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第一章引论微波是指频率从300到3000范围内的电磁波,相应的波长从1m到
0.E包括分米波(300到3000)、厘米波(3G到30G)、毫米波(30G到300G)和亚毫米波(300G到3000G)o微波这段电磁谱具有以下重要特点似光性和似声性、穿透性、信息性和非电离性微波的传统应用是雷达和通信这是作为信息载体的应用微波具有频率高、频带宽和信息量大等特点强功率一微波加热弱功率一各种电量和非电量的测量导行系统用以约束或者引导电磁波能量定向传输的结构导行系统的种类可以按传输的导行波划分为
(1)(,横电磁波)或准传输线
(2)封闭金属波导(矩形或圆形,甚至椭圆或加脊波导)
(3)表面波波导(或称开波导)导行波沿导行系统定向传输的电磁波,简称导波微带、带状线,同轴线传输的导行波的电磁能量约束或限制在导体之间沿轴向传播是横电磁波()或准波即电场或磁场沿即传播方向具有纵向电磁场重量开波导将电磁能量约束在波导结构的四周(波导内和波导表面旁边)沿轴向传播,其导波为表面波导模()即导波的模式,又称为传输模或正规模,是能够沿导行系统独立存在的场型特点:主要指标要求是接触损耗小、驻波比大、功率容量大、工作频带宽衰减与相移元件分别是用来变更导行系统中电磁场强的幅度和相位,衰减器和相移器联合运用,可以调整导行系统中电磁波的传播常熟三端口网络的性质I)无耗互易三端□网络不行能完全匹配2)随意完全匹配的无耗三端口网络必定非互易,且为一环形器3)无耗互易三端□网络的随意两个端口可以实现匹配4)若三端□网络允许有耗,则网络可以是互易的和完全匹配的,且有耗的三端口网络可做到其输出端口之间隔离无耗互易四端口网络的基本性质1).无耗互易四端□网络可以完全匹配,且为一志向定向耦合器2)有志向定向性的无耗互易四端口网络不肯定四个端口均匹配,即四个端口匹配是定向耦合器的充分条件,而非必要条件3)有二个端口匹配且相互隔离的无耗互易四端口电路必定为一志向定向耦合器,且其余两个端口亦匹配并且隔离1在导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布,且是完全确定的,与频率以与导行系统上横截面的位置无关2模是离散的,当工作频率肯定时,每个导模具有唯一的传播常数3导模之间相互正交,互不耦合4具有截止频率,截止频率和截止波长因导行系统和模式而异无纵向磁场的导波即只有横向截面有磁场重量,称为横磁波或E波无纵向电场的导波即只有横向截面有电场重量,称为横电波或H波波的电场和磁场均分布在与导波传播方向垂直的横截面内其次章传输线理论传输线是以模为导模的方式传递电磁能量或信号的导行系统,其特点是横向尺寸远小于其电磁波的工作波长集总参数电路和分布参数电路的分界线几何尺寸工作波长>1/20这些量沿传输线分布,其影响在传输线的每一点,因此称为分布参数传播常熟是描述导行系统传播过程中的衰减和相位变更的参数传输线上的电压和电流是由从源到负载的入射波和反射波的电压以与电流置加,在传输线上呈行驻波混合分布特性阻抗传输线上入射波的电压和入射波电流之比,或反射波电压和反射波电流之比的负值,定义为传输线的特性阻抗传输线上的电压和电流确定的传输线阻抗是分布参数阻抗分布参数阻抗传输线上随意一点的阻抗输入阻抗定义为该点的电压和电流之比对于无耗传输线而言,传输线上随意一点的输入阻抗与传输线上的位置d和负载的阻抗有关从输入阻抗公式可以知道1传输线的输入阻抗随位置d变更,且和负载的阻抗有关2传输线具有阻抗变换作用,从公式可以看出阻抗从负载阻抗变换到d3因为正切三角函数具有周期性,传输线的输入阻抗呈周期性变更4/4阻抗变换特性d=2/4Z/+jZotgg2/4Zm=%oZ+jZjg*2/44/2阻抗的周期特性d=4/224子2/2ZL+Zm=-=Z1Z0+jZ/g2/2A无耗传输线的电压反射系数随着位置的不同,其模的大小不变,只是相位以沿顺时针向信号源变更有耗传输线的电压反射系数随着位置的不同,其模的大小变更,相位以-沿顺时针向信号源变更对于负载阻抗=Z0的状况,反射系数为0,将无反射的状况称为行波状态;行波状态下的特点1沿线各点的电压、电流振幅不变2电压和电流同相3沿线各点的输入阻抗均等于传输线的特性阻抗对于全反射的状况即反射系数的模为1的状况,称为驻波状态负载短路、终端开路和终端接纯电感或纯电容负载无耗线驻波状态的特点
(1)电压丫、电流1的振幅是位置的函数,波节和波腹固定,两相邻波节点之间距离为入/2短路线终端电压波节点、电流波腹点;开路线终端电压波腹点、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
(2)沿线各点的V」随时间和位置d变化都有专相位差,故线上既不能传输能量也不能消耗能量
(3)V4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
(4)传输线的输入阻抗为纯电抗,旦随频率和长度变化;当频率一定时,不同长度的驻波线可分别电感、电容,串联谐振电路或并联谐振电路实际的传输线构成的电路,反射系数<1,因此电磁波既有传输又有反射,称其为行驻波状态实际应用的传输线都存在肯定的损耗,包括道题损耗、介质损耗和辐射损耗损耗的主要影响是导致导波的振幅(能量)衰减;其次由于损耗的存在导致传输线的相位常数和频率相关,从而使得传播速度与频率有关,即色散效应阻抗匹配的目的使微波电路或系统无反射,尽量接近行波重要性a)匹配可以使得传输给传输线和负载的功率最大,且馈线的功率损耗最小b)避开失配时可能导致的功率击穿c)减小失配对信号源的频率牵引,使信号源稳定工作第三章规则金属波导金属波导只有一个导体,故不能传输波,只有和两种模式存在多种模式,并存在严峻的色散现象广泛应用高功率、毫米波、精密测试设备测速、测向仪器为随意振幅常数,为波型指数,每个的组合对应一个基本波函数导模在矩形波导横截面上的场呈驻波分布,且在每个横截面上的场分布是完全确定的,横截面上场的分布与频率、以与在导行系统上的位置无关;整个导模以完整的场结构沿轴向Z方向传播当波导中传输微波信号的时候,在技术波导内壁表面上将产生感应电流,称为管壁电流高频工作状态,由于趋肤效应将使管壁电流集中在很薄的波导内壁表面流淌,由于趋肤深度很小,可以将管壁电流视为面电流管壁电流的大小和方向由管壁旁边的切向磁场和波导壁法向矢量共同-»--确定人二ZX//lo1导模的传输条件某导模能够在波导中传输,其工作的波长应当小于波导的截止波长,或表述为导模的工作频率高于波导的截止频率2导模的截止导模工作的波长大于波导的截止波长时:相位常数P为虚数,相应的模式称为消逝模或截止模全部的场重量振幅由于截止模的电抗反射损耗将按指数规律衰减3模式简并波导中不同模式的截止波长相同的现象,称为模式简并现象对应的导模称为简并模,由
3.1-27可以知道模和模为简并模除了0和On外,矩形波导中的模式都具有双重简并⑷主模波导中工作频率最低的导模称为主模或基模,其他的工作模式则称为高阶模波阻抗行系统中导模的波阻抗定义为横向电场和横向磁场之比与矩形波导一样,圆波导也只能传输和波型111员1波导的主模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,中间为支撑介质,是微波技术中最常见的模传输线第四章微波集成传输线带状线又称三板线,它由两块相距为b的接地板与中间宽度为W厚度为t的矩形截面导体构成,接地板之间填充匀称介质或空气带状线仍可理解为与同轴线一样的对称双导体传输线,主要传输的是波,也存在高次和模微带线的结构为厚度为h、相对介电常数为£r的介质基板厚度,以与宽度为W,厚度为t的金属导带;下面是接地板场分布与模很相像,可看成“准模”,并按模处理耦合传输线由两根或多根靠得很近的非屏蔽传输线构成的导行系统由于耦合线彼此靠得近,导致电场和磁场的能量相互耦合构成耦合带状线和耦合微带线奇模激励由大小相等方向相反的电流对耦合线两带状线导体产生的激励奇模激励时中间对称面为电壁偶模激励由大小相等方向相同的电流产生的激励偶模激励时中间对称而为磁壁对于匀称介质填充的对称耦合线其传输模为模第六章微波网络基础在高频(尤其是微波、毫米波频段)测量电压、电流几乎是不行能的,这是因为电压、电流的测量须要定义有效的端对,对传输波的同轴线、带状线端对存在,但是对于传输(比如矩形波导或圆形波导)的波导系统则端对不存在等效电压、电流以与阻抗的定义做如下的约束1)电压和电流仅对特定波导模式定义,且定义电压与其横向电场成正比,电流与其横向磁场成正比2)为了和电路理论中的电压和电流应用方式相像,等效电压和电流的乘积应当等于该模式的功率流3)单一行波的电压和电流之比应等于此线的特性阻抗;此特性阻抗可随意选择,但通常选择等于此线的波阻抗,或归一化为
1.涉及的三种阻抗形式
1、媒质的固有阻抗=也仅取决于媒质的材橹数,且和TEM波的波阻抗相等
2、波阻抗Zw=2,为特定导行系统的特f掺数,和导行Ht系统中传播模式和工作顷率相关
3、特性阻抗Z0==B,为行波(入射波或反射波)的电压和行波电流之比TEM波的电压、电流唯一,因此特性阻抗唯一,波导中的TE或TM模由于电压和积分的储和路径相关,因此特•生阻抗不唯一,可以采用不同的方法娓义(即以前讨论的等效阻扰好用的微波元件与系统均含有各种各样的不匀称性(即不连续性).不连续性主要包括1)截面形态或材料性能在波导某处的突然变更2)截面形态或材料性能在肯定距离内连续变更3)匀称波导系统的障碍物或孔缝4)波导的分支各种各样的不匀称性旁边将激励起高次模留意
(1)微波网络的形式与模式相关,若传输单一模式,则等效为一个N端口网络,对于传输M种模式,则可以等效为N*M端口的微波网络
(2)微波网络的形式和参考而(不匀称区段的网络端面)的选取有关,参考面的选取通常是垂直于各端口的轴线,并远离不匀称区,使得参考面上没有高次模,只有相应的传输模式一端口网络就是功率技能进去又能出来的单个端口波导或传输线的电路输入阻抗的实部与耗散功率有关,而虚部则与网络中的净储能有关福斯特电抗定理对于一个无耗的网络,电抗对频率的斜率必定总是正的;无耗网络的电钠也具有对频率为正的斜率应用此定理可以证明物理可实现的电抗或电钠函数的极点和零点,必定在川轴上交替出现散射参数行波散射参数对应的是以特性阻抗匹配为原则,对应的在测量上的外在表现为电压驻波比散射矩阵的特性
1.互易网络散射矩阵的对称性对于互易网络,其阻抗矩阵和导纳矩阵是对称阵,同样对于其散射矩阵也是对称阵
2.无耗无源网络散射矩阵的么阵性么阵性散射矩阵的转置和散射矩阵的共飘矩阵的乘积为一个单位阵
3.无耗传输线条件下,散射参数的幅值不会随参考面的移动而变更第八章常用微波元件短路负载又称为短路器,它的作用是将电磁能量全部反射回去主要有接触式活塞和扼流式活塞主要的要求为1保证接触处的损耗小,其反射系数的模接近12当活塞移动时,接触损耗的变更要小3大功率条件下,活塞与波导同轴导体之间不能发生打火现象匹配负载能几乎无反射地汲取入射波的全部功率当须要在传输系统工作于行波状态时,都要用到匹配负载对匹配负载的基本要求是1有较宽的工作频带,2输入驻波比小和肯定的功率容量失配负载既汲取一部分功率又反射一部分功率的负载好用中的失配负载都做成标准失配负载即具有一固定的驻波比无耗二端口网络的基本性质1若一个端口匹配,则另一个端口自动匹配2若网络是完全匹配的,则必定是完全传输的,或相反3相角只有两个是独立的,已知其中两个相角,则第三个相角便可确定连接元件的作用是将作用不同的微波元件连接成完整的系统其。