微波技術(shù)與天線思考題1

PAGEPAGE2微波技術(shù)基礎(chǔ)思考題1、微波是一般指頻率從300M至3000GHz范圍內(nèi)的電磁波，其相應(yīng)的波長(zhǎng)從1m至0.1mm。從電子學(xué)和物理學(xué)的觀點(diǎn)看，微波有似光性、似聲性、穿透性、非電離性、信息性等重要特點(diǎn)。2、導(dǎo)行波的模式，簡(jiǎn)稱導(dǎo)模，是指能夠沿導(dǎo)行系統(tǒng)獨(dú)立存在的場(chǎng)型，其特點(diǎn)是：（1）在導(dǎo)行系統(tǒng)橫截面上的電磁波呈駐波分布，且是完全確定的。這一分布與頻率無(wú)關(guān)，并與橫截面在導(dǎo)行系統(tǒng)上的位置無(wú)關(guān)；（2）導(dǎo)模是離散的，具有離散譜；當(dāng)工作頻率一定時(shí)，每個(gè)導(dǎo)模具有唯一的傳播常數(shù)；（3）導(dǎo)模之間相互正交，彼此獨(dú)立，互不耦合；（4）具有截止特性，截止條件和截止波長(zhǎng)因?qū)邢到y(tǒng)和因模式而異。3、廣義地講，凡是能夠?qū)б姶挪ㄑ匾欢ǖ姆较騻鞑サ膶?dǎo)體、介質(zhì)或由它們組成的導(dǎo)波系統(tǒng)，都可以稱為傳輸線。若按傳輸線所導(dǎo)引的電磁波波形（或稱模、場(chǎng)結(jié)構(gòu)、場(chǎng)分布），可分為三種類型：（1）TEM波傳輸線，如平行雙導(dǎo)線、同軸線、帶狀線和微帶線，他們都是雙導(dǎo)線傳輸系統(tǒng)；（2）TE波和TM波傳輸線，如矩形、圓形、脊形和橢圓形波導(dǎo)等，他們是由金屬管構(gòu)成的，屬于單導(dǎo)體傳輸系統(tǒng)；（3）表面波傳輸系統(tǒng)，如介質(zhì)波導(dǎo)（光波導(dǎo)）、介質(zhì)鏡象線等，電磁波聚集在傳輸線內(nèi)部及其表面附近沿軸線方向傳播，一般是TE或TM波的疊加。對(duì)傳輸線的基本要求是：工作頻帶寬、功率容量大、工作穩(wěn)定性好、損耗小、易耦合、尺寸小和成本低。一般地，在米波或分米波段，可采用雙導(dǎo)線或同軸線；在厘米波段可采用空心金屬波導(dǎo)管及帶狀線和微帶線等；在毫米波段采用空心金屬波導(dǎo)管、介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)鏡像線和微帶線；在光頻波段采用光波導(dǎo)（光纖）。以上劃分主要是從減少損耗和結(jié)構(gòu)工藝等方面考慮。傳輸線理論主要包括兩方面的內(nèi)容：一是研究所傳輸波形的電磁波在傳輸線橫截面內(nèi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布規(guī)律（也稱場(chǎng)結(jié)構(gòu)、模、波型），稱橫向問題；二是研究電磁波沿傳輸線軸向的傳播特性和場(chǎng)的分布規(guī)律，稱為縱向問題。橫向問題要通過(guò)求解電磁場(chǎng)的邊值問題來(lái)解決；各類傳輸線的縱向問題卻有很多共同之處。在微波技術(shù)中，所討論的傳輸線都屬于長(zhǎng)線范圍，即以電刻度：為分界線。傳輸線上的電壓、電流解由三種不同的終接條件決定：終端條件、始端條件、信號(hào)源和負(fù)載條件。當(dāng)已知終端條件的解為：V(d)==V(d)++V(d)-I(d)==I(d)++I(d)-其中第一項(xiàng)為入射波，第二項(xiàng)為反射波；d為離終端的距離。當(dāng)已知始端條件的解為：V(z)==V(z)++V(z)-I(z)==I(z)++I(z)-其中第一項(xiàng)為入射波，第二項(xiàng)為反射波；z為離起始端的距離。傳輸線接不同負(fù)載阻抗時(shí)，沿傳輸線縱向看，有三種不同的工作狀態(tài)：行波、行駐波和純駐波。4、幾個(gè)重要的參數(shù)：波阻抗：導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)模的橫向電場(chǎng)和與這個(gè)電場(chǎng)有關(guān)的橫向磁場(chǎng)之比；介質(zhì)的固有波阻抗為，對(duì)于真空或空氣，特性阻抗：傳輸線上行波的電壓和電流之比，或入射波的電壓和入射波的電流之比，Z0=其表達(dá)式為Z0=,是一個(gè)復(fù)數(shù)；對(duì)于無(wú)耗線或低耗線：Z0==；其倒數(shù)為傳輸線的特性導(dǎo)納.輸入阻抗（分布參數(shù)阻抗）：傳輸線上任一點(diǎn)的阻抗Zin(d)定義為該點(diǎn)的電壓和電流之比,即Zin(d)=。具體表達(dá)式：Zin(d)=對(duì)于無(wú)耗線：Zin(d)=，傳輸線輸入阻抗的特點(diǎn)是：傳輸線阻抗隨位置d而變，分布于沿線各點(diǎn)，且與負(fù)載有關(guān)；傳輸線具有阻抗變換作用，ZL通過(guò)線段d變換成Zin(d)，或相反；無(wú)耗線的阻抗呈周期性變化，具有變換性和重復(fù)性。傳播常數(shù)：是描述導(dǎo)行波沿導(dǎo)行系統(tǒng)傳播過(guò)程中的衰減和相位變化的參數(shù)，一般為復(fù)數(shù)：對(duì)于無(wú)耗線：，對(duì)于低耗線：，反射系數(shù)：傳輸線上某點(diǎn)處的反射系數(shù)定義為該點(diǎn)的反射波電壓與該點(diǎn)的入射波電壓之比，即：，其表達(dá)式為：，其中：所以對(duì)于無(wú)耗線：；與阻抗的關(guān)系：；Zin(d)=Z0與歸一化阻抗的關(guān)系：zin(d)=駐波系數(shù)：傳輸線上相鄰的波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)的電壓之比，。與阻抗的關(guān)系：Zin(dmin)=；ZL=Z0無(wú)耗線在行波狀態(tài)的條件是：ZL=Z0,此時(shí)反射系數(shù)為零，駐波系數(shù)為1；工作在駐波狀態(tài)的條件是：ZL=0;ZL=∞;ZL=+jXL或-jXL；工作在行駐波狀態(tài)的條件是：ZL=RL+jXLorZL=RL-jXL。損耗正切、有效介電常數(shù)、填充系數(shù)？4、史密斯圓圖是求街均勻傳輸線有關(guān)和問題的一類曲線坐標(biāo)圖，圖上有兩組坐標(biāo)線，即歸一化阻抗或?qū)Ъ{的的等值線簇與反射系數(shù)的等值線簇，所有這些等值線都是圓或圓弧，故也稱阻抗圓圖或?qū)Ъ{圓圖。阻抗圓圖上的等值線分別標(biāo)有，而和，并沒有在圓圖上表示出來(lái)。導(dǎo)納圓圖可以通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)180°得到。阻抗圓圖的實(shí)軸左半部和右半部的刻度分別表示或和或。圓圖上的電刻度表示，圖上0~180°是表示。5、阻抗匹配是使微波電路或系統(tǒng)無(wú)反射運(yùn)載行波或盡量接近行波的技術(shù)措施，阻抗匹配主要包括三個(gè)方面的問題，它們是：（1）；（2）；（3）。6、帶狀線的結(jié)構(gòu)是。帶狀線可以看作是由演變而成的，它可以傳輸導(dǎo)波。7、微帶線可用光刻程序制作，是目前MIC中使用最多的一種平面型傳輸線，其結(jié)構(gòu)是：，微帶線可以看作是由演變而來(lái)的，其工作模式是波導(dǎo)模。8、導(dǎo)模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)是分析和研究波導(dǎo)問題、模式激勵(lì)、設(shè)計(jì)波導(dǎo)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，所謂場(chǎng)結(jié)構(gòu)是指。9、波導(dǎo)的激勵(lì)本質(zhì)是電磁波的輻射，是微波源在由波導(dǎo)內(nèi)壁所限定的有限空間輻射，其結(jié)果是要求在波導(dǎo)中獲得所需要的模式，激勵(lì)的一般方式有、、和四種。10、微波諧振器是一種適用于300MHz~3GHz或更高頻率的諧振元件，它是導(dǎo)體壁完全密閉的空腔，可以將電磁波場(chǎng)全部約束在空腔內(nèi)，同時(shí)其整個(gè)大面積的金屬表面又為電流提供通道。諧振腔具有固定的諧振頻率和很高的Q值（品質(zhì)因數(shù)）。諧振腔的多諧性是指。11、插入損耗Li=，它是表示。12、反射損耗LR=，它是表示。13、回波損耗Lr=，它是表示。14、四種典型實(shí)用匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法是：（1）、（2）、（3）、（4）。其中（1）是適用于的情況；（2）是適用于的情況；（3）可分為并聯(lián)和串聯(lián)；單支節(jié)與多支節(jié)，其中常用的是，因?yàn)樗械膬?yōu)點(diǎn)。15、有耗線與無(wú)耗線的主要區(qū)別在于線上的入射波和反射波的振幅要按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的大小取決于衰減常數(shù)α=αc+αd。衰減常數(shù)的常用計(jì)算方法有四種，它們是：（1）、（2）、（3）、（4）。16、無(wú)耗傳輸線的駐波狀態(tài)的特點(diǎn)是：（1）、（2）、（3）、（4）。17、無(wú)耗傳輸線的行波狀態(tài)的特點(diǎn)是：（1）、（2）、（3）。18、矩形波導(dǎo)的的主模是TE10模，導(dǎo)模傳輸條件是，其中截止頻率為，TE10模矩形波導(dǎo)的等效阻抗為，矩形波導(dǎo)保證只傳輸主模的條件是。19、矩形波導(dǎo)的管壁電流的特點(diǎn)是：（1）、（2）、（3）。20、模式簡(jiǎn)并現(xiàn)象是指，主模也稱基模，其定義是。單模波導(dǎo)是指；多模傳輸是。21、保證同軸線只傳輸TEM模的方法是、。22、耦合傳輸線是由構(gòu)成的系統(tǒng)。包括和兩種常用結(jié)構(gòu)。23、分析和設(shè)計(jì)微波系統(tǒng)的有力工具是微波網(wǎng)絡(luò)的和。24、建立在等效電壓、等效電流和等效阻抗基礎(chǔ)上的傳輸線稱為。25、將由不均勻性引起的傳輸特性的變化歸結(jié)為等效。26、均勻傳輸線中的許多分析方法均可用于的分析。27、任意具有兩個(gè)端口的微波元件均可看做為。28、[Z]矩陣中的各個(gè)阻抗參數(shù)必須使用法測(cè)量；[Y]矩陣中的各參數(shù)必須用法測(cè)量；同一雙端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣[Z]和導(dǎo)納矩陣[Y]關(guān)系是。29、[S]矩陣的各參數(shù)是建立在端口接匹配負(fù)載基礎(chǔ)上的或。也就是說(shuō)散射矩陣的各個(gè)參數(shù)可以利用網(wǎng)絡(luò)輸入輸出端口的參考面上接負(fù)載測(cè)得。互易網(wǎng)絡(luò)是指；對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)是指；無(wú)耗網(wǎng)絡(luò)是指。30、微波元器件是指實(shí)現(xiàn)信號(hào)的、、、、、等功能的部件。31、微波元器件按其變換性質(zhì)可分為線性互易元器件、線性非互易元器件和非線性元器件三大類。其中：線性互易元器件是指，它主要包括。線性非互易元器件主要是指元器件，它的散射矩陣，但仍工作在區(qū)域，主要包括等。非線性器件能引起的改變，從而實(shí)現(xiàn)、等，主要包括微波、、、、等。32、終端負(fù)載元件是典型的一端口互易元件，連接在傳輸系統(tǒng)的終端，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)、或等功能的元件。主要包括三種負(fù)載、、和。33、阻抗匹配元器件是用于器件，它們的作用是為了、、。主要包括、以及。34、微波電路中有一種器件，在振蕩器中作為振蕩回路，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，實(shí)現(xiàn)上述功能的器件稱為。35、常用的微波諧振器有諧振器、諧振器和諧振器等。36、實(shí)現(xiàn)微波諧振器總是通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)端口和外電路連接，把諧振器和外電路相連的部分叫或。37、鐵氧體是一種色的陶瓷，它是微波技術(shù)中應(yīng)用很廣泛的的磁性物質(zhì)。當(dāng)微波頻率的電磁波從不同的方向通過(guò)磁化鐵氧體時(shí)，呈現(xiàn)一種性，且其導(dǎo)電損耗很（大或?。?。利用這種效應(yīng)，可以做成各種微波鐵氧體元件。最常用的是和器件。

一、名詞解釋1、天線的互易定理2、非頻變天線3、行波天線4、縫隙天線5、智能天線6、Smith園圖7、電大尺寸8、S參數(shù)9、微波網(wǎng)絡(luò)10、傳輸線理論二、簡(jiǎn)述題什么是微波？微波有什么特點(diǎn)？微波有哪些方面的應(yīng)用？試解釋一下長(zhǎng)線的物理概念，說(shuō)明以長(zhǎng)線為基礎(chǔ)的傳輸線理論的主要物理現(xiàn)象有哪些？一般是采用哪些物理量來(lái)描述？TEM、TE和TM波是如何定義的？什么是波導(dǎo)的截止性？分別說(shuō)明矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、同軸線、帶狀線和微帶線的主模是什么？列出波導(dǎo)激勵(lì)方式并加以描述工作原理（至少3種）。從微帶線、帶狀線的演變歷程，分別說(shuō)明他們二者的特性以及分析在高速與高頻PCB上的應(yīng)用、列出微波等效電路網(wǎng)絡(luò)常用有5種等效電路的矩陣表示，并說(shuō)明矩陣中的參數(shù)是如何測(cè)量得到的。微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)中，如何將波導(dǎo)管等效成平行傳輸線的？微波網(wǎng)絡(luò)分析的理論建立中，做了哪些假設(shè)？為什么最后都?xì)w結(jié)為S參數(shù)的分析與求解?1、什么是天線？天線工作的基本原理、功能、種類、結(jié)構(gòu)，以及如何說(shuō)明天線具有方向性？2、天線為什么可以等效為兩個(gè)基本振子，又是如何等效的？3、天線近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)分別有什么特點(diǎn)？4、天線有哪些主要電參數(shù)，又分別是如何描述天線的電性能的？5、天線陣的作用是什么？設(shè)計(jì)天線陣要考慮哪些因素？6、改善鞭狀天線的電性能的方式有哪些？又是如何實(shí)現(xiàn)的？7如何定義大環(huán)天線與小環(huán)天線？分別說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用。8、微帶天線特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，并說(shuō)明影響微帶天線特性參數(shù)的因數(shù)9、試論述傳輸線理論及其應(yīng)用、阻抗匹配的形式與特點(diǎn)。10、論述Smith園圖的特點(diǎn)、功能、以及應(yīng)用。11、天線有哪些主要電參數(shù)，又分別是如何描述天線的電性能的？12、天線陣的作用是什么？設(shè)計(jì)天線陣要考慮哪些因素？13、改善鞭狀天線的電性能的方式有哪些？又是如何實(shí)現(xiàn)的？14、微帶天線特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，并說(shuō)明影響微帶天線特性參數(shù)的因數(shù)簡(jiǎn)答題：簡(jiǎn)述天線接收無(wú)線電波的物理過(guò)程？。為什么引向天線的有源振子常采用折合振子？。3、簡(jiǎn)述/4扼流套平衡—不平衡變換器的工作原理？4.簡(jiǎn)述軸向模螺旋天線產(chǎn)生圓極化輻射的工作原理。。5.對(duì)旋轉(zhuǎn)拋物面天線的饋源有哪些基本要求？。6.簡(jiǎn)述平面等角螺旋天線的非頻變?cè)怼！?.分別簡(jiǎn)述兩種智能天線的工作原理與特性。。1.在一均勻無(wú)耗傳輸線上傳輸頻率為3GHz的信號(hào)，已知其特性阻抗Z0=100Ω，終端接Z1=75＋j100Ω的負(fù)載，試求：傳輸線上的駐波系數(shù)；離終端10cm處的反射系數(shù)和輸入阻抗2.已知同軸線特征阻抗Z0=50Ω，信號(hào)波長(zhǎng)λ=10cm，終端電壓反射系數(shù)，用Smith圓圖求（要求寫清必要步驟并附上畫的簡(jiǎn)圖）：（1）終端負(fù)載阻抗ZL；（2）電壓波腹和波節(jié)處的阻抗；（3）靠近終端第一個(gè)電壓波腹及波節(jié)點(diǎn)距終端的距離。3.已知矩形波導(dǎo)的橫截面尺寸為a×b=23mm×10mm，波導(dǎo)內(nèi)填充空氣，求：（1）工作頻率為15GHz時(shí)，該波導(dǎo)中可以傳輸哪幾種模式；（2）工作頻率為10GHz時(shí)，主模式在該矩形波導(dǎo)中傳輸時(shí)對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)c、相移常數(shù)、波導(dǎo)波長(zhǎng)g和相速度Vp。4.利用級(jí)聯(lián)法求如下圖所示的系統(tǒng)的總[ABCD]矩陣(即[A]矩陣)，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的[S]參數(shù)矩陣（請(qǐng)寫出轉(zhuǎn)換計(jì)算過(guò)程），并根據(jù)[S]參數(shù)矩陣的特性對(duì)此網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性做出判斷。利用D=的公式計(jì)算電基本振子的方向系數(shù)。設(shè)計(jì)一副工作頻率為200-400MHz的對(duì)數(shù)周期天線，要求增益為9.5dB。已知在D9dB的條件下，=0.895,=0.165。3、均勻同相的矩形口徑尺寸為a=8，b=6，利用書中圖6-2-6，求出H面內(nèi)的主瓣寬度20.5H,零功率點(diǎn)波瓣寬度20H以及第一副瓣位置和副瓣電平SLL(dB)。1、解：（1）終端反射系數(shù)為： 74.3°因此，駐波系數(shù)為：（2）已知信號(hào)頻率為3GHz，則其波長(zhǎng)為： 所以，離終端10cm處恰好等于離終端一個(gè)波長(zhǎng)，根據(jù)的重復(fù)性，有： 74.3°Zin=Zl=75＋j100Ω2、解題思路：在Smith圓圖中找出終端反射系數(shù)為：的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的阻抗為終端歸一化阻抗，由特性阻抗和信號(hào)波長(zhǎng)即可計(jì)算出終端負(fù)載阻抗由終端反射系數(shù)園與實(shí)軸正方向和負(fù)方向有兩個(gè)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的是電壓的波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)處的阻抗由終端順時(shí)針轉(zhuǎn)到波腹點(diǎn)的長(zhǎng)度則為電壓波腹點(diǎn)距終端的距離；轉(zhuǎn)到波節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度則為電壓波節(jié)點(diǎn)距終端的距離3、解：（1）工作頻率為15GHz時(shí)，＝C/f=20mm，由，可得cTE10＝2a＝46cm，cTE20=a=23cm,cTE30=2a/3=15.3cm，cTE01=2b=20cm，cTE02=b=10cm，cTE11=cTM11=18.6cm，所以可傳輸TE10、TE20、TE01；（2）工作頻率為10GHz時(shí)，＝C/f=30mmcTE10＝2a＝46mm;4、解：可將系統(tǒng)分成五個(gè)部分，其[ABCD]矩陣分別為：，，，，五個(gè)部分級(jí)聯(lián)，因而總的[ABCD]矩陣為：觀察[S]矩陣可見，和，所以網(wǎng)絡(luò)滿足對(duì)稱性和互易性（3分）解：電基本振子的方向函數(shù)為F()=sin1分將上式帶