微波技术基础思考题

绪论什么是微波，微波有什么特点，微波有那些应用第一章1. 传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。传输线方程是传输线理论中的基本方程。2. 均匀无耗传输线方程为其解为其参量为 ， ， ， 3. 终端接的不同性质的负载，均匀无耗传输线有三种工作状态： (1) 当 时，传输线工作于行波状态。线上只有入射波存在，电压电流振幅不变，相位沿传播方向滞后；沿线的阻抗均等于特性阻抗；电磁能量全部被负载吸收。 (2) 当 、 和 时，传输线工作于驻波状态。线上入射波和反射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍，波节为零；电压波腹点的阻抗为无限大，电压波节点的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗；没有电磁能量的传输，只有电磁能量的交换。 (3) 当 时，传输线工作于行驻波状态。行驻波的波腹小于两倍入射波，波节不为零；电压波腹点的阻抗为最大的纯电阻 ，电压波节点的阻抗为最小的纯电阻 ；电磁能量一部分被负载吸收，另一部分被负载反射回去。4. 表征传输线上参量有反射系数 ，驻波比 和输入阻抗间关系。它们之间的关系为5 阻抗圆图和导纳圆图是传输线进行阻抗计算和阻抗匹配的重要工具。这部分主要是搞清楚圆图的组成原理，通过练习加深理解。6.传输线阻抗匹配方法常用 阻抗变换器和分支匹配器(单分支、双分支和三分支)第二章 常用微波传输线1. 本章主要讨论了矩形波导、圆波导、同轴线、其中矩形波导、圆波导和同轴线易采用场解法来分析其场分布和传输特性，特别是矩形导波系统TE10模的传输特性，包括截止波数，截止波长，波导波长、波阻抗、相速度等的分析与求解2. 各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件3. 了解波导的激励与耦合方法第三章 微波集成传输线1. 了解微波集成传输线的特点及分类2. 掌握带状线、微带线中传输的模式及其场分布，了解它们的主要传输特性，了解微带线的色散特性及其衰减3. 掌握耦合微带线中传输的模式及其场分布，了解耦合微带线的分析方法；奇偶模分析方法，了解特性阻抗与耦合松紧的关系第四章 微波网络1. 微波系统包括均匀传输线和微波元件两大部分。均匀传输线可等效为平行双线；微波元件可等效为网络。然后利用微波网络理论，可对任何一个复杂微波系统进行研究。2. 根据网络外接传输线的路数，来定义微波网络端口的个数。微波网络按端口个数一般分为：二端口网络和多端口网络(如三端口网络、四端口网络等)。本章以二端口网络为重点，介绍了二端口网络的五种网络参量：阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参量和传输参量，以及基本电路单元的网络参量。3. 二端口网络参量的性质有可逆网络： ， ， ， 对称网络： ， ， ， ， 无耗网络： ， ， 4. 二端口微波网络的组合方式有：级联方式、串联方式和并联方式，可分别用转移矩阵、阻抗矩阵和导纳矩阵来分析；二端口网络参考面的移动对网络参量的影响，可利用转移矩阵和散射矩阵来分析。5. 微波元件的性能可用网络的工作特性参量来描述，网络的工作特性参量和网络参量之间有密切的关系，可以相互转换。其工作特性参量与网络参量的关系为：电压传输系数： 插入衰减： 插入相移： 输入驻波比： 6. 可逆无耗二端口网络的基本特性有：S参量只有三个独立参量，它们的相互关系为： ， ， ；若网络的一个端口匹配，另一个端口一定自动匹配，即若 (或 )，则 (或 )；若网络完全匹配，则网络一定完全传输，即若 ，则 。7. 利用微波网络的信号流图可以简化网络线性方程组的求解，从而分析网络的外特性参量。l 一般情况下，微波元、器件通常可用集中参数和分布参数元件组成的等效电路表示，或用它们的网络参数表示(一般讲，一个n端口元件可用一个n端口网络表示)。这些等效电路元件或网络在按电路拓扑连接组成电路时，其端点的连接点便形成节点。待定导纳矩阵法就是利用上述元件或网络的待定导纳矩阵建立整个电路导纳矩阵并借以分析电路的方法。l 3转移矩阵法是目前微波电路机辅分析中应用最广的一种方法，它非常适合二端口电路的分析。其步骤为：先建立电路中各元件的转移矩阵，然后根据电路中各元件的连接方式，利用矩阵运算法则，求出整个电路的转移矩阵，最后根据公式求出电路的各种外特性参数。l 散射矩阵法是微波电路机辅分析中特有的一种分析方法。由于在微波频段，保持恒定的功率输出和匹配终端条件相对比较容易，故微波网络参数的测量一般都测其S参数，因而基于S参数的散射矩阵法，在直接分析微波电路时显得非常便利。因此，散射矩阵法也是微波电路机辅分析中的一种重要方法。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：（1） 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，（2） 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.（3） 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：a) 传输线阻抗随位置d而变，分布于沿线各点，且与负载有关；b) 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；c) 无耗线的阻抗呈周期性变化，具有变换性和重复性。（4） 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：，（5） 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)=（6） 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（7） 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+jXL or ZL=RL-jXL。 4、史密斯圆图是求解均匀传输线有关 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0180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 、 、 三种。 10、微波谐振器是一种适用于300MHz3GHz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 。 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。 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。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 。13