微波技术基础课程学习知识要点

《微波技术基础》课程学习知识要点

第一章 学习知识要点

1．微波的定义— 把波长从1米到0.1毫米范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3×108Hz～3×1012Hz。在整个电磁波谱中，微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽10000倍。一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。

2．微波具有如下四个主要特点：1) 似光性、2) 频率高、3) 能穿透电离层、4) 量子特性。

3．微波技术的主要应用：1) 在雷达上的应用、2) 在通讯方面的应用、3) 在科学研究方面的应用、4) 在生物医学方面的应用、5) 微波能的应用。

4．微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。

第二章 学习知识要点

1. 传输线可用来传输电磁信号能量和构成各种微波元器件。微波传输线是一种分布参数电路，线上的电压和电流是时间和空间位置的二元函数，它们沿线的变化规律可由传输线方程来描述。传输线方程是传输线理论中的基本方程。

2. 均匀无耗传输线方程为

d2U z

2dzd2I z 2U z 0

dz

其解为 2 2I z 0

U z A1e j z A2ej z

1I z A1e j z A2ej z

Z0

对于均匀无耗传输线,已知终端电压U2和电流I2，则:

U z U2cos z jI2Z0sin z I z I2cos z jU2sin z 0

对于均匀无耗传输线,已知始端电压U1和电流I1，则:

Z0 U z U1cos z jI1Z0sin z I z I1cos z jU1sin z 0 pr其参量为 ，，，

3. 终端接的不同性质的负载，均匀无耗传输线有三种工作状态：

(1) 当ZL Z0时，传输线工作于行波状态。线上只有入射波存在，电压电流振幅不变，相位沿传播方向滞后；沿线的阻抗均等于特性阻抗；电磁能量全部被负载吸收。

(2) 当ZL 0、 和 jX时，传输线工作于驻波状态。线上入射波和反射波的振幅相等，驻波的波腹为入射波的两倍，波节为零；电压波腹点的阻抗为无限大，电压波节点的阻抗为零，沿线其余各点的阻抗均为纯电抗；电压（电流）波腹点和电压（电流）波节点每隔 交替出现，每隔 2重复出现；没有电磁能量的传输，只有电磁能量的交换。

(3) 当ZL RL jXL时，传输线工作于行驻波状态。行驻波的波腹小于两倍入射波，波节不为L0C0 2 vp v0 p 0 r零；电压波腹点的阻抗为最大的纯电阻Rmax Z0，电压波节点的阻抗为最小的纯电阻Rmin Z0 ；电压（电流）波腹点和电压（电流）波节点每隔 交替出现，每隔 2重复出现；电磁能量一部分被负载吸收，另一部分被负载反射回去。

4. 表征传输线上反射波的大小的参量有反射系数 ，驻波比 和行波系数K。它们之间的关系及相关表达式为：

其数值大小和工作状态的关系如下表所示。

11 K1 z Zin z Z0Zinz Z0 maxmin IImaxmin5. 传输线阻抗匹配方法常用 4阻抗变换器和分支匹配器(单分支、双分支和三分支)。

6. 阻抗圆图和导纳圆图是传输线进行阻抗计算和阻抗匹配的重要工具。

第三章 学习知识要点

1. 微波传输线是引导电磁波沿一定方向传输的系统，故又称作导波系统。被传输的电磁波又称作导行波。导行波一方面要满足麦克斯韦方程，另一方面又要满足导体或介质的边界条件；也就是说，麦克斯韦方程和边界条件决定了导行波在导波系统中的电磁场分布规律和传播特性。

2. 导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为TE波、TM波和TEM波三种类型。前两种是色散波，一般只在金属波导管中传输；后一种是非色散波，一般在双导体系统中传输。只有当电磁波的波长或频率满足条件 c或f fc时，才能在导波系统中传输，否则被截止。

3. 导波系统中场结构必须满足下列规则：电力线一定与磁力线相互垂直，两者与传播方向满足右手螺旋法则；在导波系统的金属壁上只有电场的法向分量和磁场的切向分量；电力线一定是封闭曲线。

4. 本章主要讨论了矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微带线等常用的微波传输线。其中矩形波导、圆波导和同轴线易采用场解法来分析其场分布和传输特性；带状线利用传输线理论分析其传输特性；而微带线则采用准静态分析法来分析其传输特性。

5. 各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输条件列表如下：

第四章 学习知识要点

1、 微波系统包括均匀传输线和微波元件两大部分。均匀传输线可等效为平行双线；微波元件可等效为网络。然后利用微波网络理论，可对任何一个复杂微波系统进行研究。

2、 根据网络外接传输线的路数，来定义微波网络端口的个数。微波网络按端口个数一般分为：二端口网络和多端口网络(如三端口网络、四端口网络等)。本章以二端口网络为重点，介绍了二端口网络的五种网络参量：阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参量和传输参量，以及基本电路单元的网络参量。

3、 二端口网络参量的性质有：

可逆网络：Z12 Z21，Y12 Y21，A11A22 A12A21 1

S12 S21，T11T22 T12T21 1

对称网络：Z11 Z22，Y11 Y22，A11 A22，S11 S22，T12 T21

无耗网络：Zij jXij ， Yij jBiji,j 1,2 [S]T[S*] [1] ，

4、 二端口微波网络的组合方式有：级联方式、串联方式和并联方式，可分别用转移矩阵、阻抗

矩阵和导纳矩阵来分析；二端口网络参考面的移动对网络参量的影响，可利用转移矩阵和散射矩阵来分析。

5、 微波元件的性能可用网络的工作特性参量来描述，网络的工作特性参量和网络参量之间有密切的关系，可以相互转换。其工作特性参量与网络参量的关系为：

2T S21 A11 A12 A21 A22

A 1

T26、 电压传输系数： 1S2127、 插入衰减： 1

S212L 10logA 10log dB

8、 插入相移： argT argS21 21

1 S119、 输入驻波比：

10、 可逆无耗二端口网络的基本特性有：S参量只有三个独立参量，它们的相互关系为：S11 S22 1 S11，S12 S112， 12 2 11 22 ；若网络的一个端口匹配，另一个端口一定自动匹配，即若S11 0(或S22 0)，则S22 0(或S11 0)；若网络完全匹配，则网络一定完全传输，即若S11 S22 0，则S12 S21 1。

第五章 学习知识要点

1、 本章采用网络方法对一些常用的微波元件进行了分析和综合。主要讨论了下列内容：微波系统中的电抗元件，连接元件、转接元件和终端负载，衰减器和移相器，阻抗变换器，定向耦合器，波导匹配双T，微波滤波器，微波谐振器，微波铁氧体元件以及微波集成电路。

2、 对各种连接元件和短路活塞要求有良好的电接触，以保证不产生反射，常采用抗流结构。匹配负载和短路负载是两种常用的终端元件，它们均属于一端口网络。衰减器和移相器均属于二端口网络，但两者具有不同的功能。衰减器的作用是对通过它的微波能量产生衰减；而移相器的作用是对通过它的微波信号产生一定的相移，微波能量可无衰减地通过。

3、 阻抗变换器是微波系统中一种常用的阻抗匹配元件，它主要包括单节阻抗变换器、多节阶梯阻抗变换器和渐变线阻抗变换器，其阻抗匹配原理是将原来较大的反射波分成许多振幅较小而相位又能互相抵消的反射波，只要合理选择节数和各段阻抗值，就能得到满意的结果。

4、 定向耦合器是一个四端口的网络元件，它具有定向传输的特点。它的主要指标是耦合度和隔离度(或方向性)。定向耦合器的种类很多，本章仅讨论了波导双孔耦合的定向耦合器，平行耦合线定向耦合器，分支定向耦合器。对于波导孔耦合的定向耦合器一般采用耦合波理论进行分析；对于后几种定向耦合器，由于它们结构上都具有对称平面，故易采用奇、偶模参量法进行分析。无论是哪一种定向耦合器，至少有两种以上的耦合波相互干涉，才能产生定向性。参加干涉的耦合波个数愈多愈能改善定向耦合器定向性的频率特性，从而增宽频带。另外还介绍了两种常用微波元件：微

带功分器和波导匹配双T (魔T)，它们也可看成是一类定向耦合器。

5、 ##微波滤波器主要功能是分隔频率。表征滤波器的主要特性是衰减特性。根据衰减特性分为低通、高通、带通和带阻滤波器，对滤波器的要求是通带内衰减尽可能小，阻带内衰减尽可能大，通带与阻带的过渡区尽可能小，即愈陡愈好。这些要求是相互矛盾的，解决这些矛盾的最经济和合理的方法是采用网络综合法进行设计。微波滤波器设计与低频滤波器的设计基本相同，唯一的差别是用分布参数元件代替集中参数元件。微波滤波器常采用高低阻抗线来构成。

6、 微波谐振器是一种储能和选频元件，其作用相当于低频电路中的谐振回路。本章主要讨论了谐振器的分析方法、基本参量、基本特性及其等效电路。

7、 微波谐振器与低频集中参数LC谐振回路的外特性是相同的，因此可以用等效电路来分析，尤其带有耦合装置的谐振器更适宜用等效电路法进行分析。

8、 对于传输线型谐振器的场分布的分析，采用使原有传输线的场分布满足两端面的边界条件，即可得到由该传输线组成的谐振器中的场分布。谐振器中的场分布是呈驻波分布的。

9、 各种形式传输线，只要满足谐振条件都可用来构成谐振器。对于由两端短路或开路的传输线构成的谐振器，其谐振条件为l = n 0/2；对于由一端短路，另一端开路的传输线构成的谐振器，其

谐振条件为l = (2n-1) 0/4；对于由一端短路，另一端为容性电纳负载的传输线构成的谐振器，其谐振条件为l 0 arcctg Z0 0C 。式中为构成谐振器的传输线中电磁波的相波长。

10、 矩形谐振腔中的主模为TE101。圆柱谐振腔中，当l<2.1R时， 主模为TM010，当l>2.1R

时， 主模为TE111。同轴谐振腔中主模为TEM模。圆柱谐振腔中TE011谐振模具有很高的Q值，可用作

自动频率微调的标准腔、高频率稳定度的谐振腔和高精度波长计的工作模式。

11、 ##有耦合的谐振腔用场解法难以得到工程设计所需结果，故常采用网络分析方法，即将有耦合的谐振腔分成耦合结构和谐振腔两个部分，然后分别找出它们各自的等效电路。

12、 ##微波铁氧体元件是根据微波铁氧体的两个重要特性做成的微波元件。铁氧体在恒定磁场和交变磁场共同作用下，它的导磁率为张量；而在恒定磁场和圆极化波磁场共同作用下，它的导磁率为标量，且有下列特性：

和 具有谐 铁磁谐振：当微波频率 等于铁氧体分子进动频率 0= H时，圆极化波的

振特性，此时铁氧体对微波能量具有强烈的吸收，这种现象称为铁氧体谐振现象。利用此特性做成的隔离器称为谐振式隔离器。

场移效应：在矩形波导中的圆极化波位置，放入合适的横向磁化强度的铁氧体后，则原有矩

形波导中TE10模的场结构会发生位移，这种效应称为场移效应。利用此特性做成的隔离器称

为场移式隔离器。

13、 ##隔离器是一种铁氧体的非互易元件，它是单向传输元件，即对正向波可以无衰减地通过，而对反向波产生很大的衰减。这种元件在微波系统中有广泛应用。

14、 ##微波集成电路具有体积小、重量轻、便于大批量生产和成本低的特点，因此它将在微波技术领域获得广泛应用。微波集成电路分为“半集成”式和“全集成”式两种。

2005年8月10日

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