微波原理与技术总结.pdf

一：微波技术知识要点综述： 主要介绍了微波的波段、 特点及其应用， 在科技迅猛发展的今天， 我们要关 注最新发展动态， 真正做到学以致用， 拓展自己的知识面， 为后续课程打好基础。 核心是在对导行波的分类的基础上推导了导行系统传播满足的微波的波段分类、 特点与应用（ TE、TM 、TEM ）和基本求解方法，给出了导行系统、导行波、导波 场满足的方程；本征值 - 纵向场法、非本征值 - 标量位函数法（ TEM ） 。 1微波的定义把波长从 1 米到 1 毫米范围内的电磁波称为微波。 在整个电磁 波谱中，微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波， 一般情 况下，微波又可划分为分米波、厘米波和毫米波三个波段。 2微波具有如下四个主要特点：1) 似光性、2) 频率高、3) 能穿透电离层、 4) 量子特性。 3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。 4微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学 科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种 分析方法。一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件 下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律， 分析电磁波沿线的各种传输特性； 另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定 律建立传输线方程， 求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各 种传输特性。 二：传输线理论知识要点： 本章主要研究了均匀传输线的一般理论传输线的计算方法等问题。传输线理 论本质上属于以为分布参数电路理论。传输线即可以作为传输媒介，也可以用 来制作各种类型的器件，如谐振电路、滤波器、阻抗匹配电路、脉冲形成网络等 等，求解本章问题可以采用前半部分的理论推导方式，也可采用本章后半部分介 绍的圆图方法，简便的得出问题的答案。 关键概念： 传输线、基本方程、传波常数、分布参数阻抗、反射系数、驻波 系数、无耗工作状态 （特例） 、有耗工作状态、 电压驻波比、 史密斯圆图（工具） 、 阻抗匹配 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 d U z dz U z d I z dz I z 2 2 2 2 2 2 0 0 其解为 U zA eA e I z Z A eA e jzjz jzjz 12 0 12 1 其参量为 Z L C 0 0 0 ， 2 p ， v v p r 0 ， p r 0 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 ZZ L0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 ZL0 、和 jX 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 ZRjX LLL 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 RZ max0 ，电压 波节点的阻抗为最小的纯电阻 RZ min0 ；电磁能量一部分被负载吸收，另一 部分被负载反射回去。 4.表征传输线上反射波的大小的参量有反射系数，驻波比和行波系数K。它们 之间的关系为 1 1 1K 其数值大小和工作状态的关系如下表所示。 工作状态行波驻波行驻波 0 1 01 1 1 K 1 0 01K 5.传输线阻抗匹配方法常用 4 阻抗变换器和分支匹配器(单分支、双分支和三 分支) 。 三：规则金属波导知识要点： 本章以矩形金属波导的求解为引线，探讨了场解的基本规律， 介绍了相关的 公式及概念。随后给出了圆形波导、同轴线等结构，进行了类比讨论，最后探讨 了波导中激励模式的产生及分析基础。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。 关键概念： 规则波导、矩形波导、圆形波导、同轴线、TE模、TM模、传输与 截止、主模、波导正规模、波导的激励 1. 微波传输线是引导电磁波沿一定方向传输的系统，故又称作导波系统。 被传输 的电磁波又称作导行波。 导行波一方面要满足麦克斯韦方程，另一方面又要满足 导体或介质的边界条件； 也就是说，麦克斯韦方程和边界条件决定了导行波在导 波系统中的电磁场分布规律和传播特性。 2. 导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为TE波、TM波和 TEM波三种 类型。前两种是色散波，一般只在金属波导管中传输；后一种是非色散波，一般 在双导体系统中传输。只有当电磁波的波长或频率满足条件 c 或 ffc 时， 才能在导波系统中传输，否则被截止。 3. 导波系统中场结构必须满足下列规则：电力线一定与磁力线相互垂直， 两者与 传播方向满足右手螺旋法则； 在导波系统的金属壁上只有电场的法向分量和磁场 的切向分量；电力线一定是封闭曲线。 各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件列表如下： 传输线类型主模截止波长c 单模传输条件 矩形波导TE10模2a a2b 圆波导TE11模3.14R 2.62R /2(D+d) 四：微波谐振腔知识要点： 本章主要研究了常用 微波谐振腔的特性以及其设计方法，包括传输线形谐振 器、金属波导谐振腔等内容 关键概念：谐振模式、谐振频率、品质因素、复谐振系数、阻尼引资、传输 线谐振器、波导谐振腔、耦合系数、谐振腔的围绕。 核心内容有：微波谐振器概述，微波谐振器的基本特性与参数，集总串联/ 并联 RLC谐振电路的基本特性，论微波谐振器的激励与谐振腔的微扰。 1.定向耦合器是一个四端口的网络元件，它具有定向传输的特点。它的主要指 标是耦合度和隔离度 ( 或方向性 ) 。定向耦合器的种类很多， 本章仅讨论了波导双 孔耦合的定向耦合器， 平行耦合线定向耦合器， 分支定向耦合器。 对于波导孔耦 合的定向耦合器一般采用耦合波理论进行分析；对于后几种定向耦合器， 由于它 们结构上都具有对称平面， 故易采用奇、 偶模参量法进行分析。 无论是哪一种定 向耦合器， 至少有两种以上的耦合波相互干涉，才能产生定向性。 参加干涉的耦 合波个数愈多愈能改善定向耦合器定向性的频率特性，从而增宽频带。 另外还介 绍了两种常用微波元件：微带功分器和波导匹配双T ( 魔 T)，它们也可看成是一 类定向耦合器。 2.微波谐振器是一种储能和选频元件，其作用相当于低频电路中的谐振回路。 主要讨论了谐振器的分析方法、基本参量、基本特性及其等效电路。 3.微波谐振器与低频集中参数LC谐振回路的外特性是相同的，因此可以用等 效电路来分析，尤其带有耦合装置的谐振器更适宜用等效电路法进行分析。 4.对于传输线型谐振器的场分布的分析，采用使原有传输线的场分布满足两端 面的边界条件， 即可得到由该传输线组成的谐振器中的场分布。谐振器中的场分 布是呈驻波分布的。 5.各种形式传输线，只要满足谐振条件都可用来构成谐振器。对于由两端短路 或开路的传输线构成的谐振器，其谐振条件为l = n0/2 ；对于由一端短路，另 一端开路的传输线构成的谐振器，其谐振条件为l = (2n-1)0/4 ；对于由一端 短路，另一端为容性电纳负载的传输线构成的谐振器，其谐振条件为 lZC 000 2arcctg 。式中为构成谐振器的传输线中电磁波的相波长。 6.矩形谐振腔中的主模为TE101 。 圆柱谐振腔中，当 l2.1R 时， 主模为 TE111 。 同轴谐振腔中主模为TEM 模。圆柱谐振腔中 TE011 谐振模具有很高的Q值，可用作自动频率微调的标准腔、高频率稳定度的谐振腔 和高精度波长计的工作模式。 7.有耦合的谐振腔用场解法难以得到工程设计所需结果，故常采用网络分析方 法，即将有耦合的谐振腔分成耦合结构和谐振腔两个部分，然后分别找出它们各 自的等效电路。 8.场移效应：在矩形波导中的圆极化波位置，放入合适的横向磁化强度的铁氧 体后，则原有矩形波导中TE10模的场结构会发生位移，这种效应称为场移效应。 利用此特性做成的隔离器称为场移式隔离器。 9.隔离器是一种铁氧体的非互易元件，它是单向传输元件，即对正向波可以无 衰减地通过，而对反向波产生很大的衰减。这种元件在微波系统中有广泛应用。 五：微波网络基础知识要点： 本章主要研究微波电路的等效电路方法，即微波网络方法。这种方法将微 波集成电路的各端口等效为一对双绞线系统( 分布参数 ) ， 将不连续性等效为集中 参数，由此可以得到完整的等效微波网络电路，随后探讨了不同类型的矩阵表示 方法及其转换技术。 关键概念： 微波网络、阻抗矩阵、导纳矩阵、散射矩阵、幺正性、ABCD 矩 阵、传输线散射矩阵。 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： ZZ 1221，Y Y 1221， A AAA 11221221 1 SS 1221，T T T T 11221221 1 对称网络： ZZ 1122 ， YY 1122， AA 1122 ， SS 1122，T T 1221 无耗网络： ZjX ijij ， YjB ijiji j, 12 ， * SS T 1 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.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： SS 1122 ， SS 1211 2 1 ， 121122 1 2 ；若网络的一个 端口匹配，另一个端口一定自动匹配，即若 S110 ( 或 S220) ，则S220 (或 S110 ) ；若网络完全匹配，则网络一定完全传输，即若 SS 1122 0 ，则 SS 1221 1。 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。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。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。 六：微波测量知识要点： 本章主要介绍了微波测量方面的基本理论、概念、方法与技能。研究电磁场 与微波技术学科中常用参数的测量方法。网络特性参数主要是： 单口网络的驻波 比，输入阻抗和反射系数； 双口网络的插入驻波比、 阻抗(或导纳 ) 和散射等网络 参数及其相互转换， 以及网络特性的分项测量衰减和相位移。信号特性参数 主要是微波功率、 频率与波长。 学会测量这些参数的测量系统的组成、测量方法 的原理和适用场合、误差来源，及某些测量方法的误差分析。 关键概念： 测量系统、测试参量、微波波长与频率、相移、衰减、驻波系数。 要求掌握测量线法测量驻波比时所用各种测量方法的原理和适用场合，及测 量线法测量输入阻抗、 反射系数与 3 点法测量网络参数的原理。 了解测量线的近 期发展情况及与微机结合的动态。 了解测量线的误差来源。 基本反射计测量 r 的工作原理及其误差分析、调配反射计工作原理及其调配不完善的误差分析方 法。 1：波长测量与频率测量是等价的。波长测量是长度测量，用波长计。波长计的 连接方式有通过式和吸收式。 频率测量是时间测量， 用微波数字式频率计。 振幅 与功率有关，测量方法如下表： 表 6.1 功率测量 测量方法测量功率范围优缺点 热量计法大功率： P10W 量程大，误差小，频带宽，能在极短波长上 使用。但结构复查，笨重，测量不方便。 热电偶法中小功率： 1WP300mW 频带宽，灵敏度和稳定性好， 使用方便， 但 过荷力差。 热敏电阻法小功率：几十微瓦 到 10mW 。 电路简单，测量方便，但测量误差较大。 2：相移测量法： 表 6.2 相移测量 测量法应用特点 传输波法根据传输系数的辐角改变量来测量相移。测试步骤简单，误差小， 可用于大功率测量，可测有损元件。 桥路法需要精密可变相移器作标准。测试装备较复杂，测量误差小。 3：衰减测量的方法与应用： 表 6.3 衰减测量 测量方法应用情况 功率比法通过测量功率比来测定衰减量。适用于中等衰减量的测量 代替法有高频代替法，中频代替法。需要精密衰减器作标准。 桥路法需要精密衰减器作标准。 4：驻波系数的测量： 驻波测量是微波基本测量之一。驻波测量的任务在于测定驻波分布，驻波最 大点和最小点的振幅以确定驻波系数，测量最小点的位置确定波导波长。驻波最 小点用交叉读书法确定。波导波长为相邻两个最小点的距离的2 倍。