1、1课程内容总结微波、天线与电波传播是无线电技术的重要组成部分，它们三者研究的对象和目的有所不同。本课程主要讨论了均匀传输理论，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，通天线级微波应用系统等内容，具体内容在下面作简要概括：一、均匀传输线理论微波传输线的三种类型：双导体传输线，波导，介质传输线1.1 均匀传输线方程及其解共有三个参量：1）均匀传输线方程 2) 传播常数 3) 相速 p 与波长 1.2 传输线阻抗与状态参量1.输入阻抗对无耗均匀传输线, 线上各点电压 U(z)、 电流 I(z)与终端电压 Ul、终端电流 Il 的关系如下：2.
2、反射系数定义传输线上任意一点 z 处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）之比为电压（或电流）反射系数, 即： )(_)(iuzIUz3.输入阻抗与反射系数的关系 U(z)=U+(z)+U-(z)=A1e j z1+ (z) I(z)=I+(z)+I-(z) = e j z1- (z)4.行驻波状态当微波传输线终端接任意复数阻抗负载时, 由信号源入射的电磁波功率一部分被终端负载吸收, 另一部分则被反射, 因此传输线上既有行波又有纯驻波, 构成混合波状态, 故称之为行驻波状态。 )sin(j)cos()(0110zZUIzU21.4 传输线的传输功率、 效率和损耗1.5 阻抗匹配分三种：负
3、载阻抗匹配，源阻抗匹配，共轭阻抗匹配。 1.6 史密斯圆图及其应用 传输线上任意一点的反射函数 (z)可表达为 ： 1inz1.7 同轴线的特性阻抗同轴线是一种典型的双导体传输系统, 它由内、 外同轴的两导体柱构成。二、规则金属波导2.1 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： 2c2c/1kk。2) 相速 p 与波导波长 g。电磁波在波导中传播, 其等相位面移动速率称为相速, 于是有： 2c2cp /1/1kkr。3) 波阻抗。定义即：tHEZ。 4) 传输功率: StSt SzttHZEdSaEPd|2d21)(Re1)(Re22.2 矩形波导1.矩形波导
4、中的场2.矩形波导尺寸选择原则2.3 圆形波导1. 圆波导中的场与矩形波导一样, 圆波导也只能传输 TE 和 TM 波型。2. 圆波导的传输特性33. 几种常用模式1) 主模 TE11 模 2) 圆对称 TM01 模 TM01 模是圆波导的第一个高次模 3) 低损耗的 TE01 模 TE01 模是圆波导的高次模式 2.4 波导的激励与耦合：1. 电激励 2. 磁激励 3. 电流激励三、微波集成传输线3.1 微带传输器共分三种： 1.微带线 2. 微带线 3. 耦合微带线3.2 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等；另一类是半开放介质波导，主要包
5、括 H 形波导、G形波导等。3.3 光纤分为单模光纤、多模光纤。光纤的基本参数：波长，相对折射率差，折射率分布因子光线的传输特性：光线的损耗，光纤的色散效应四、微波网络基础4.1 等效传输线：1.等效电压和等效电流 2.模式等效传输线4.2 单口网络1.单口网络的传输特性：反射系数为：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特性阻抗归一, 与此同时电压和电流也要归一。4.3 双端口网络的阻抗与转移矩阵在各种微波网络中, 双端口网络是最基本的, 任意具有两个端口的微波元件均可视之为双端口网络。4.4 线性无源双端口网络各端口上电压和电流之
6、间的关系。 1.阻抗矩阵与导纳矩阵 212IZU2.转移矩阵也称为A矩阵,它在研究网络级联特性时特别方便。1(2)()jzze43.散射参量与其它参量之间的相互转换4.5 多端口网络的散射矩阵：(1) 互易性质(2) 无耗性质(3) 对称性质五、微波元器件5.1 连接匹配元件：(1) 短路负载(2) 匹配负载(3) 失配负载2.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、转换接头。 3.阻抗匹配元件：(1) 螺钉调配器(2) 多阶梯阻抗变换器(3) 渐变型阻抗变换器5.2 功率分配元器件1.定向耦合器 1) 定向耦合器的性能指标：(1)耦合度(2)隔离度(3) 定向
7、度 (4) 输入驻波比(5)工作带宽 2)波导双孔定向耦合器3)双分支定向耦合器4)平行耦合微带定向耦合器 2.功率分配器：将一路微波功率按一定比例分成 n 路输出的功率元件称为功率分配器。在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一种功率分配元件。3.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, 它是微波功率分配器件的一种, 常用的波导分支器有 E 面 T 型分支、H 面 T 型分支和匹配双 T。 (1) E-T 分支(2)H-T 分支(3) 匹配双T5.3 微波谐振器件、微波铁氧体器件1)谐振式隔离器 2) 场移式隔离
8、器 3) 隔离器的性能指标环行器的散射参数应满足: 012313231S六、天线辐射与接收的基本理论6.1 基本振子的辐射5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，将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”, 可以大大简化计算工作。 6.2 天线的电参数1.天线方向图及其有关参数所谓天线方向图， 是指在离天线一定距离处, 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
9、最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。 2.天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比, 记为 A， 即1iPA3.增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数, 它是方向系数与天线效率的乘积, 记为 G, 即： G=D A4.极化和交叉极化电平：极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形,如果是直线, 就称为线极化;如果是圆就称为圆极化;如果是椭圆就称为椭圆极化。5.频带宽度(Frequency Band Width)天线的电参数都与频率有关, 也就是说, 上述电参数都是针对某一工作频率设
10、计的。当工作频率偏离设计频率时, 往往要引起天线各个参数的变化,6.输入阻抗与驻波比(Input Impedance and Standing Wave Ratio)要使天线辐射效率高, 就必须使天线与馈线良好地匹配, 也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,才能使天线获得最大功率7.有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。 6.4 接收天线主要考虑以下四个方面：天线接收的物理过程及收发互易性6有效接收面积等效噪声温度接收天线的方向性七、电波传播概论7.1 电波传播的基本概念1.无线电波在自由空间的传播2.传输媒质对电波传播的影响：(1) 传输损耗(2) 衰落现象(3)传输失真电7.2
11、视距传播1.视线距离： )(221vhar2. 大气对电波的衰减大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、 雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。 另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射。3.场分析在视距传播中, 除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外, 还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波， 如图 7-5 所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。7.3 天波传播1.电离层概况2.无线电波在电离层中的传播仿照电波在视距传播中的介绍方法, 可将电离层分成许多薄片层, 每一薄片层的电子密度是均匀的, 但彼此是不等的。 7.4 地面波传播垂直极化波
12、沿非理想导电地面传播时,当地面的电导率越小或电波频率越高, 电场纵向分量 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线电波中具有实用意义。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。 7.5 不均匀媒质的散射传播7八、线天线8.1 对称振子天线8.2 阵列天线：1.二元阵 2.均匀直线阵8.3 直立振子天线与水平振子天线：为保证水平振子天线在较宽的频带范围内最大辐射方向不发生偏移, 应选择振子的臂长 h0.
13、625, 以保证在与振子轴垂直的方向上始终有最大辐射, 8.4 引向天线与电视天：1）引向天线 2）多元引向天线 对总元数为 N 的多元引向天线, 分析方法与二元引向天线的分析方法相似。1)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。2)旋转场天线，设有两个电流大小相等 I1=I2、相位差 =90 的直线电流元, 在水平面内垂直放置8.5 移动通信基站天线1.移动通信基站天线的特点：天线应架设在很高的地方, 这就要求天线有足够的机
14、械强度和稳定性;天线应采用垂直极化;采用扇形天线; 如果是中心激励,采用全向天线;天线增益应尽可能的高;天线与馈线靓号匹配。2.移动通信基站天线：VHF 和 UHF 移动通信基站天线一般是由馈源和角形反射器两部分组成的,为了获得较高的增益, 馈源一般采用并馈共轴阵列和串馈共轴阵列两种形式。 8.6 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 L1.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
15、圆极化, 8其最大辐射方向沿轴线方向。 8.7 行波天线1.若天线终端接匹配负载, 则天线上电流为行波分布: I(z)=I0 e- jz 2.V 形天线和菱形天线8.8 宽频带天线：在许多场合中, 要求天线有很宽的工作频率范围。 按工程上的习惯用法, 若天线的阻抗、方向图等电特性在一倍频程（fmax/fmin=2） 或几倍频程范围内无明显变化 , 就可称为宽频带天线。8.9 缝隙天线：1.理想缝隙天线的辐射场 2.波导缝隙天线8.10 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
16、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。8.11 智能天线技术的主要优点有:具有较高的接收灵敏度 ;使空分多址系统（SDMA）成为可能 ;消除在上下链路中的干扰; 抑制多径衰落效应。九、微波应用系统 1.1 雷达系统：单脉冲雷达，相控阵雷达，合成孔径雷达。1.2 微波通信系统：微波中途转接方式：基带转接，中频转接，微波转接，SDH 数字微波系统。1.3 微波遥感系统，其关键是微波遥感器，包括微波辐射计，微波成像雷达。1.4 射频识别系统工作原理：微波比特应答器，电磁反向散射式应答器。9心得总结从上学期开始，我们
17、就学习了电磁波 ，虽然书本上的知识非常丰富，总结得也很精辟，但是，由于在大一、大二知识打得不是很牢固，再加上长时间没有复习，关于那些积分转换，求导等涉及高数、复变方面的知识，用起来总是很吃力，每次看到许老师在上面讲得津津有味，同学们在下面听得无精打采，心里有说不出的滋味。其实我们都想把这门功课学好，只是迫于知识掌握脱节，欠缺过多，造成心有余了力不足，在我们还没有回过神的时候， 微波技术与天线这门功课就结课了，就像上学期学的电磁波一样，总是让让我们感慨万千，总是让我们怅然若失，同时又无可奈何通过对微波技术与天线的学习，虽然没有真正领会到许老师课堂上所讲的真谛，但是灵活的教学方法也使我感触颇深。在
18、同学们因为难以理解而陷入迷茫的时候，许老师总是能够通过讲解一些当今热门的科学技术，把同学们及时地拉回来，而我就是这种灵活教学方法的最终受益者，我了解到了更多关于微波方面的知识，让我更加清楚地认识到微波技术在当今社会的重要性。对于这方面的知识，平时都接触过，但是并不是十分理解，通过许老师精彩的讲解和耐心的教导，是我对这些知识有了初步的了解，并产生了浓厚的学习兴趣！在学习本课程的同时，许老师还给我们增添了许多课外的知识，像各大运营商的承载网络、WIFI 热点、通信资格认证等。使我对课本上的知识与10实际生产应用联系起来，使知识得到更加充分的印证，是我不再像以往那样当个书呆子！通过对天线的学习，让我对生活中各种司空见惯的东西得到了更加深入地了解，同是，微波天线在实际生产中的应用，更是增添了我对她的学习兴趣，希望在今后的日子里，能够继续在许老师的带领下，学到更加有用并且有趣的科学文化知识，来提升自己的知识水平，拓展自己的知识面！为人类社会的发展，明天的进步增砖添瓦！再次感谢许老师的耐心阅读!
