1、1微波技术与天线复习提纲（2010 级）一、思考题1. 什么是微波？微波有什么特点？答：微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，频率范围从 300MHZ 到3000GHZ，波长从 0.1mm 到 1m；微波的特点：似光性、穿透性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗低频干扰特性、视距传播性、分布参数的不确定性、电磁兼容和电磁环境污染。2. 试解释一下长线的物理概念，说明以长线为基础的传输线理论的主要物理现象有哪些？一般是采用哪些物理量来描述？答：长线是指传输线的几何长度与工作波长相比拟的的传输线；以长线为基础的物理现象：传输线的反射和衰落；主要描述的物理量有：输入阻抗、反射系数、传输系数
2、、和驻波系数。3. 微波技术、天线与电波传播三者研究的对象分别是什么？它们有何区别和联系？答：微波技术、天线与电磁波传播史无线电技术的一个重要组成部分，它们共同的基础是电磁场理论，但三者研究的对象和目的有所不同。微波技术主要研究阴道电磁波在微波传输系统中如何进行有效的传输，它希望电磁波按一定要求沿传输系统无辐射地传输；天线是将微波导行波变成向空间定向辐射的电磁波，或将空间的电磁波变成微波设备中的导行波；电波传播研究电波在空间的传播方式和特点。4. 试解释传输线的工作特性参数（特性阻抗、传播常数、相速和波长）答：传输线的工作特性参数主要有特征阻抗 Z0，传输常数 ，相速及波长。1)特征阻抗即传输
3、线上入射波电压与入射波电流的比值或反射波电压与反射波电流比值的负值，其表达式为 ,它仅由自身的分布参数决定而与负载及信号源无关； 2）0RjwLZGC传输常数 是描述传输线上导行波的衰减和相移的参数，其中， 和 分别称为j 衰减常数和相移常数，其一般的表达式为 ;3)传输线上电压、电()()RjwLGjC流入射波（或反射波）的等相位面沿传播方向传播的速度称为相速，即 ；4）传输线Pwv上电磁波的波长 与自由空间波长 的关系 。002r5. 传输线状态参量输入阻抗、反射系数、驻波比是如何定义的，有何特点，并分析三者之间的关系答：输入阻抗：传 输 线 上 任 一 点 的 阻 抗 Zin 定 义 为
4、 该 点 的 电 压 和 电 流 之 比 ， 与 导 波 系2统 的 状 态 特 性 无 关 ， 100tan()inZjzz反射系数：传输线上任意一点反射波电压与入射波电压的比值称为传输线在该点的反射系数，对于无耗传输线，它的表达式为 2(2)101()|jzjzzeZ驻波比：传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅的比值为电压驻波比，也称为驻波系数。反射系数与输入阻抗的关系：当传输线的特性阻抗一定时，输入阻抗与反射系数一一对应，因此，输入阻抗可通过反射系数的测量来确定；当 时， =0，此时传输线上任一点10Z1的反射系数都等于 0，称之为负载匹配。驻波比与反射系数的关系： ，驻波比的取值范围
5、是 ；当传输线上无反1|射时，驻波比为 1，当传输线全反射时，驻波比趋于无穷大。显然，驻波比反映了传输线上驻波的程度，即驻波比越大，传输线的驻波就越严重。6. 简述传输线的行波状态，驻波状态和行驻波状态。行波状态：行波状态就是无反射的传输状态，此时反射系数 T1=0，而负载阻抗等于传输线的特性阻抗，即 Z1=Z0;驻波状态：驻波状态就是全反射状态，也即终端反射系数|T1|=1。|Z1-Z0/Z1+Z0|=|T1|=1行驻波状态：当微波传输线终端接任意复数阻抗负载时，由信号源入射的电磁波功率一部分被终端负载吸收，另一部分则被反射，因此传输线上既有行波也有纯驻波，构成混合波状态，故称之为行驻波状态
6、。7. 分析无耗传输线呈纯驻波状态时终端可接那几种负载，各自对应的电压波腹点分布答：终端负载为短路、开路或纯阻抗三种情况之一。（1）终端负载短路时，z=(2n+1)/4(n=0,1,2,)处为电压波腹点。（2）终端负载开路时，z=n/2(n=0,1,2,)处为电压波腹点。（3）终端负载为纯电感 jXL时， 处为波腹点；终)2,10)(arctn241ZXnzL端负载为纯电容-jX C时， 处为波腹点。),)(rot20C8. 阻抗匹配的意义，阻抗匹配有哪三者类型，并说明这三种匹配如何实现？答：阻抗匹配的意义：对一个由信号源传输线和负载构成的系统，希望信号源在输出最大功率时，负载全部吸收，以实现
7、高效稳定的传输，阻抗匹配有三种类型，分别是：负载阻抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配。负载阻抗匹配：负载阻抗等于传输线的特性阻抗称之为负载阻抗匹配。此时，传输线上只有3从信号源到负载方向传输的入射波，而无从负载向信号源方向的反射波。源阻抗匹配：电源内阻等于传输线的特性阻抗称之为源阻抗匹配。源阻抗匹配常用的方法是在信号源之后加一个去耦衰减器或隔离器。共轭阻抗匹配：对于不匹配电源，当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗等于电源内阻的共轭值时，称之为共轭阻抗匹配。9. 负载获得最大输出功率时，负载与源阻抗间关系： 。*ginZ10. 史密斯圆图是求解均匀传输线有关 阻抗匹配 和 功率匹配 问题的一类曲
8、线坐标图，图上有两组坐标线，即归一化阻抗或导纳的 实部和虚部 的等值线簇与 反射系数 的 幅和模角 等值线簇，所有这些等值线都是圆或圆弧，故也称阻抗圆图或导纳圆图。导纳圆图可以通过对 阻抗圆图 旋转 180得到。阻抗圆图的上半部分呈 感 性，下半部分呈 容 性。Smith 圆图与实轴左边的交点为 短路 点，与横轴右边的交点为 开路 点。Smith 圆图实轴上的点代表 纯电阻 点，左半轴上的点为电压波 节 点，右半轴上的点为电压波 腹 点。在传输线上负载向电源方向移动时，对应在圆图上应 顺时针 旋转，反之在传输线上电源向负载方向移动时，对应在圆图上应 逆时针 旋转。11.TEM、TE 和 TM
9、波是如何定义的？什么是波导的截止性？分别说明矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微带线的主模是什么？答：1）TE 波，TM 波，TEM 波是属于电磁波的三种模式。TE 波指电矢量与传播方向垂直，或者说传播方向上没有电矢量。TM 波是指磁矢量与传播方向垂直。TEM 波指电矢量于磁矢量都与传播方向垂直；2）Kc 是与波导横截面尺寸、形状及传输模式有关的一个参量，当相移常数 =0 时，意味导波系统不再传播，亦称为截止, 此时 Kc =K, 故将 Kc 称为截止波数3）矩形波导，主模TE 10模；圆波导，主模 TE11模；同轴线，主模 TEM模；带状线，主模TEM模；微带线主模：准TEM模。12.简述矩
10、形波导传输特性的主要参数定义：相移常数，截至波长，截至波数，波导波长，相速度，TE 波和 TM 波的波阻抗1） 相移常数和截止波数：相移常数 和截止波数 的关系是ck2ck2） 相速 ：电磁波的等相位面移动速度称为相速，即pv 21rpcuvk3） 波导波长 ：导行波的波长称为波导波长，它与波数的关系式为g21gck4） 波阻抗：某个波形的横向电场和横向磁场之比，即 tEZH13.导波系统中工作波长与波导波长的区别。4答：导行波的波长称为波导波长，用 g 表示，它与波数的关系式为 2/12kc 其中，2/k 为工作波长。14.为什么空心的金属波导内不能传播 TEM 波？空心金属波导内不能存在
11、TEM 波。这是因为：如果内部存在 TEM 波，则要求磁场完全在波导的横截面内，而且是闭合曲线。有麦克斯韦第一方程可知，闭合曲线上磁场的积分等于与曲线相交链的电流。由于空心金属波导中不存在轴向即传播方向的传导电流，故必要求有传播方向的位移电流，由唯一电流的定义式可知，要求一定有电场存在，显然这个结论与TEM 波的定义相矛盾，所以，规则金属内不能传输 TEM 波。15.圆波导中的主模为 TE11模 ，轴对称模为 TM01模 ，低损耗模为 TE01模 。 16.说明圆波导中 TE01 模为什么具有低损耗特性。答 ： TE01 模 磁 场 只 有 径 向 和 轴 向 分 量 ， 故 波 导 管 壁
12、电 流 无 纵 向 分 量 ， 只 有 周 向 电 流 。因 此 当 传 输 功 率 一 定 时 ， 随 着 频 率 升 高 ， 管 壁 的 热 损 耗 将 单 调 下 降 ， 故 其 损 耗 相 对 其它 模 式 来 说 是 低 的 ， 故 可 将 工 作 在 TE01 模 的 圆 波 导 用 于 毫 米 波 的 远 距 离 传 输 或 制 作高 Q 值 的 谐 振 腔 。17.什么叫模式简并现象？矩形波的和圆波导的模式简并有何异同？答：波导中的电磁波是各种 TMmn 模 和 TEmn 模的各种线性组合，m 为 x 方向变化的半周期数，n 是 y 方向变化的半周期数；如过当两个模式 TMmn
13、 和 TEmn 的截止波长相等时，也就说明这两种模式在矩形波导里出现的可能性相同，这种现象就叫做简并。18.圆波导中波型指数 m 和 n 的意义是什么？圆波导中单模传输的条件是什么？答：m 表示场沿圆周分布的整波数， n 表示场沿半径分布的最大值个数。圆波导中单模传输的条件：19.波导激励的方法有： 电激励 ， 磁激励 ， 电流激励 。20.微波集成传输线的特点及分类。答：特点：体积小、重量轻、性能优越、一致性好、成本低；具有平面结构，通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性。分类：准 TEM 波传输线，主要包括微带传输线和共面波导等；非 TEM 波传输线，主要包括槽线、鳍线等；开放式介质波导传输
14、线，主要包括介质波导、镜像波导点；半开放式介质波导，主要包括 H 形波导、 G 形波导等。21.带状线传输主模 TEM 模时，必须抑制高次模 TE 模 和 TM 模 ；微带线的高次模有 波导模式 和 表面波模式 。22.微带线的特性阻抗随着 w/h 的增大而 减小 。相同尺寸的条件下，r 越大, 特性阻抗越 小 。23. 微波网络基础中，如何将波导管等效成平行传输线的？答：为定义任意传输系统某一参考面上的电压和电流，作以下规定：电压 U(z)和电流 I(z)分别与 Et 和 Ht 成正比；5电压 U(z)和电流 I(z)共轭乘积的实部应等于平均传输功率；电压和电流之比应等于对应的等效特性阻抗值
15、。对任一导波系统，不管其横截面形状如何，也不管传输哪种波形，其横向电磁场总可以表示为： )(,),(zIyxhzyxHUeEkktt式中， 是二维实函数，代表了横向场的模式横向分布函数；),(,hyxekk、是一维标量函数，它们反映了横向电磁场各模式沿传播方向的变化规律。)(zIU、24. 列出微波等效电路网络常用有 5 种等效电路的矩阵表示，并说明矩阵中的参数是如何测量得到的。答：（1）阻抗参量当端口开路时，I20，网络阻抗参量方程变为：当端口开路时， I10，网络阻抗参量方程变为：（2）导纳参量当端口短路时，U20，网络导纳参量方程变为：当端口短路时，U10，网络导纳参量方程变为：（3）转
16、移参量当端口开路时，I20，网络转移参量方程变为：当端口短路时，U20，网络转移参量方程变为：A11：端口开路时，端口 到端口电压传输系数的倒数；A21：端口开路时，端口 与端口之间的转移导纳；A22：端口短路时，端口 到端口电流传输系数的倒数；A12：端口短路时，端口 与端口之间的转移阻抗。221211100IIUZZU则 1121200IIZZ则12Y 22121100UUIYI则1121200UUIIYY则1122UAUAIII22122100IIA则 2 212121100UUAIAI则12S=6（4）散射矩阵当端口接匹配负载时，a20，网络散射参量方程变为：当端口接匹配负载时，a10
17、，网络散射参量方程变为：S 参量各参数的物理意义为：S11：端口接匹配负载时，端口的反射系数；S21：端口接匹配负载时，端口到端口波的传输系数；S22：端口接匹配负载时，端口的反射系数；S12：端口接匹配负载时，端口与端口波的传输系数。（5）传输矩阵当用 a1、 b1 作为输入量, a2、b2 作为输出量, 此时有以下线性方程:25. 双口网络中 S11= ，S 21= 。012ab012ab26.S 参数如何测量。答：对于互易双端口网络，S 12=S21，故只要测量求得 S11、S22 及 S12 三个量就可以了。设终端负载阻抗为 Zl，终端反射系数为 l，则有： ，代入21b212aSb得
18、 212bl输入端参考面处的反射系数为 linSab211令终端短路、开路和接匹配负载时，测得的输入端反射系数分别为 ，代入上式mos和，解得： somsoS2)(221127. 多口网络S矩阵的性质：网络互易有 S T=S ，网络无耗有 S + S=I ，网络对称时有 Sii=Sjj。28. 简述微波元器件中有源元器件和无源元器件在微波电路中的作用。221211100aabSbS则 1121200aabSbS则 121aTba7答：阻抗匹配元器件是用于调整传输系统与终端之间的阻抗匹配元件，它们的作用是为了消除反射，提高传输效率，改善系统稳定性。主要包括螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变性变换
19、器等。29. 微波元器件按照变换性质分为 线性互易元器件 ，线性非互易元器件 ， 非线性元器件 。30. 阻抗匹配元器件的定义，作用，并举例说明有哪些阻抗匹配元件。答：阻抗匹配元器件是用于调整传输系统与终端之间的阻抗匹配元件，它们的作用是为了消除反射，提高传输效率，改善系统稳定性。主要包括螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器及渐变性变换器等。31. 写出理想的双口元件的S矩阵，理想衰减器的S= ，理想相移0lle器S= ，理想隔离器S= 。0jje 0132. 功率分配元器件的定义，并举例说明有哪些？答：将一路微波功率按比例分成几路的元件称为功率分配元件，主要包括定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支
20、器件。33. 简述双分支定向耦合器的工作原理，并写出 3dB 双分支定向耦合器的S矩阵。答：假设输入电压信号从端口“”经 A 点输入，则到的 D 点的信号有两路，一路由分支线直达，其波行程为 g/4，另一路由 ABC D ，波行程为 3 g/4,；故两条路径到达的波行程差为 g/2，相应的相位差为 ，即相位相反。因此若选择合适的特性阻抗，使到达的两路信号的振幅相等，则端口“”处的两路信号相互抵消，从而实现隔离。同样由 AC 的两路信号为同相信号，故在端口“”有耦合输出信号，即端口“”为耦合端。耦合端输出信号的大小同样取决于各线的特性阻抗。 012jjS834. 简述 E-T 和 H-T 分支的
21、主要区别，并画出它们的等效电路。答： E-T 和 H-T 分支都是在主波导宽边面上的分支，其轴线平行于主波导的 模的电场10TE方向，不同点在于 E-T 分支相当于分支波导与主波导串联，而 H-T 分支相当于并联于主波导的分支线。35. 简述天线的定义和功能答：用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。基本功能：1）天线应能将导播能量尽可能多地转变成电磁波能量；2）天线具有方向性；3）天线有适当的极化。4）天线应有足够的工作频带。36. 简述天线近场区和远场区的特点近场区： 在近区, 电场 E 和 Er 与静电场问题中的电偶极子的电场相似, 磁场 H 和恒定电流场问题中的电流元的磁场相似, 所以近
22、区场称为准静态场; 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, 可认为近区场近似为零。 电场与磁场相位相差 90, 说明玻印廷矢量为虚数, 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, 所以近区场又称为感应场。 9远场区：在远场，点基本振子的场只有 E 和 H 两个分量，它们在空间上相互垂直，在时间上同相位，所以其玻印亭矢量 S= EH*是实数，且指向 r 方向。这说明电基本振子的远场区是21一个沿着径向向外传播的横电磁波，故远场区又称辐射场。E/H=（0/0） 1/2=120（）是一个常数，即等于煤质的本征阻抗，因而远场区具
23、有与平行波相同的特性。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。在不同的方向上，辐射强度不相等。这说明电基本振子的辐射是有方向性的。37. 天线的电参数有哪些？答：天线的电参数有：主瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数。38. 电基本振子的归一化方向函数 |sin|，方向系数 D=1.5，辐射电阻F,=，3dB 波瓣宽度 900.R=280）（ l .5239. 试画出沿 z 轴放置电基本振子的 E 平面和 H 平面的方向图。（a）图为电基本振子 E 平面方向图（b）为电基本振子 H 平面方向图4
24、0. 解释天线的方向图，以及 E 面和 H 面？答：如果将作为空间角度 q 和 f 函数的天线方向性函数以图形的形式表示出来，则称为方向图或方向性图。E 面：包含最大辐射方向，电场矢量所在的平面（由电场强度方向和最大辐射方向构成的平面） ，H 面：包含最大辐射方向，磁场矢量所在的平面称为（由磁场方向和最大辐射方向构成的平面） 。41. 简述什么是天线的极化，极化的分类？10答：天线的极化是天线在最大辐射方向上辐射场的极化，一般是指辐射电场的空间取向。辐射场的极化是指在空间某一固定位置上电场矢量端点随时间运动的轨迹。根据轨迹形状不同，可分为线极化、圆极化和椭圆极化。线极化：电场矢量沿着一条线做往
25、复运动。线极化分为水平极化和垂直极化。圆极化：电场矢量的大小不变，其末端做圆周运动。分为左旋圆极化和右旋圆极化。椭圆极化：电场矢量大小随时间变化，其末端运动的轨迹是椭圆。分为左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。 42. 简述波瓣宽度答：波瓣宽度是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常它取方向图主瓣两个半功率点之间的宽度，在场强方向图中，等于最大场强的 1/ 两点之间的宽度，称为半功率2波瓣宽度；有时也将头两个零点之间的角宽作为主瓣宽度，称为零功率波瓣宽度。43. 从接收角度讲, 对天线的方向性有哪些要求？答：1）主瓣宽度尽可能窄，以抑制干扰，但如果干扰与有用信号来自同一方向，即使主瓣宽度很窄，
26、也不能抑制干扰，另一方面当来波方向易于变化时，主瓣太窄难以保证稳定的接收，如何选择主瓣宽度，应根据具体情况而定。2）旁瓣电平尽可能低，在任何情况下，都希望电平尽可能地低。3）要求天线方向图中，最好有一个或多个可控制的零点，以便将零点对准干扰方向，而且当干扰方向变化时，零点方向也随之改变，以抑制干扰，这也称为零点自动形成技术44. 什么是衰落？简述引起衰落的原因。答：所谓衰落，一般是指信号电平随时间的随机起伏。引起衰落的原因大致分为两大类：吸收性衰落和干涉型衰落。吸收性衰落：由于传输煤质电参数的变化，使得信号在煤质中的衰减发生相应的变化，如大气中的云雾等都对电波有吸收作用，由于气象的随机性，因而这种吸收的强弱也有起伏，形成信号的衰落。干涉型衰落：由随机多径干涉现象引起的信号幅度和相位的随机起伏称为干涉型衰落。45. 什么是波长缩短效应？试简要解释其原因。对称振子上的相移常数 大于自由空间的波数 k，亦即对称振子上的波长短于自由空间波长，这是一种波长缩短现象。 对称振子辐射引起振子电流衰减, 使振子电流相速减小, 相移常数 大于自由空间的波数 k, 致使波长缩短; 由于振子导体有一定半径, 末端分布电容增大（称为末端效应）, 末端电流实际不为零, 这等效于振子长度增加, 因而造成波长缩短。振子导体越粗, 末端效应越显著, 波长缩短越严重。46. 证明方向性系数 204,sinDFd
