微波技术与天线思考题1

PAGEPAGE2微波技术基础思考题1、微波是一般指频率从300M至3000GHz范围内的电磁波，其相应的波长从1m至0.1mm。从电子学和物理学的观点看，微波有似光性、似声性、穿透性、非电离性、信息性等重要特点。2、导行波的模式，简称导模，是指能够沿导行系统独立存在的场型，其特点是：（1）在导行系统横截面上的电磁波呈驻波分布，且是完全确定的。这一分布与频率无关，并与横截面在导行系统上的位置无关；（2）导模是离散的，具有离散谱；当工作频率一定时，每个导模具有唯一的传播常数；（3）导模之间相互正交，彼此独立，互不耦合；（4）具有截止特性，截止条件和截止波长因导行系统和因模式而异。3、广义地讲，凡是能够导引电磁波沿一定的方向传播的导体、介质或由它们组成的导波系统，都可以称为传输线。若按传输线所导引的电磁波波形（或称模、场结构、场分布），可分为三种类型：（1）TEM波传输线，如平行双导线、同轴线、带状线和微带线，他们都是双导线传输系统；（2）TE波和TM波传输线，如矩形、圆形、脊形和椭圆形波导等，他们是由金属管构成的，属于单导体传输系统；（3）表面波传输系统，如介质波导（光波导）、介质镜象线等，电磁波聚集在传输线内部及其表面附近沿轴线方向传播，一般是TE或TM波的叠加。对传输线的基本要求是：工作频带宽、功率容量大、工作稳定性好、损耗小、易耦合、尺寸小和成本低。一般地，在米波或分米波段，可采用双导线或同轴线；在厘米波段可采用空心金属波导管及带状线和微带线等；在毫米波段采用空心金属波导管、介质波导、介质镜像线和微带线；在光频波段采用光波导（光纤）。以上划分主要是从减少损耗和结构工艺等方面考虑。传输线理论主要包括两方面的内容：一是研究所传输波形的电磁波在传输线横截面内电场和磁场的分布规律（也称场结构、模、波型），称横向问题；二是研究电磁波沿传输线轴向的传播特性和场的分布规律，称为纵向问题。横向问题要通过求解电磁场的边值问题来解决；各类传输线的纵向问题却有很多共同之处。在微波技术中，所讨论的传输线都属于长线范围，即以电刻度：为分界线。传输线上的电压、电流解由三种不同的终接条件决定：终端条件、始端条件、信号源和负载条件。当已知终端条件的解为：V(d)==V(d)++V(d)-I(d)==I(d)++I(d)-其中第一项为入射波，第二项为反射波；d为离终端的距离。当已知始端条件的解为：V(z)==V(z)++V(z)-I(z)==I(z)++I(z)-其中第一项为入射波，第二项为反射波；z为离起始端的距离。传输线接不同负载阻抗时，沿传输线纵向看，有三种不同的工作状态：行波、行驻波和纯驻波。4、几个重要的参数：波阻抗：导行系统中导模的横向电场和与这个电场有关的横向磁场之比；介质的固有波阻抗为，对于真空或空气，特性阻抗：传输线上行波的电压和电流之比，或入射波的电压和入射波的电流之比，Z0=其表达式为Z0=,是一个复数；对于无耗线或低耗线：Z0==；其倒数为传输线的特性导纳.输入阻抗（分布参数阻抗）：传输线上任一点的阻抗Zin(d)定义为该点的电压和电流之比,即Zin(d)=。具体表达式：Zin(d)=对于无耗线：Zin(d)=，传输线输入阻抗的特点是：传输线阻抗随位置d而变，分布于沿线各点，且与负载有关；传输线具有阻抗变换作用，ZL通过线段d变换成Zin(d)，或相反；无耗线的阻抗呈周期性变化，具有变换性和重复性。传播常数：是描述导行波沿导行系统传播过程中的衰减和相位变化的参数，一般为复数：对于无耗线：，对于低耗线：，反射系数：传输线上某点处的反射系数定义为该点的反射波电压与该点的入射波电压之比，即：，其表达式为：，其中：所以对于无耗线：；与阻抗的关系：；Zin(d)=Z0与归一化阻抗的关系：zin(d)=驻波系数：传输线上相邻的波腹点和波节点的电压之比，。与阻抗的关系：Zin(dmin)=；ZL=Z0无耗线在行波状态的条件是：ZL=Z0,此时反射系数为零，驻波系数为1；工作在驻波状态的条件是：ZL=0;ZL=∞;ZL=+jXL或-jXL；工作在行驻波状态的条件是：ZL=RL+jXLorZL=RL-jXL。损耗正切、有效介电常数、填充系数？4、史密斯圆图是求街均匀传输线有关和问题的一类曲线坐标图，图上有两组坐标线，即归一化阻抗或导纳的的等值线簇与反射系数的等值线簇，所有这些等值线都是圆或圆弧，故也称阻抗圆图或导纳圆图。阻抗圆图上的等值线分别标有，而和，并没有在圆图上表示出来。导纳圆图可以通过对旋转180°得到。阻抗圆图的实轴左半部和右半部的刻度分别表示或和或。圆图上的电刻度表示，图上0~180°是表示。5、阻抗匹配是使微波电路或系统无反射运载行波或尽量接近行波的技术措施，阻抗匹配主要包括三个方面的问题，它们是：（1）；（2）；（3）。6、带状线的结构是。带状线可以看作是由演变而成的，它可以传输导波。7、微带线可用光刻程序制作，是目前MIC中使用最多的一种平面型传输线，其结构是：，微带线可以看作是由演变而来的，其工作模式是波导模。8、导模的场结构是分析和研究波导问题、模式激励、设计波导的基础和出发点，所谓场结构是指。9、波导的激励本质是电磁波的辐射，是微波源在由波导内壁所限定的有限空间辐射，其结果是要求在波导中获得所需要的模式，激励的一般方式有、、和四种。10、微波谐振器是一种适用于300MHz~3GHz或更高频率的谐振元件，它是导体壁完全密闭的空腔，可以将电磁波场全部约束在空腔内，同时其整个大面积的金属表面又为电流提供通道。谐振腔具有固定的谐振频率和很高的Q值（品质因数）。谐振腔的多谐性是指。11、插入损耗Li=，它是表示。12、反射损耗LR=，它是表示。13、回波损耗Lr=，它是表示。14、四种典型实用匹配网络的设计方法是：（1）、（2）、（3）、（4）。其中（1）是适用于的情况；（2）是适用于的情况；（3）可分为并联和串联；单支节与多支节，其中常用的是，因为它有的优点。15、有耗线与无耗线的主要区别在于线上的入射波和反射波的振幅要按指数规律衰减，衰减的大小取决于衰减常数α=αc+αd。衰减常数的常用计算方法有四种，它们是：（1）、（2）、（3）、（4）。16、无耗传输线的驻波状态的特点是：（1）、（2）、（3）、（4）。17、无耗传输线的行波状态的特点是：（1）、（2）、（3）。18、矩形波导的的主模是TE10模，导模传输条件是，其中截止频率为，TE10模矩形波导的等效阻抗为，矩形波导保证只传输主模的条件是。19、矩形波导的管壁电流的特点是：（1）、（2）、（3）。20、模式简并现象是指，主模也称基模，其定义是。单模波导是指；多模传输是。21、保证同轴线只传输TEM模的方法是、。22、耦合传输线是由构成的系统。包括和两种常用结构。23、分析和设计微波系统的有力工具是微波网络的和。24、建立在等效电压、等效电流和等效阻抗基础上的传输线称为。25、将由不均匀性引起的传输特性的变化归结为等效。26、均匀传输线中的许多分析方法均可用于的分析。27、任意具有两个端口的微波元件均可看做为。28、[Z]矩阵中的各个阻抗参数必须使用法测量；[Y]矩阵中的各参数必须用法测量；同一双端口网络的阻抗矩阵[Z]和导纳矩阵[Y]关系是。29、[S]矩阵的各参数是建立在端口接匹配负载基础上的或。也就是说散射矩阵的各个参数可以利用网络输入输出端口的参考面上接负载测得。互易网络是指；对称网络是指；无耗网络是指。30、微波元器件是指实现信号的、、、、、等功能的部件。31、微波元器件按其变换性质可分为线性互易元器件、线性非互易元器件和非线性元器件三大类。其中：线性互易元器件是指，它主要包括。线性非互易元器件主要是指元器件，它的散射矩阵，但仍工作在区域，主要包括等。非线性器件能引起的改变，从而实现、等，主要包括微波、、、、等。32、终端负载元件是典型的一端口互易元件，连接在传输系统的终端，是用来实现、或等功能的元件。主要包括三种负载、、和。33、阻抗匹配元器件是用于器件，它们的作用是为了、、。主要包括、以及。34、微波电路中有一种器件，在振荡器中作为振荡回路，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，实现上述功能的器件称为。35、常用的微波谐振器有谐振器、谐振器和谐振器等。36、实现微波谐振器总是通过一个或几个端口和外电路连接，把谐振器和外电路相连的部分叫或。37、铁氧体是一种色的陶瓷，它是微波技术中应用很广泛的的磁性物质。当微波频率的电磁波从不同的方向通过磁化铁氧体时，呈现一种性，且其导电损耗很（大或小）。利用这种效应，可以做成各种微波铁氧体元件。最常用的是和器件。

一、名词解释1、天线的互易定理2、非频变天线3、行波天线4、缝隙天线5、智能天线6、Smith园图7、电大尺寸8、S参数9、微波网络10、传输线理论二、简述题什么是微波？微波有什么特点？微波有哪些方面的应用？试解释一下长线的物理概念，说明以长线为基础的传输线理论的主要物理现象有哪些？一般是采用哪些物理量来描述？TEM、TE和TM波是如何定义的？什么是波导的截止性？分别说明矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微带线的主模是什么？列出波导激励方式并加以描述工作原理（至少3种）。从微带线、带状线的演变历程，分别说明他们二者的特性以及分析在高速与高频PCB上的应用、列出微波等效电路网络常用有5种等效电路的矩阵表示，并说明矩阵中的参数是如何测量得到的。微波网络基础中，如何将波导管等效成平行传输线的？微波网络分析的理论建立中，做了哪些假设？为什么最后都归结为S参数的分析与求解?1、什么是天线？天线工作的基本原理、功能、种类、结构，以及如何说明天线具有方向性？2、天线为什么可以等效为两个基本振子，又是如何等效的？3、天线近场与远场分别有什么特点？4、天线有哪些主要电参数，又分别是如何描述天线的电性能的？5、天线阵的作用是什么？设计天线阵要考虑哪些因素？6、改善鞭状天线的电性能的方式有哪些？又是如何实现的？7如何定义大环天线与小环天线？分别说明其优缺点及应用。8、微带天线特点、结构与应用，并说明影响微带天线特性参数的因数9、试论述传输线理论及其应用、阻抗匹配的形式与特点。10、论述Smith园图的特点、功能、以及应用。11、天线有哪些主要电参数，又分别是如何描述天线的电性能的？12、天线阵的作用是什么？设计天线阵要考虑哪些因素？13、改善鞭状天线的电性能的方式有哪些？又是如何实现的？14、微带天线特点、结构与应用，并说明影响微带天线特性参数的因数简答题：简述天线接收无线电波的物理过程？。为什么引向天线的有源振子常采用折合振子？。3、简述/4扼流套平衡—不平衡变换器的工作原理？4.简述轴向模螺旋天线产生圆极化辐射的工作原理。。5.对旋转抛物面天线的馈源有哪些基本要求？。6.简述平面等角螺旋天线的非频变原理。。7.分别简述两种智能天线的工作原理与特性。。1.在一均匀无耗传输线上传输频率为3GHz的信号，已知其特性阻抗Z0=100Ω，终端接Z1=75＋j100Ω的负载，试求：传输线上的驻波系数；离终端10cm处的反射系数和输入阻抗2.已知同轴线特征阻抗Z0=50Ω，信号波长λ=10cm，终端电压反射系数，用Smith圆图求（要求写清必要步骤并附上画的简图）：（1）终端负载阻抗ZL；（2）电压波腹和波节处的阻抗；（3）靠近终端第一个电压波腹及波节点距终端的距离。3.已知矩形波导的横截面尺寸为a×b=23mm×10mm，波导内填充空气，求：（1）工作频率为15GHz时，该波导中可以传输哪几种模式；（2）工作频率为10GHz时，主模式在该矩形波导中传输时对应的截止波长c、相移常数、波导波长g和相速度Vp。4.利用级联法求如下图所示的系统的总[ABCD]矩阵(即[A]矩阵)，推导出对应的[S]参数矩阵（请写出转换计算过程），并根据[S]参数矩阵的特性对此网络的对称性做出判断。利用D=的公式计算电基本振子的方向系数。设计一副工作频率为200-400MHz的对数周期天线，要求增益为9.5dB。已知在D9dB的条件下，=0.895,=0.165。3、均匀同相的矩形口径尺寸为a=8，b=6，利用书中图6-2-6，求出H面内的主瓣宽度20.5H,零功率点波瓣宽度20H以及第一副瓣位置和副瓣电平SLL(dB)。1、解：（1）终端反射系数为： 74.3°因此，驻波系数为：（2）已知信号频率为3GHz，则其波长为： 所以，离终端10cm处恰好等于离终端一个波长，根据的重复性，有： 74.3°Zin=Zl=75＋j100Ω2、解题思路：在Smith圆图中找出终端反射系数为：的点，对应的阻抗为终端归一化阻抗，由特性阻抗和信号波长即可计算出终端负载阻抗由终端反射系数园与实轴正方向和负方向有两个交点，对应的是电压的波腹点和波节点处的阻抗由终端顺时针转到波腹点的长度则为电压波腹点距终端的距离；转到波节点的长度则为电压波节点距终端的距离3、解：（1）工作频率为15GHz时，＝C/f=20mm，由，可得cTE10＝2a＝46cm，cTE20=a=23cm,cTE30=2a/3=15.3cm，cTE01=2b=20cm，cTE02=b=10cm，cTE11=cTM11=18.6cm，所以可传输TE10、TE20、TE01；（2）工作频率为10GHz时，＝C/f=30mmcTE10＝2a＝46mm;4、解：可将系统分成五个部分，其[ABCD]矩阵分别为：，，，，五个部分级联，因而总的[ABCD]矩阵为：观察[S]矩阵可见，和，所以网络满足对称性和互易性（3分）解：电基本振子的方向函数为F()=sin1分将上式带