微波天線與技術(shù)課程報(bào)告匯總

1、微波天線與技術(shù)課程報(bào)告匯總微波技術(shù)與天線課程考察報(bào)告姓名：專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：許焱緒論1 微波技術(shù)是研究微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、變換、發(fā)射、接收和測(cè)量的一 門(mén)學(xué)科，它的基本理論是經(jīng)典的電磁場(chǎng)理論，研究電磁波沿傳輸線的傳播特性 有兩種分析方法。一種是“場(chǎng)”的分析方法，即從麥克斯韋方程出發(fā)，在特定 邊界條件下解電磁波動(dòng)方程，求得場(chǎng)量的時(shí)空變化規(guī)律，分析電磁波沿線的各 種傳輸特性；另一種是“路”的分析方法，即將傳輸線作為分布參數(shù)電路處理， 用克?；舴蚨山鬏斁€方程，求得線上電壓和電流的時(shí)空變化規(guī)律，分析 電壓和電流的各種傳輸特性。2微波的定義：把波長(zhǎng)從1m到0.1mm范圍內(nèi)的電磁波稱為微波。

2、微波波 段對(duì)應(yīng)的頻率范圍為：300MHz3000GHz在整個(gè)電磁波譜中，微波介于超短波 與紅外線之間，是頻率最高的無(wú)線電波，它的頻帶寬度比所有普通無(wú)線電波波 段總和寬1000倍。一般情況下，微波又可劃分為分米波、厘米波和毫米波和亞 毫米四個(gè)波段。無(wú)線電波視頻*身寸頻紫外線f(HZ?3101 1 1310 3103102 3105 31081 1 1 1 L l 1 1 1 1 1 1 l l 1 1(m)101010101$1d1003 微波具有如下主要特點(diǎn)：（1）似光性；（2）穿透性；（3）寬頻帶特性；（4） 熱效應(yīng)特性；（5）散射特性；（6）抗低頻干擾特性；（7）視距傳輸特性；（8） 分布

3、參數(shù)的不確定性；（9）電磁兼容和電磁環(huán)境污染。4. 微波技術(shù)的主要應(yīng)用：（1）在雷達(dá)上的應(yīng)用；（2）在通訊方面的應(yīng)用；（3） 在科學(xué)研究方面的應(yīng)用；（4）在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用；（5）微波能的應(yīng)用。目錄緒論 1目錄 2一、均勻傳輸線理論 3二、規(guī)則金屬波導(dǎo)4三、微波集成傳輸線5四、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)5五、微波元器件6六、天線輻射與接收的基本理論7七、電波傳播概論 8八、線天線9九、面天線 10十、微波應(yīng)用系統(tǒng)11心得體會(huì) 12本課程我們共學(xué)習(xí)了十章，主要學(xué)習(xí)了均勻傳輸線理論、規(guī)則金屬波導(dǎo)、 微波集成傳輸線、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、微波元器件、天線輻射與接收理論、電波傳 播概論、線天線、面天線、微波應(yīng)用系統(tǒng)。一、

4、 均勻傳輸線理論1.1均勻傳輸線方程及其解共有三個(gè)參量：1)均勻傳輸線方程2)傳播常數(shù)丫 3)相速u p與波長(zhǎng)入1.2傳輸線阻抗與狀態(tài)參量1. 輸入阻抗由上一節(jié)可知，對(duì)無(wú)耗均勻傳輸線，線上各點(diǎn)電壓U(z)、電流l(z)與終端電 壓Ul、終端電流II的關(guān)系如下：U (z) U1 cos( z) jhZoSin( z)U1I (z)11 cos( z) j sin( z)Zo2. 反射系數(shù)定義傳輸線上任意一點(diǎn)z處的反射波電壓(或電流)與入射波電壓(或電流) 之比為電壓(或電流)反射系數(shù)，3. 輸入阻抗與反射系數(shù)的關(guān)系 U(z)=U+(z)+U-(z)=A1e jB z 1 + rl(z)=l+(z

5、)+l-(z) = ej B z 1- r 1行波狀態(tài)U (z) U (z) A1ej z行波狀態(tài)下傳輸線上的電壓和電流：a jzl(z) I (z)子ej Z02. 純駐波狀態(tài)純駐波狀態(tài)就是全反射狀態(tài),也即終端反射系數(shù)|=1。在此狀態(tài)下,由式(1- 2- 10),負(fù)載阻抗必須滿足:13. 行駐波狀態(tài)當(dāng)微波傳輸線終端接任意復(fù)數(shù)阻抗負(fù)載時(shí)，由信號(hào)源入射的電磁波功率一部分被終端負(fù)載吸收，另一部分則被反射，因此傳輸線上既有行波又有純駐波構(gòu)成混合波狀態(tài)，故稱之為行駐波狀態(tài)1.4傳輸線的傳輸功率、效率和損耗1.5阻抗匹配1）分三種：負(fù)載阻抗匹配，源阻抗匹配，共軛阻抗匹配。1.6史密斯圓圖及其應(yīng)用1.7同

6、軸線的特性阻抗同軸線是一種典型的雙導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)，它由內(nèi)、外同軸的兩導(dǎo)體柱構(gòu)成。二、規(guī)則金屬波導(dǎo)2.1導(dǎo)波原理1. 規(guī)則金屬管內(nèi)電磁波2傳輸特性1）相移常數(shù)和截止波數(shù)：.k2 k： k . 1 k；/k2。2）相速u p與波導(dǎo)波長(zhǎng)入g。電磁波在波導(dǎo)中傳播，其等相位面移動(dòng)速率稱為相速，。3）波阻抗。定義即：ZEHt2.2矩形波導(dǎo)1. 矩形波導(dǎo)中的場(chǎng)2. 矩形波導(dǎo)尺寸選擇原則2.3 圓形波導(dǎo)1. 圓波導(dǎo)中的場(chǎng)與矩形波導(dǎo)一樣，圓波導(dǎo)也只能傳輸TE和TM波型。2. 圓波導(dǎo)的傳輸特性kmncTEm n1）截止波長(zhǎng)。akmncTM mna2）簡(jiǎn)并模。在圓波導(dǎo)中有兩種簡(jiǎn)并模，它們是E-H簡(jiǎn)并和極化簡(jiǎn)并。3.

7、幾種常用模式1）主模TE11模2）圓對(duì)稱TM01模 TM01模是圓波導(dǎo)的第一個(gè)高次模3）低損耗的TE01模TE01模是圓波導(dǎo)的高次模式2.4 波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合：1.電激勵(lì)2.磁激勵(lì)3.電流激勵(lì)2.5各類傳輸線內(nèi)傳輸?shù)闹髂＜捌浣刂共ㄩL(zhǎng)和單模傳輸條件列表如下:傳輸線類型主模截止波長(zhǎng)c單模傳輸條件矩形波導(dǎo)TEo模2aa< <2a,>2b圓波導(dǎo)TE11 模3.14R2.62 R< <3.41 R同軸線TEM模> /2( D+q、微波集成傳輸線1. 微波集成傳輸線的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、價(jià)格低廉、可靠性高、性能 優(yōu)越、功能的可復(fù)制性好。2. 集成微波傳輸系統(tǒng)分為四大類

8、：(1) 準(zhǔn)TEM波傳輸線，主要包括微帶傳輸線和共面波導(dǎo)等(2) 非TEM波傳輸線，主要包括槽線等。(3) 開(kāi)放式介質(zhì)波導(dǎo)傳輸線，主要包括介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像波導(dǎo)等(4) 半開(kāi)放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括 H形波導(dǎo)、G形波導(dǎo)等。w、3. 帶狀線：它由兩塊相距為b的接地板與中間寬度為 w厚度為t的矩形截 面導(dǎo)體構(gòu)成，接地板之間填充均勻介質(zhì)或空氣。接地板 *接地板4. 帶狀線和微帶線傳輸特性參量主要有：特性阻抗Zo、衰減常數(shù)a、相速g。Vp和波導(dǎo)波長(zhǎng)5. 介質(zhì)波導(dǎo)可以分為兩大類：一類是開(kāi)放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括圓形介質(zhì) 波導(dǎo)和介質(zhì)鏡像線等；另一類是半開(kāi)放式介質(zhì)波導(dǎo)，主要包括H形波導(dǎo)、G形波6. 光纖按組成材料可

9、分為石英玻璃光纖、多組分玻璃光線、朔料包層玻璃芯 光纖和全朔料光纖。按折射率分布形狀可分為階躍型光纖和漸變型光纖。按傳 輸模式可分為多模光纖和單模光纖。四、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)4.1 等效傳輸線1. 等效電壓和等效電流2.模式等效傳輸線4.2 單口網(wǎng)絡(luò)1. 單口網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性令參考面t處的電壓反射系數(shù)為r I,由均勻傳輸線理論可知，等效傳輸線 上任意點(diǎn)的反射系數(shù)為：| 1ej(12 z)2. 歸一化電壓和電流由于微波網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，因此在分析時(shí)通常采用歸一化阻抗，即將電路中各個(gè)阻抗用特性阻抗歸一，與此同時(shí)電壓和電流也要?dú)w一。4.3 雙端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗與轉(zhuǎn)移矩陣在各種微波網(wǎng)絡(luò)中，雙端口網(wǎng)絡(luò)是最基本的，任意具

10、有兩個(gè)端口的微波元 件均可視之為雙端口網(wǎng)絡(luò)。下面介紹線性無(wú)源雙端口網(wǎng)絡(luò)各端口上電壓和電流之間的關(guān)系。1.阻抗矩陣與導(dǎo)納矩陣U 1Z111 1乙 2 I 2U 2Z21 11Z22 I 22. 轉(zhuǎn)移矩陣轉(zhuǎn)移矩陣也稱為A矩陣，它在研究網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)特性時(shí)特別方便。4散射矩陣與傳輸矩陣1. 散射矩陣2.傳輸矩陣3.散射參量與其它參量之間的相互轉(zhuǎn)換4.S 參數(shù)測(cè)量4.5 多端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣(1)互易性質(zhì)(2)無(wú)耗性質(zhì)(3)對(duì)稱性質(zhì)五、微波元器件5.1 連接匹配元件(1)短路負(fù)載(2)匹配負(fù)載(3)失配負(fù)載2. 微波連接元件微波連接元件是二端口互易元件，主要包括：波導(dǎo)接頭、衰減器、相移器、 轉(zhuǎn)換接頭。3.

11、阻抗匹配元件(1) 螺釘調(diào)配器(2)多階梯阻抗變換器(3)漸變型阻抗變換器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標(biāo)(1)耦合度 隔離度(3)定向度(4)輸入駐波比 工作帶寬2) 波導(dǎo)雙孔定向耦合器3)雙分支定向耦合器4)平行耦合微帶定向耦合 器2. 功率分配器將一路微波功率按一定比例分成n路輸出的功率元件稱為功率分配器。按輸出功率比例不同，可分為等功率分配器和不等功率分配器。在結(jié)構(gòu)上，大功 率往往采用同軸線而中小功率常采用微帶線。(1) 兩路微帶功率分配器 端口 “”無(wú)反射； 端口 “、”輸出電壓相等且同相； 端口“、”輸出功率比值為任意指定值(2) 微帶環(huán)形電橋微帶環(huán)

12、形電橋是在波導(dǎo)環(huán)形電橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種功率分配元件。3. 波導(dǎo)分支器將微波能量從主波導(dǎo)中分路接出的元件稱為波導(dǎo)分支器，它是微波功率分 配器件的一種，常用的波導(dǎo)分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配雙To(1) E-T 分支 (2)H-T分支 (3)匹配雙T5. 3微波諧振器件在低頻電路中，諧振回路是一種基本元件，它是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián) 而成，在振蕩器中作為振蕩回路，用以控制振蕩器的頻率；在放大器中用作諧 振回路；在帶通或帶阻濾波器中作為選頻元件等。5.4 微波鐵氧體器件1. 隔離器1）諧振式隔離器2）場(chǎng)移式隔離器3）隔離器的性能指標(biāo)2. 鐵氧體環(huán)行器一個(gè)理想的環(huán)行器必須具備以下的條件

13、：輸入端口完全匹配，無(wú)反射；輸入 端口到輸出端口全通，無(wú)損耗；輸入端口與隔離器間無(wú)傳輸。于是環(huán)行器的散射參數(shù)應(yīng)滿足六、天線輻射與接收的基本理論6.1概論通信的目的是傳遞信息，根據(jù)傳遞信息的途徑不同，可將通信系統(tǒng)大致分 為兩大類:有線通信,無(wú)線通信。6.2 基本振子的輻射1. 電基本振子電基本振子是一段長(zhǎng)度I遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，電流I振幅均勻分布、 相位相同的 直線電流元，它是線天線的基本組成部分，任意線天線均可看成是由一系列電 基本振子構(gòu)成的。2. 磁基本振子的場(chǎng)引入這種假想的磁荷和磁流的概念，將一部分原來(lái)由電荷和電流產(chǎn)生的電 磁場(chǎng)用能夠產(chǎn)生同樣電磁場(chǎng)的磁荷和磁流來(lái)取代 ，即將“電源”換成等效“磁 源

14、”，可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算工作。6.3天線的電參數(shù)1. 天線方向圖及其有關(guān)參數(shù)所謂天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的曲線圖，通常采用通過(guò)天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂 直的平面方向圖來(lái)表示。2. 天線效率天線效率定義為天線輻射功率與輸入功率之比,記為n A,即PPi3. 增益系數(shù)增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積,記為G即： G=D- n A4. 極化和交叉極化電平極化特性是指天線在最大輻射方向上電場(chǎng)矢量的方向隨時(shí)間變化的規(guī)律。具體地說(shuō),就是在空間某一固定位置上，電場(chǎng)矢量的末端隨時(shí)間變化所描繪的圖 形,如果是直線，

15、就稱為線極化；如果是圓就稱為圓極化；如果是橢圓就稱為橢 圓極化。5. 頻帶寬度(Frequency Band Width)天線的電參數(shù)都與頻率有關(guān)，也就是說(shuō)，上述電參數(shù)都是針對(duì)某一工作頻 率設(shè)計(jì)的。當(dāng)工作頻率偏離設(shè)計(jì)頻率時(shí)，往往要引起天線各個(gè)參數(shù)的變化，6. 輸入阻抗與駐波比(Input Impedanee and Standing Wave Ratio)要使天線輻射效率高，就必須使天線與饋線良好地匹配，也就是天線的輸 入阻抗等于傳輸線的特性阻抗，才能使天線獲得最大功率7. 有效長(zhǎng)度有效長(zhǎng)度是衡量天線輻射能力的又一個(gè)重要指標(biāo)。6.4 接收天線理論接收天線主要考慮以下四個(gè)方面：1.天線接收的物理

16、過(guò)程及收發(fā)互易性 2. 有效接收面積3.等效噪聲溫度4.接收天線的方向性七、電波傳播概論7.1電波傳播的基本概念1. 無(wú)線電波在自由空間的傳播2. 傳輸媒質(zhì)對(duì)電波傳播的影響(1) 傳輸損耗(2)衰落現(xiàn)象(3)傳輸失真(4)電波傳播方向的變化7.2 視距傳播1. 視線距離：rv . 2aC hh2)2. 大氣對(duì)電波的衰減大氣對(duì)電波的衰減主要來(lái)自兩個(gè)方面。一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的熱吸收及水分子、氧分子對(duì)電波的諧振吸收。另一方面是云、霧、雨等小水滴對(duì)電波的散射。3. 場(chǎng)分析在視距傳播中，除了自發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的直射波外，還存在從 發(fā)射天線經(jīng)由地面反射到達(dá)接收天線的反射波，如圖7-5

17、所示。因此接收天線處的場(chǎng)是直射波與反射波的疊加。7.3 天波傳播1. 電離層概況2. 無(wú)線電波在電離層中的傳播仿照電波在視距傳播中的介紹方法，可將電離層分成許多薄片層，每一薄片層的電子密度是均勻的，但彼此是不等的。7.4 地面波傳播垂直極化波沿非理想導(dǎo)電地面?zhèn)鞑r(shí)，當(dāng)?shù)孛娴碾妼?dǎo)率越小或電波頻率 越高，電場(chǎng)縱向分量Ez1越大，說(shuō)明傳播損耗越大。地面波的波前傾斜現(xiàn)象 在接收地面上的無(wú)線電波中具有實(shí)用意義。在某些場(chǎng)合，由于受到條件的限制也可以采用低架水平天線接收。地面波由于地表面的電性能及地貌、地物等并不隨時(shí)間很快地變化，并且基本上不受氣候條件的影響，因此信號(hào)穩(wěn)定， 這是地面波傳播的突出優(yōu)點(diǎn)。7.5

18、 不均勻媒質(zhì)的散射傳播除了上述三種基本傳輸方式外，還有散射波傳播。八、線天線8.1 對(duì)稱振子天線8.2 陣列天線1. 二元陣2.均勻直線陣8.3 直立振子天線與水平振子天線1. 直立振子天線1）單極天線的輻射場(chǎng)及其方向圖2）有效高度3）提高單極天線效率的方 法2. 水平振子天線水平振子天線經(jīng)常應(yīng)用于短波通信、電視或其它無(wú)線電系統(tǒng)中，這主要是因?yàn)椋核秸褡犹炀€架設(shè)和饋電方便；地面電導(dǎo)率的變化對(duì)水平振子天線的影 響較直立天線小；工業(yè)干擾大多是垂直極化波，因此用水平振子天線可減小干 擾對(duì)接收的影響。2）水平振子天線尺寸的選擇為保證水平振子天線在較寬的頻帶范圍內(nèi)最大輻射方向不發(fā)生偏移，應(yīng)選擇振子的臂長(zhǎng)

19、h< 0.625入,以保證在與振子軸垂直的方向上始終有最大輻射,8.4引向天線與電視天1. 引向天線反2）多元引向天線對(duì)于總元數(shù)為N的多元引向天線，其分析方法與二元引向天線的分析方法 相似。2. 電視發(fā)射天線1）電視發(fā)射天線的特點(diǎn) 頻率范圍寬。 覆蓋面積大。 在以零輻射方向?yàn)橹行牡囊欢ǖ牧Ⅲw 角所對(duì)的區(qū)域，電視信號(hào)變得十分微弱。 我國(guó)的電視發(fā)射信號(hào)采用水平極 化。 為了擴(kuò)大服務(wù)范圍，發(fā)射天線必須架在高大建筑物的頂端或?qū)Ｓ玫碾娨?塔上。2)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)天線，設(shè)有兩個(gè)電流大小相等11=12、相位差Z =90°的直線電流元，在水平面內(nèi)垂直放置8.5 移動(dòng)通信基站天線1. 移動(dòng)通信基站天線的

20、特點(diǎn)天線應(yīng)架設(shè)在很高的地方，這就要求天線有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性；天 線應(yīng)采用垂直極化；采用扇形天線；如果是中心激勵(lì)，采用全向天線；天線增益 應(yīng)盡可能的高；天線與饋線應(yīng)良好地匹配。2. 移動(dòng)通信基站天線VHF和UHF移動(dòng)通信基站天線一般是由饋源和角形反射器兩部分組成的,為了獲得較高的增益，饋源一般采用并饋共軸陣列和串饋共軸陣列兩種形式。8.6 螺旋天線 螺旋天線的參數(shù)有：螺旋直徑d=2b;螺距h；圈數(shù)N;每圈的長(zhǎng)度c；螺距角;軸向長(zhǎng)度L。 1.法向模螺旋天線每一圈螺旋天線的輻射場(chǎng)為：E=a9 E9 +a© E©2. 軸向模螺旋天線當(dāng)d/入0.250.45時(shí),螺旋天線的一圈的

21、周長(zhǎng)接近一個(gè)波長(zhǎng),此時(shí)天線 上的電流呈行波分布，則天線的輻射場(chǎng)呈圓極化，其最大輻射方向沿軸線方 向。8.7 行波天線1. 行波單導(dǎo)線天線的方向圖若天線終端接匹配負(fù)載,則天線上電流為行波分布：I(z)=l0 e- j B z2. V形天線和菱形天線8.8寬頻帶天線在許多場(chǎng)合中，要求天線有很寬的工作頻率范圍。 按工程上的習(xí)慣用法， 若天線的阻抗、方向圖等電特性在一倍頻程(fmax/fmin=2 )或幾倍頻程范圍內(nèi) 無(wú)明顯變化，就可稱為寬頻帶天線。8.9縫隙天線1.理想縫隙天線的輻射場(chǎng)8.10微帶天線微帶天線的主要特點(diǎn)有：體積小、重量輕、低剖面，因此容易做到與高速飛 行器共形，且電性能多樣化（如雙頻微帶天線、圓極化天線等），尤其是容易和有源器件、微波電路集成為統(tǒng)一組件，因而適合大規(guī)模生產(chǎn)。在現(xiàn)代通信中 微帶天線廣泛地應(yīng)用于100MHz到50