程差。 根据电磁场的边值理论, 天线在接收状态下的电流分布应和发射时相同。 因此假设接收天线的电流分布为： I(z)=Im sink(l-|z|)2、有效接收面积有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要指标。它的定义为: 当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时, 接收天线传送到匹配负载的平均功率

11、为PLmax, 并假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获, 则这个面积就称为接收天线的有效接收面积, 记为Ae, 即有： Ae=PL maxSav3、等效噪声温度接收天线的等效噪声温度是反映天线接收微弱信号性能的重要电参数。 在卫星通信、射电天文和超远程雷达及微波遥感等设备中, 由于作用距离甚远, 所以接收的信号电平很低, 此时用方向系数已不能判别天线性能的优劣, 而必须以天线输送给接收机的信号功率与噪声功率之比来衡量天线的性能。等效噪声温度即是表征天线向接收机输送噪声功率的参数。4、接收天线的方向性第七章、电波传播概论一 、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

12、电波传播的影响(1) 传输损耗（信道损耗）电波在实际的媒质（信道）中传播时是有能量损耗的。 这种能量损耗可能是由于大气对电波的吸收或散射引起的, 也可能是由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起的。(2) 衰落现象所谓衰落, 一般是指信号电平随时间的随机起伏。 根据引起衰落的原因分类, 大致可分为吸收型衰落和干涉型衰落。(3) 传输失真无线电波通过媒质除产生传输损耗外, 还会产生失真振幅失真和相位失真。产生失真的原因有两个: 一是媒质的色散效应, 二是随机多径传输效应。 二、视距传播1. 视线距离设发射天线高度为h1、接收天线高度为h2, 由于地球曲率的影响, 当两天线A、B间的距离rrv时,

13、 两天线互相“看得见”, 当rrv时, 两天线互相“看不见”, 距离rv为收、 发天线高度分别为h2和h1时的视线极限距离, 简称视距。 2.、大气对电波的衰减3、场分析设h1为发射天线高度, h2为接收天线高度, d为收、 发天线间距, E为接收点场强, E1为直射波, E2为反射波。根据上面的分析, 接收点的场强为 E=E1+E2三、天波传播1、电离层概况 电离层是地球高空大气层的一部分, 从离地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。由于电离层电子密度不是均匀分布的, 因此, 按电子密度随高度的变化相应地分为D, E, F1, F2四层, 每一个区域的电子浓度都有一个最大值, 电离

14、层主要是太阳的紫外辐射形成的, 因此其电子密度与日照密切相关白天大, 晚间小, 而且晚间D层消失; 电离层电子密度又随四季不同而发生变化。2、无线电波在电离层中的传播天波天线的特点： 频率的选择很重要, 频率太高, 电波穿透电离层射向太空; 频率太低, 电离层吸收太大, 以致不能保证必要的信噪比。 因此，通信频率必须选择在最佳频率附近。 天波传播的随机多径效应严重, 多径时延较大, 信道带宽较窄。 天波传播不太稳定, 衰落严重, 在设计电路时必须考虑衰落影响, 使电路设计留有足够的电平余量。 电离层所能反射的频率范围是有限的, 一般是短波范围。 由于波段范围较窄, 因此短波电台特别拥挤, 电台

15、间的干扰很大，尤其是夜间；由于电离层吸收减小, 电波传播条件有所改善, 台间干扰更大。 由于天波传播是靠高空电离层的反射, 因而受地面的吸收及障碍物的影响较小, 也就是说这种传播方式的传输损耗较小, 因此能以较小功率进行远距离通信。 天波通信, 特别是短波通信, 建立迅速，机动性好, 设备简单, 是短波天波传播的优点之一。 四、地面波传播 垂直极化波沿非理想导电地面传播时, 由于大地对电波能量的吸收作用, 产生了沿传播方向的电场纵向分量Ez1, 因此可以用Ez1的大小来说明传播损耗的情况。当地面的电导率越小或电波频率越高, 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

16、线电波中具有实用意义。由于Ex1>>Ez1, 故在地面上采用直立天线接收较为适宜。但在某些场合, 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, 因此信号稳定, 这是地面波传播的突出优点。 五、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。 电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射, 散射波的一部分到达接收天线处, 这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播。对流层散射传播具有下列特点: 由于散射波相当微弱, 即传输损耗很大（包括自由空间传输

17、损耗、散射损耗、大气吸收损耗及来自天线方面的损耗, 一般超过200dB）, 因此对流层散射通信要采用大功率发射机、 高灵敏度接收机和高增益天线。 由于湍流运动的特点, 散射体是随机变化的, 它们之间在电性能上是相互独立的, 因而它们对接收点的场强影响是随机的。 这种随机多径传播现象, 使信号产生严重的快衰落。 这种快衰落一般通过采用分集接收技术来克服。 这种传播方式的优点是: 容量大, 可靠性高, 保密性好, 单跳跨距达300800 km, 一般用于无法建立微波中继站的地区, 如用于海岛之间或跨越湖泊、沙漠、雪山等地区。 第八章、线天线一、对称阵子天线细振子的辐射1、半波阵子的辐射电阻及其方向

18、性 半波振子的E面方向图函数为： F=cos2cossin2、振子天线的输入阻抗特性阻抗： Z0=120lnDa对称振子上得输入阻抗设传输线几乎没有辐射，而对称振子是一种辐射器，它相当于具有损耗的传输线，根据传输线理论，长度h的有损耗的输入阻抗为：二、阵列天线1、二元阵2、均匀直线阵均匀直线阵是等距离、各阵元电流的幅度相等（等幅分布）而相位依次等量递增或递减的直线阵。三、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：提高天线的辐射电阻、降低损耗电阻2、水平振子天线四、引向天线与电视天线1、引向天线它是由一个有源振子及若干个无缘振子组成 2

19、、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。五、移动通信基站天线1、移动通信基站天线的特点2、移动通信基站天线六、螺旋天线如图：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

20、化, 其最大辐射方向沿轴线方向。七、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:2.、V形天线和菱形天线八、宽频天线 1、非频变天线的条件；2、平面等角螺旋天线；3、对数周期天线九、缝隙天线1、理想缝隙天线的辐射场；2、波导缝隙天线十、微带天线微带天线的主要特点有: 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。第九章 面天线一、 惠更斯元的辐射惠更斯元

21、1、 惠更斯元的方向函数为二 、平面口径的辐射将面元dS在两个主平面上的辐射场dE沿整个口径面积分, 即得口面辐射场的一般表达式: 1、 S为矩形口径时辐射场的特性（1) 口径场沿y轴线极化且均匀分布 此时有 Ey=E0 (2) 方向系数 2、 S为圆形口径时的辐射特性(1) 口径场沿y轴线极化且在半径为a的圆面上均匀分布此时有 Ey=E0 (2) 口径场沿y轴线极化且振幅沿半径方向呈锥削分布此时: 三、 旋转抛物面天线1. 抛物面天线的工作原理及分析方法 (1) 抛物面天线的工作原理 抛物线的特性之一: 通过其上任意一点M作与焦点的连线FM, 同时作一直线MM平行于OO, 则通过作过抛物线M

22、点切线的垂线（抛物线在M点的法线）与MF的夹角1等于它与MM的夹角2。从焦点F发出的以任意方向入射的电磁波, 经它反射后都平行于OF轴, 使馈源相位中心与焦点F重合。即从馈源发出的球面波, 经抛物线反射后变为平面波, 形成平面波束。 抛物线的特性之二: 其上任意一点到焦点F的距离与它到准线的距离相等。 在抛物面口上, 任一直线MOK与其准线平行。四 、卡塞格伦天线1. 卡塞格伦天线的几何特性(1) 双曲面的特性之一(2) 双曲面的特性之二由馈源在F2发出的任意射线经双曲面和抛物面反射后, 不仅相互平行, 而且同时到达卡塞格伦天线。由此可见, 卡塞格伦天线与旋转抛物面天线是相似的。2. 卡塞格伦天线的几何参数卡塞格伦天线的三个独立的几何参数关系式3. 卡塞格伦天线的工作原理 等效抛物面原理综上所述, 卡塞