微波天线

微 波 技 术 与 天 线

课 程 报告

班 级：11通信—1班 姓 名：王见魁 学 号：1116303066 评定成绩：

内 容 简 介

这门课程系统地论述了微波技术与天线的基本原理、基本技术及其典型的应用系统。并且结合当前技术热点，对诸如光纤技术、智能天线、RFID等新技术进行了讨论。另外，课程较多地阐述了MATLAB在微波技术与天线中的应用。

微波：是电磁波中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（频率最高）的波段，其频率范围从300Mhz（波长1m）至3000GHz（波长0.1m）.

微波的特性：1.似光性2.穿透性3.宽频带特性4.热效应特性5.散射特性6.抗低频干扰特性

与低频区别：趋肤效应，辐射效应，长线效应，分布参数。 第一章 均匀传输线理论

1.微波传输线大致可分为三种类型 双导体传输线

均匀填充介质的金属波导管 介质传输线 2.建立传输线方程 3.导出传输线方程的解 4.引入传输线的重要参量 （1）输入阻抗 ：传输线上任意一点的电压与电流之比称为传输线在该点的阻抗，它与导波系统的状态特想有关

（2）反射系数：传输线上任意一点的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。 （3）驻波比（VSWR）：传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比为电压驻波比，用ρ表示，即：

5.分析无耗传输线的特性 ：对于无耗传输线，负载阻抗不同则波的反射也不同；反射波不同则合成波不同；合成波不同意味着传输线有不同的工作状态。 归纳起来，无耗传输线有三种不同的工作状态（1）行波状态(无反射的传输状态)（2）纯驻波状态（全反射状态）（3）行驻波状态（混合波状态） 6.认识传输线的匹配、效率及功率容量 7.了解同轴线的特性阻抗 第二章 规则金属波导

波导激励的几种类型 1. 电激励 2. 磁激励 3. 电流激励

方圆波导转换器的作用 ：圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似，因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导。即构成方圆波导变换器

1.分析规则波导传输系统中的电磁场问题，我们做如下假设： （1）波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性的 （2）波导管内无自由电荷和传导电流的存在 （3）波导管内的场是时谐场

2.结合电磁波理论分析规则波导的各个量

3.研究规则波导的一般特性：传输特性及工作特性

4.讨论矩形金属波导和圆形金属波导的传输特性和场结构

（1）矩形波导：通常将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气的规则金属波导称为矩形波导，

（2）圆形波导：若将同轴线的内导体抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的圆形空间也能传输电磁能量，这就是圆形波导。 5.了解波导的耦合和激励方法

激励波导的方法通常有三种（1）电激励（2）磁激励（3）电流激励

本章介绍的传输系统具有损耗小、结构牢固、功率容量高及电磁波限定在导管内等优点，其缺点是比较笨重、高频下批量成本高、频带较窄等。 第三章 微波集成传输线

第四章 带状线、微带线的结构及特点

1. 带状线： 是由同轴线演化而来的，即将同轴线的外导体对半分开后，再将两半外导体向左右展平，并将内导体制成扁平带线。 主要传输的是TEM波。可存在高次模。 ? 用途：替代同轴线制作高性能的无源元件。 特点：宽频带、高Q值、高隔离度 ? 缺点：不宜做有源微波电路。

2. 微带线： 是由双导体传输线演化而来的，即将无限薄的导体板垂直插入双导体中间，再将导体圆柱变换成导体带，并在导体带之间加入介质材料，从而构成了微带线。微带线是半开放结构。 ? 工作模式：准TEM波 带状线、微带线特征参数的计算（会查图）

带状线和微带线的传输特性参量主要有：特性阻抗Z0、衰减常数ɑ、相速vp和波导波长λg

介质波导主模及其特点 模HE11模的优点： a) 不具有截止波长； b) 损耗较小； c) 可直接由矩形波导的主模TE10激励。 各种集成微波传输系统，可分为四大类：

（1）准TEM波传输线，主要包括微带传输线和共面波导等 （2）非TEM波传输线，主要包括槽线、鳍线等

（3）开放式介质波导传输线，主要包括介质波导、镜像波导等 （4）半开放式介质波导，主要包括H形波导、G形波导等。 2.了解波导的工作原理

例H形波导：H形波导中传输的模式取决于介质条带的宽度和金属平板的间距。合理地选择尺寸可使之工作与LSM模。 3.分析光纤波导：光纤又称为光导纤维，它是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。 1、微波元件的作用和分类。 2、阻抗变换器及其相对带宽。 3、微波元件与传输线的连接方法。 4、定向耦合器的网络分析。

5、平行耦合线定向耦合器基本工作原理及网络分析。 6、分支定向耦合器的结构和分析。

7、S参数矩阵的推导：分支定向耦合器，混合环，匹配双T接头。 8、无耗互易三端口网络的性质。

9、微带三端口功率分配器：元件的作用，条件，元件参数的计算。 10、双T接头的匹配方法。

11、微波谐振器：半波长短路线，四分之一波长短路线，半波长开路线的等效电路及等效参数。 12、带状线和微带线谐振器。

13、高阻抗传输线和低阻抗传输线的等效。

第四章 微波网络基础

1、天线的功能。 2、天线的分类。 3、线天线，线状长槽天线，面天线等的应用场合。

4、电流元的近区场分布，功率传输。 5、电流元的远区场分布，电场方向和磁场方向与传播方向关系，电场最大方向，等相位面。 6、电流元的方向函数，在E面和H面的形状。 7、电流元辐射功率和辐射电阻。 8、对称振子的场分布，方向函数。

9、对称振子的长度不同时的最大辐射方向，方向图形状。 10、半波振子和全波振子的方向函数和归一化方向图函数。 11、对称振子的辐射功率和辐射电阻。 12、电流元和半波振子的半功率波瓣宽度。 13、方向系数，电流元和半波振子的方向系数。 14、场强与方向系数的关系。 15、天线辐射能力与电长度的关系。 16、主极化和交叉极化。 掌握微波网络思想在微波测量中的应用（三点法的条件）

? 前提条件：令终端短路、开路和接匹配负载时，测得的输入端的反射系数分别为Γs，Γo和Γm，从而可以求出S11, S12, S22。 微波网络是在分析场分布的基础上，用路的分析方法将微波元件等效为电抗或电阻元件，将实际的导波传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络。根据微波元件的工作特性综合出要求的微波网络，从而用一定的微波结构实现它，这就是微波网络的综合。 1.从导波传输系统的等效电压、等效电流出发引入等效传输线，进而导出线性网络的各种矩阵参量： （1）串联阻抗 （2）并联导纳 （3）理想变压器 （4）短截线

2.分析二端口网络的工作特性 （1）阻抗矩阵与导纳矩阵 （2）转移矩阵

3.了解多口网络的散射矩阵特性

在信源匹配的条件下，总可以对驻波系数、反射系数及功率等进行测量，也即在与网络相连的各分支传输系统的端口参考面上入射波和反射波的相对大小和相对相位是可以测量的，而散射矩阵和传输矩阵就是建立在入射波、反射波的关系基础上的网络参数矩阵 第五章 微波元器件微波元器件 匹配负载（螺钉调配器原理）、失配负载；衰减器、移相器（作用） 匹配负载作用：消除反射，提高传输效率，改善系统稳定性；

螺钉调配器：螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配原件，它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配原件。

螺钉深度不同等效为不同的电抗原件，使用时为了避免波导短路击穿，螺钉·都设计成为了容性，即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4（b为波导窄边尺寸）。 失配负载：既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率，而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载，主要用于微波测量。

衰减器，移相器（作用）：改变导行系统中电磁波的幅度和相位； 了解定向耦合器的工作原理（P106）

定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件，它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。

利用波程差。熟练掌握线圆极化转换器的工作原理及作用 了解场移式隔离器的作用（P122） 根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的。 了解铁氧体环行器的分析及作用(P123) 环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统

微波元器件品种繁多，而且随着技术的进步不断出现新的元器件，因此不能一一列出，本章主要从工程应用的角度出发，列举具有代表性的几组微波无源元器件。

短路负载 1.连接匹配元件 终端负载元件 匹配负载 失配负载

微波连接元件：波导接头、衰减器、相移器、转换接头

螺钉调配器 阻抗匹配元件 阶梯阻抗变换器

渐变型阻抗变换器

2.功率分配元件 定向耦合器：它是一种具有定向传输特性的四端口元件，

由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的。

功率分配器：将一路微波功率按一定比例分成n路输出

功率元件称为功率分配器。可分为等功率和不等功率分配器。

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，常用的有E面T型分支、H面T型分支、匹配双T。

3.微波谐振元件：在低频电路中，谐振回路是一种基本元件，它是由电感和电容串联或者并联而成，在振荡器中作为振荡回路，用以控制振荡器的频率；在放大器中用振荡回路；在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。

4.微波铁氧体元件：它是非互易性的器件，电阻率很高，最常用的有隔离器和环行器。

第六章 天线辐射与接收的基本理论 天线有以下功能：

（1）天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量 （2）天线应使电磁波尽可能集中与确定的方向上 （3）天线应能发射或接收规定极化的电磁波 （4）天线应有足够的工作频带

本章从基本振子的辐射场出发，介绍了天线的近、远区场的特性，得到了电

基本振子和磁基本振子的方向函数，然后引出天线的电参数，例如，方向参数（水平面，铅垂平面，E平面，H平面）特性参数（主瓣宽度，旁瓣电平，前后比，方向系数）最后介绍了接收天线的理论。

接收天线理论包括天线接收的物理过程及收发互易性，有效接收面积，等效噪声温度，接收天线的方向性。 第七章 电波传播概论

1. 天波通信：指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式，也成为

电离层电波传播。主要用于中波和短波波段

2. 地波通信：无线电波沿地球表面传播的传播方式。主要用于长、中波波段和短波的低频段。

3. 视距波通信：指发射天线和接收天线处于相互能看见的视距距离内的传播方式。地面通信、

卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式。主要用于超短波和微波波段的电波传播 天线的作用

无线电波传输是产生失真的原因

无线电波通过煤质除产生传输损耗外，还会使信号产生失真——振幅失真和相位失真 两个原因： 1. 煤质的色散效应 ：色散效应是由于不同频率的无线电波在煤质中的传播速度有差别而引

起的信号失真。

2. 随机多径传输效应 ：会引起信号畸变。因为无线电波在传输时通过两个以上不同长度的路

径到达接收点。接收天线收到的信号是几个不同路径传来的电场强度之 和。

根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播分为四种：（1）视距传播（2）天波传播（3）地面波传播（4）不均匀媒质传播 1.了解无线电波在自由空间的传播及传输媒质对电波传播的影响：①传输损耗（信道损耗）②衰落现象 ③传输失真 ④电波传播方向的变化

（1）视距传播：指发射天线和接收天线处于相互能看见的视线距离内的传播方式

（2）天波传播：指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式

（3）地面波传播：无线电波沿地球表面传播的传播方式称为地面波传播，当天线低架于地面，且最大辐射方向沿地面时，这时主要是地面波传播。

（4）不均匀媒质的散射传播：电波在低空对流层或高空电离层下缘遇到不均匀的“介质团”时就会发生散射，散射波的一部分到达接收天线处，这种传播方式称为不均匀媒质的散射传播 第八章 线天线

横向尺寸远小于纵向尺寸并小于波长的细长结构的天线称为线天线 1.认识对称振子天线 2.分析天线阵的方向性：为了加强天线的方向性，将若干辐射单元按某种方式排列所构成的系统称为天线阵 3.直立振子天线：垂直于地面或导电平面架设的天线称为直立振子天线，它广泛

地应用于长、中、短波及超短波波段。 3.水平振子天线： 特点：

①水平振子天线架设和馈电方便

②地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小

③工业干扰大多是垂直极化波，因此用水平振子天线可减小干扰对接收的影响 4.引向天线：又称八木天线，它由一个有源振子及若干个无源振子组成 5电视发射天线： 特点：①频率范围宽 ②覆盖面积大 ③在以零辐射方向为中心的一定的立体角对的区域内，电视信号变得十分微弱，因此零辐射方向的出现，对电视广播来说是不好的 ④由于工业干扰大多是垂直极化波，即天线及其辐射电场平行于地面⑤为了扩大服务范围，发射天线必须架在高达建筑物的顶端或专用的电视塔上。 6.移动通信基站天线： 特点：

①为尽可能避免地形、地物的阻挡，天线应架设在很高的地方，这就要求天线有足够的机械强度和稳定性

②为使用户在移动状态下使用方便，天线应采用垂直极化

③根据组网方式的不同，如果是顶点激励，采用扇形天线；如果是中心激励，采用全向天线

④为了节省发射机功率，天线增益应尽可能的高

⑤为了提高天线的效率及宽带，天线与馈线应良好地匹配。

7.螺旋天线：将导线绕制成螺旋形线圈而构成的天线称为螺旋天线

8.行波天线：如果天线上电流分布是行波，则此天线称为行波天线。它是由导线末端接匹配负载来消除反射波而构成的。

9.宽频带天线：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或几倍频程范围内无明显变化，就可称为宽频带天线。

10.缝隙天线：如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝，可使电磁波通过缝隙向外空间辐射而形成一种天线，这种天线就称为缝隙天线。

11.微带天线：特点：体积小、重量轻、低剖面，适合大规模生产。 12.智能天线： 优点：（1）具有较高的接收灵敏度

（2）使空分多址系统称为可能 （3）消除在上下链路中的干扰 (4)抑制多径衰落效应。 第九章 面天线

面天线所载的电流是沿天线体金属表面分布，且面天线的口径尺寸远大于工作波长，它常用在无线电频谱的高频端，特别是微波波段。 1.惠更斯元的辐射：惠更斯元具有单向辐射特性

2.根据平面口径辐射的一般表达式进而了解矩形口径及圆口径的一般辐射特性 3.旋转抛物面天线：分析方法：口径场法和面电流法 4.卡塞格伦天线：

优点：(1)由于天线有两个反射面，几何参数增多，便于按照各种需要灵活地进

行设计

(2)可以采用短焦距抛物面天线作主反射面，减少了天线的纵向尺寸 (3)由于采用了副反射面，馈源可以安装在抛物面顶点附近，使馈源和接收机之间的传输线缩短，减小了传输线损耗所造成的噪声。

相控雷达：相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称电子扫描雷达。

相控阵雷达有相当密集的天线阵列，在传统雷达天线面的面积上可安装上千个相控阵天线，任何一个天线都可收发雷达波，而相邻的数个天线即具有一个雷达的功能。扫描时，选定其中一个区块(数个天线单元)或数个区块对单一目标或区域进行扫描，因此整个雷达可同时对许多目标或区域进行扫描或追踪，具有多个雷达的功能。由于一个雷达可同时针对不同方向进行扫描，再加之扫描方式为电子控制而不必由机械转动，因此资料更新率大大提高，机械扫描雷达因受限于机械转动频率因而资料更新周期为秒或十秒级，电子扫描雷达则为毫秒或微秒级。因而它更适於对付高机动目标。此外由於可发射窄波束，因而也可充当电子战天线使用，如电磁干扰甚至是构想中发射反相位雷达波来抵消探测电波等。

它与机械扫描天线系统相比，有许多显著的优点。例如、相控阵省略了整个天线驱动系统，其中个别部件发生故障时，仍保持较高的可靠性，平均无故障时间为10万小时，而机械扫描雷达天线的平均无故障时间小于1000小时。 相控阵雷达使用1个不动的天线阵面，就可以对120度扇面内的目标进行探测，使用3个天线阵面，就能实现360度无间断的目标探测和跟踪。“铺路爪”就有3个固定不动的大型天线面阵，可以对360度范围内的目标进行探测，探测距离达5000公里

参考文献:

《微波技术与天线》课程教学中理论性与工程应用性的结合探讨-科技资讯

微波技术与天线-电磁波导行与辐射工程-(第二版)

天线原理

微波技术 微博原理

雷达原理及技术

下面是我对此门课程心得体会以及对老师的个人感受

首先，我要特别谢谢老师您在这一年来对我们的宽容与关爱，因为您是唯一一个教我们两门课程并且陪伴我们两个学期的老师，所以跟我们在一起相处的时间还是比较多的。在您的课堂上不仅有难懂的课本知识，您也常常跟我们讲一讲课外的有趣生活。这让我们对大学课堂充满了兴趣。虽然这两门课您都没用PPT，而是用传统的方式，但您幽默的讲课方式也让我们对您有了很好的认识。我们更多的把您看作我们的朋友，也希望我们有更多的机会与您交流。

其次，我谈谈对这门课程的理解与认识，了均匀传输线理论、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、线天线的基本知识（无耗传输线的行波状态（Z=Z0,Г=0）：1）沿线电压和电流振幅不变，驻波比 ρ=1 2) 电压和电流在任意点上都同相。3）传输线上各垫阻抗均等于传输线特性阻抗。 二、纯驻波状态：负载阻抗必须为短路（Z=0）开路（Z→∞）或纯电抗（Z=jX）三种情况之一。

无耗传输线的纯驻波状态（即全反射状态|Г|=1，负载阻抗满足| Z1-Z0/Z1+Z0|=|Г1|=1）： 1）沿线各点电压和电流振幅按余弦变化，电压和电流相位差90°，功率为无功功率，即无能量传输。

2）在z=nλ/2(n=0,1,2,?)处电压为零，电流的振幅值最大且等于2|A1|/Z0，称这些位置为电压波节点，在Z=(2n+1)λ/4(n=0,1,2,?)处电压的振幅值最大且等于2|A1|，而电流为零，称这些位置为电压波腹点。

3）传输线上各垫阻抗为纯电抗，在电压波节点处Zin=0,相当于串联谐振；在电压波腹点处|Zin|→∞，相当于并联谐振；在0

三、 阻抗圆图特点：1）在阻抗圆图的上半圆内的电抗X>0呈感性，下半圆内的电抗X< 0呈容性。

2）实轴上的点代表纯电阻点，左半轴上的点为电压波节点，其上的刻度既代表rmin 又代表行波系数K，右半轴上的点为电压波腹点，其上的刻度既代表rmax又代表驻波比ρ。 3）圆图旋转一周为λ/2. 4）|Г|=1的圆周上的点代表纯电抗点。

5）实轴左端点为短路点，右端点为开路点，中心点处有ˉz=1+j0,是匹配点。 6）在传输线上由负载向电源方向移动时再圆图上应顺时针旋转；反之，由电源向负载方向移动时，应逆时针旋转。

四、 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

直流电流元。 它是线天线的基本组成部分，任意线天线均可看出是由一系列电基本振子构成的。 电基本振子的电磁场特性：1 近场区 1） 在近区，电场Еθ和Er与静电场问题中的电偶极子的电场相似，磁场Hφ和恒定点流场

问题中的电流元的磁场相似，所以近区称为准静态场。 2） 由于场强与1/r的高次方成正比，所以近区场随距离的增大而迅速减小，即离天线较远

时可以任务近区场近似为零。 3） 电场与磁场相位相差90°，说明坡印廷矢量为虚数，也就是说，电磁能量在场源和场之

间来回振荡，没有能量向外辐射，所以近场区又称为感应场。 2 远场区

1）在远区，电基本振子的场只有Eθ和Hφ两个分量，它们在空间上相互垂直，在时间上同相位，所以其坡印廷矢量S=1/2E*H是实数，且指向r方向。这说明电基本振子的远区场是一个沿着径向向外传播的横电磁波，故远区场又称辐射场。

2）Eθ/Hφ=η=√μ。/ε。=120Ν π是一常数，即等于媒质的本征阻抗，因而远区场具有与平面波相同的特性。

3）辐射场的强度与距离成反比，随着距离的增大，辐射场减小。这是因为辐射场是以球面波的形式向外扩散的，当距离增大时，辐射能量分布到更大的球面面积上。 4）在不同的方向上。辐射强度是不等的。这说明电基本振子的辐射是有方向性的。 五、 所谓的天线方向图，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，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。

E平面：就是电场矢量所在的平面，对于沿Z轴放置的电基本振子而言，子午平面是E平面。 H平面：就是磁场矢量所在的平面，对于沿Z轴放置的电基本振子，赤道平面是H面。 主瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。

天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比，即：η=Pξ/ Pξ+P1. 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*ηA。

无耗传输线上距离为λ/4的任意两点处阻抗的乘积均等于传输线特性阻抗的平方，这种特性称之为λ/4的阻抗变换性。 无耗传输线任意相距λ/2处的阻抗相同，一般称为λ/2重复性。 对无耗传输线来说，其传输特性均有λ/2重复性和λ/4变换性。 阻抗匹配具有三种不同的含义：负载阻抗匹配；源阻抗匹配；共轭阻抗匹配。 天线种类很多，按用途分：通信天线，广播天线，雷达天线等。 按辐射元的类型分：线天线和面天线。

把天线和发射机或接受机连接起来的系统成为馈线系统。

对称振子天线是由两根粗细和长度都相同的导线构成，中间为两个馈电端。 元因子表示组成天线阵的单个辐射元的方向图函数，其值取决于天线元本身的类型和尺寸。 阵因子表示各向同性元所组成的天线阵的方向性，其值取决于天线阵的排列方式及其天线元上激励电流的相对振幅和相位，与天线元本身的类型和尺寸无关。 在各天线元为相似元的条件下，天线阵的方向图函数是单元因子与阵因子之积，这个特性称为方向图乘积定理。

微波属于无线电波中波长最短（即频率最高）的波段，其频率范围从300MHZ（波长1M）至3000GHZ（波长0.1mm）.

微波主要研究如何引导电磁波在微波传输系统中的有效传输。 天线的任务是将

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