微波技术与天线知识点复习.doc

微波 必考知识点 复习 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。（8） 损耗正切、有效介电常数、填充系数？损耗正切：电容器的有功功率P与无功功率Q的比值，tan=P/Q。有效介电常数：？填充系数：线芯绞合后，虽经紧压，单线间必定还有空隙。故引入填充系数，即线芯导体实际截面与线芯轮廓截面之比。对于圆形绞合线芯有： =Ai/D*D/4 其中Ai为每根单线的截面积，Ai为所有单线面积之和，D为绞合线芯外接圆直径。4、史密斯圆图是求街均匀传输线有关 阻抗匹配 和 功率匹配 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 实部和虚部 的等值线簇与反射系数的 幅和模角 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| 刻度和电压驻波比 ，而 特征参数 和 特征参数 ，并没有在圆图上表示出来。导纳圆图可以通过对 阻抗圆图 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 rmin 或 行波系数k 和 rmax 或 驻波比。圆图上的电刻度表示 电长度 ，图上0180是表示 反射系数的相位 。 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） 信号源共轭匹配 ；（2） 信号源匹配 ；（3） 负载匹配 。6、带状线的结构是 一为上下两块距离为b的接地板其间填充均匀介质；二为两块接地板间有一个宽度为w厚度为t的中心导体。带状线可以看作是由 同轴线 演变而成的，它可以传输 TEM 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： 由一个宽度为w，厚度为t的中心导带和下属接地板组成 ，微带线可以看作是由 双导线 演变而来的，其工作模式是 TE-TM 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 波导中电场和磁场的弱和强 ，常用电力线和磁力线的疏密表示 。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 电场激励 、 磁场激励 、 电流激励 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 对于一个特定尺寸的谐振腔可以对应无穷多个不同的谢振频率。14、四种典型实用匹配网络的设计方法是：（1） 集总元件L节匹配法 、（2） 4 阻抗调配法 、（3） 支节调配法 、（4） 渐变线匹配方法 。其中（1）是适用于 f1GHz 的情况；（2）是适用于 实负载阻抗与传输线匹配 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 并联支节调配法 ，因为它有 的优点。16、无耗传输线的驻波状态的特点是： 电压、电流的振幅是位置的函数，具有固定不变的波节点和波腹点，两相邻波节点之间距离为2。短路线终端是电压波节点、电流波腹面点：开路线终端是电压波腹点、电流波节点；接纯电感负载时，距负载第一个出现的是电压波腹点；接纯电容负载时，距负载第一个出现的是电压波节点。 沿线各点的电压和电流随时间和位置变化都有2相位差，故线上既不能传输能量也不消耗能量。 电压或电流波节点两侧各点相位相反。相邻两节点之间各点的相位相同。传输线的输入阻抗为纯电抗，且随频率和长度变化；当频率一定时，不同长度的驻波线可分别等效为电感、电容、串联谐振电路或并联谐振电路。17、无耗传输线的行波状态的特点是：a沿线电压和电流的振幅不变；b电压和电流沿线各点均同相，电压或电流的相位随z增加连续滞后；c沿线各点的阻抗均等于传输线的特性阻；18、矩形波导的的主模是TE10模，导模传输条件是工作波长小于某个模的截止波长，其中截止频率为fc，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在相当宽的频带内单模工作，而在此频带内其它模式都截止。19、矩形波导的管壁电流的特点是：（1）高频电流 （2）会在波导壁的内表面感应 （3）波在波导内传播。20、模式简并现象是指 对于相同的m和n，TMmn和TEmn模具有相同的截止波长，主模也称基模，其定义是 导行波中截止波长最长的导行模。单模波导是指在微波或可见光波段中以单模传输方式传输电磁波的装置；多模传输是光传输中，包含有两种或更多种不同类型的电磁波的传输。例如不同的频率或不同相位。21、保证同轴线只传输TEM模的方法是抑制高次TE、TM模其工作波长与同轴线尺寸的关系应满足 22、耦合传输线是由 耦合带状线和耦合微带线 构成的系统。包括对称 和 不对称 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 H参量 和 S参量 。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 等效传输线 。25、将由不均匀性引起的传输特性的变化归结为等效 微波网络 。26、均匀传输线中的许多分析方法均可用于 等效传输线 的分析。27、任意具有两个端口的微波元件均可看做为 双端口网络 。28、Z矩阵中的各个阻抗参数必须使用 开路 法测量；Y矩阵中的各参数必须用 短路 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 电压传输系数 或 电压反射系数。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 匹配 负载测得。互易网络是指 器件内部不包括各向异性介质，其等效网络可逆 ；对称网络是指 相对于某对称面，从该器件等效网络的不同端口有相同结构 ；无耗网络是指 器件内部为理想介质，本身无有功损耗 。30、微波元器件是指实现信号的 产生 、 变换 、 滤波、匹配、控制、分配等功能的部件。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 只对微波信号进行线性变换而不改变频率特性，并满足互易定理 ，它主要包括 各种微波连接匹配元件、功率分配元器件、微波滤波器件及微波谐振器件等 。线性非互易元器件主要是指 铁氧体 元器件，它的散射矩阵 不对称 ，但仍工作在 线性 区域，主要包括 隔离器、环形器 等。非线性器件能引起 频率的改变，从而实现 放大 、调制、 变频 等，主要包括微波 电子管 、 微波晶体管、 微波固态谐振器 、 微波场效应管 、 微波电真空器件 等。33、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的 器件，它们的作用是为了消除反射，提高传输效率，改善系统稳定性。主要包括 螺钉调配器 、 多阶梯阻抗变换器 以及 渐变型变换器 。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 微波谐振器 。35、常用的微波谐振器有 同轴线 谐振器、 微带线 谐振器和 介质 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 激励装置 或 耦合装置 。二、简述题 注：填空题中有两个简述题1、 什么是微波？微波有什么特点？微波有哪些方面的应用？答：“微波”是波长极短，频率极高，介于无线电波和红外辐射之间的电磁波；微波的特点：（1）似光性（2）高频特性（3）穿透性（4）信息性（5）热效应特性（6）抗低频干扰性；微波技术的主要应用：1) 在雷达上的应用、2) 在通讯方面的应用、3) 在科学研究方面的应用、4) 在生物医学方面的应用、5) 微波能的应用2、 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？答：长线是指传输线的几何长度与工作波长相比拟的的传输线；以长线为基础的物理现象：传输线的反射和衰落；主要描述的物理量有：输入阻抗、反射系数、传输系数、和驻波系数。3、 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？答：1. TE波，TM波，TEM波是属于电磁波的三种模式。TE波指电矢量与传播方向垂直，或者说传播方向上没有电矢量。TM波是指磁矢量与传播方向垂直。TEM波指电矢量于磁矢量都与传播方向垂直；2.Kc是与波导横截面尺寸、形状及传输模式有关的一个参量，当相移常数=0时，意味导波系统不再传播，亦称为截止, 此时Kc =K, 故将Kc 称为截止波数3.TEM模或准TEM模波导：同轴线，主模TEM模； 色散模式（TE/TM）波导：矩形波导，主模TE10模；圆波导，主模TE11模； 混合模开放式介质波导：光纤，主模HE11 带状线主膜、TEM模和微带线主模：准TEM模4、 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。答：（1）.微带线是一根带状导(信号线)与地平面之间用一种电介质隔离开。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。（2）.带状线是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的.（3）.单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关（4）微带线速度块，抗干扰能力弱，带状线速度慢些，抗干扰能力强些（5）因为微带线一面是FR4（或者其他电介质）一面是空气（介电常数低）因此速度很快，利于走对速度要求高的信号（例如差分线，通常为高速信号，同时抗干扰比较强）（6）带状线两边都有电源或者地层，因此阻抗容易控制，同时屏蔽较好，但是信号速度慢些。（7）.通常同样的介质条件微带线的损耗小（线宽），带状线的损耗大（线细，有过孔）。5、 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？答：（1）阻抗参量当端口开路时，I20，网络阻抗参量方程变为：当端口开路时， I10，网络阻抗参量方程变为：（2）导纳参量当端口短路时，U20，网络导纳参量方程变为：当端口短路时，U10，网络导纳参量方程变为：（3）转移参量当端口开路时，I20，网络转移参量方程变为：当端口短路时，U20，网络转移参量方程变为：A11：端口开路时，端口到端口电压传输系数的倒数； A21：端口开路时，端口与端口之间的转移导纳； A22：端口短路时，端口到端口电流传输系数的倒数； A12：端口短路时，端口与端口之间的转移阻抗。（4）散射矩阵当端口接匹配负载时，a20，网络散射参量方程变为：当端口接匹配负载时，a10，网络散射参量方程变为：S参量各参数的物理意义为： S11：端口接匹配负载时，端口的反射系数； S21：端口接匹配负载时，端口到端口波的传输系数； S22：端口接匹配负载时，端口的反射系数；S12：端口接匹配负载时，端口与端口波的传输系数。（5）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:6.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?答：在微波网络分析中，微波网络是传输系统中的不均匀区域的等效电路，就是说 当用微波网络法研究传输系统时，可以把每个不均匀区（微波元件）看成一个网络，对其外特性可用一组网络参量表示；把均匀传输系统也可看成一个网络（波导等效为长线），其网络参量由传输参量和长度决定。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，且惟有s矩阵中各参量在微波段中有明确的物理意义，并且可以直接测量，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。附录：传说中可能的价值十分的画图题18