微波技术与天线的课程设计

学院：计算机科学与技术

专业班级：通信工程2010-01

姓名：傅仁德

学号：311009020110目录

一、均匀传输线理论 (1)

二、规则金属波导 (5)

三、微波集成传输线 (7)

四、微波网络基础 (9)

五、微波元器件 (10)

六、天线辐射与接收的基本理论 (11)

七、电波传播概论 (14)

八、线天线 (15)

九、面天线 (16)

十、本课程心得体会 (19)

第一章 均匀第传输线理论

一般将截面尺寸、形状、煤质分布、材料及边界条件均不变的导波系统称为

规则导波系统，又称为均匀传输线。

对均匀传输线的分析方法通常有两种: 一种是场分析法, 即从麦克斯韦尔方程出发, 求出满足边界条件的波动解, 得出传输线上电场和磁场的表达式, 进而分析传输特性; 第二种是等效电路法, 即从传输线方程出发, 求出满足边界条件的电压、 电流波动方程的解, 得出沿线等效电压、电流的表达式, 进而分析传输特性。前一种方法较为严格, 但数学上比较繁琐, 后一种方法实质是在一定的条件下“化场为路”, 有足够的精度, 数学上较为简便, 因此被广泛采用。 均匀传输线电压电流方程，也称为电报方程为：

t

t z u C

t z Gu z

t z i t t z i L t z Ri z t z u ∂∂+=∂∂∂∂+=∂∂),(),(),(),(),(),(

对于时谐电压和电流, 可用复振幅表示为 ]

)(R e [),(]

)(R e [),(t

j t

j e

z I t z i e z U t z u ωω==

对无耗均匀传输线, 线上各点电压U (z )、 电流I (z )与终端电压U l 、终端电流I l 的关系如下：

定义传输线上任意一点z 处的输入电压和输入电流之比为该点的输入阻抗，记作)

()(),(z I z U Z z Z in in =

即，其特性阻抗)

()(0z I z U Z ++=

定义传输线上任意一点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, 即：⎪⎪⎭

⎪

⎪⎬⎫=

=

++)()_()()_(i u z I z I Γz U z U Γ

对无耗传输线的行波状态则有：沿线的电压电流振幅不变,驻波比为1；电压电流在任一点上都同相；传输线上任意点的阻抗都等于传输线的特性阻抗

纯驻波状态就是全反射状态, 也即终端反射系数|Γl|=1。 负载阻抗必须满足：

110

101=Γ=+-Z Z Z Z

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又有纯驻波, 构成混合波状态, 故称之为行驻波状态。

均匀传输线的阻抗匹配分三种：负载阻抗匹配，源阻抗匹配，共轭阻抗匹配。 阻抗匹配的方法：y/4阻抗变换器法、支节调配器法。

本章最重要的是史密斯圆图：1、阻抗圆图 对传输线上任意一点的反射系数)(z Γ用极坐标表示，当为无耗线时有φ

βφj z j e

e

z 1)

2(11)(Γ=Γ=Γ-

反射系数极坐标表示

反射系数极坐标表示 反

射系数圆图

归一化电阻和归一化电抗为参数的两组圆方程：

上述方程的第1式为归一化电阻圆(resistance circle)，见图1-18(a)；第2式为归一化电抗圆(reactance circle)，见图1-18(b)。

2、导纳圆图 根据归一化导纳与反射系数之间的关系可以画出另一张圆图，

称作导纳圆图。由归一化阻抗和导纳的表达式

式（1-6-7）中，g 是归一化电导，b 是归一化电纳。将归一化阻抗表示式中的

Γ-→Γ，则y z →，也就是b x g r →→,，阻抗圆图变为导纳圆 。由于

π

j e

Γ=Γ-，所以让反射系数圆在圆图上旋转180度 ，本来在阻抗圆图上位于

⎪

⎪⎭

⎪

⎪⎬

⎫

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-222

22

211)1(111x x ΓΓr Γr r Γv u

v u 图 1-18 归一化等电阻和电抗圆 (a) 归一化电阻圆； (b) 归一化电抗

x

r Γ

Γ

z in j 11+=-+=b

g Γ

Γ

y in j 11+=+-=1-6-6

1-6-7

B 点，B 点代表归一化导纳在导纳圆图上的位置如图1-19所示。

阻抗圆图与导纳圆图的重要点、线、面的对应关系如图1-20和图1-21所示。

图1-19 作Γ-→Γ 变换在圆图上的表示

图 1-20 阻抗圆图上的

重要点、线、面

第二章 规则金属波导

1. 规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图2-1 所示坐标系, 设z 轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变, 故称为规则金属波导。为了简化起见, 我们作如下假设:

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。

设z 轴与波导的轴线相重合。

1) 相移常数和截止波数： 2

2c 2c 2/1k k k k k -=-=β。

图 1-21 导纳圆图上的重要点、 线、 面

2) 相速p v 与波导波长λg 。电磁波在波导中传播, 其等相位面移动速率称为相速, 于是有： 2

2c

2

2

c

p /1/

/11k

k c k

k k

r

r -=

-=

=

εμωβ

ωυ；

g λ=

2

2

/1122k

k k

c -=

πβ

π

。

3) 波阻抗。定义某个波形的横向电场和横向磁场之比为波阻抗。即：t

t H E Z =

4) 传输功率:

⎰

⎰

⎰

⎰

=

=

⋅⨯=

⋅⨯=*

*

S

t S

t S

z t t S

S

H Z S E Z

dS

a H E S H E P d ||2

d 21)(Re

2

1d )(Re

2

12

2

Z 为该波形的波阻抗

2. 选择矩形波导尺寸应考虑几个方面的因素：波导带宽、波导功率容量、波导的衰减。

3 圆形波导与圆截面波导的截面图

圆形波导

圆波导的截面模式图

1） 圆波导中的场与矩形波导一样, 圆波导也只能传输TE 和TM 波型。

2） 圆波导的传输特性 截止波长 ：圆波导TEmn 模、TMmn 模的截止波数

分别为：

⎪⎭

⎪⎬

⎫

=

=a k a k mn mn

mn mn υμcTM cTE 简并模。在圆波导中有两种简并模, 它们是E-H 简并和极化简并。 4.波导的激励与耦合的本质是：电磁波的辐射和接收，是微波源向波导内 有限空间的辐射或在波导的有限空间内接收微波息。激励波导的方法通常有三种：电激励、磁激励和电流激励。

第三章 微波集成传

输线

对微波集成传输元件的基本要求

之一就是它必须具有平面型结构, 这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性, 从而实现微波电路的集成化。归纳起来可分为四大类：

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 ④ 半开放式介质波导, 主要包括H 形波导、G 形波导等。 本章首先讨论带状线、微带线及耦合微带线的传输特性, 然后介绍介质波导的工作原理, 并对几种常用介质波导传输线进行介绍, 最后对介质波导的特例——光纤波导进行分析。

三种常用介质波导：微带线 、微带线、耦合微带线。它们均属于双导体传

t

W

b

接地板

中心导带

图 2 -3 BJ -32波导各模式截止波长分布图 带状线

输线，主要传输的是TEM 波。带状线： 构成： 两块接地板（相距为b ），中间为矩形截面导体带（宽度为W 、厚度为t ），板间填充空气或介质。继承了同轴线的特性：TEM 横电磁波传输系统，没有截止频率，无色散,工作频带宽，频率

高到一定程度，存在高次模。

微带线：

微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带和接地板构成的一个特殊传输系统，导体带宽度为w ，厚度为t

当频率较高时，微带线的特性阻抗与相速随着频率变化而变化，即具有色散特性；

耦合微带线 耦合微带传输线简称耦合微带线, 它由两根平行放置、 彼此靠得很近的微带线构成。耦合微带线有不对称和对称两种结构。 两根微带线的尺寸完全相同的就是对称耦合微带线, 尺寸不相同的就是不对称耦合微带线。耦合微带线可用来设计各种定向耦合器、滤波器、平衡与不平衡变换器等。这里只介绍对称耦合微带线。对称耦合微带线的结构及其场分布如图 3 - 7 所示， 其中w 为导带宽度，s 为两导带间距离。

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。光纤按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、 塑料包层玻璃芯光纤和全塑料光纤。光纤通信技术的主要优点：

D

W

h

t

导带

介质基片 接地板

εr 0/1/()

1/p

p z L C v C v LC ⎧=

=⎪⎨=⎪⎩特性阻抗：相速：图 3 – 7 对称耦合微带线的结构及其场分

不受电磁干扰，保密性好；

耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠；

光纤的损耗小，可用于远距离通信；

光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻光纤示意图：

图3-15 光纤和光缆的结构

(a) 光纤的结构(b)光缆的结构

第四章微波网络基础

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，将实际的微波系统简化为微波网络。

1. 等效电压和等效电流 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:

①电压U(z)和电流I(z)分别与Et和Ht成正比;

②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;

③电压和电流之比应等于对应的等效特性阻抗值。

2.模式等效传输线 不均匀性的存在使传输系统中出现多模传输, 由于每个模式的功率不受其它模式的影响, 而且各模式的传播常数也各不相同, 因此每一个模式可用一的等效传输线来表示。这样可把传输N个模式的导波系统等效为N个的模式等效传输线, 每根传输线只传输一个模式, 其特性阻抗及传播常数各不相同。另一方面由不均匀性引起的高次模, 通常不能在传输系统中传播, 其振幅按指数规律衰减。因此高次模的场只存在于不均匀区域附近, 它们是局部场。

3. 单口网络当一段规则传输线端接其它微波元件时，则在连接的端面引起不连续，产生反射。若将参考面T选在离不连续面较远的地方，则在参考面T 左侧的传输线上只存在主模的入射波和反射波，可用等效传输线来表示，将参考面T以右部分作为一个微波网络，把传输线作为该网络的输入端面，则构成单口网络。

单口网络的传输特性

当导波系统中插入不均匀体，会在该系统中产生反射和透射，改变原有传输分布，且可能激起高次模，但由于将参考面T设置在离不均匀体较远的地方，高次模的影响可以忽略，可等效双口网络。

第五章微波元

器件

微波原器件是微波的重要组成部分，主要对微波信号进行必要的匹配、分配、放大、调制等处理或变换。

5.1 连接匹配元件

1.终端负载元件短路负载:短路负载是实现微波系统短路的器件, 对金

属波导最方便的短路负载是在波导终端接上一块金属片。匹配负载：匹配负载是一种几乎能全部吸收输入功率的单端口元件。对波导来说,一般在一段终端短路的波导内放置一块或几块劈形吸收片, 用以实现小功率匹配负载, 吸收片通

常由介质片（如陶瓷、胶木片等）涂以金属碎末或炭木制成。失配负载：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。

2. 微波连接元件 微波连接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波导接头、衰减器、相移器、转换接头。

3. 阻抗匹配元件 分为螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器、渐变型阻抗变换器。

5.2 功率分配元器件1.定向耦合器

此外还有波导双孔定向耦合器、双分支定向耦合器、平行耦合微带定向耦合器。

2. 功率分配器 将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同, 可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。分为：两路微带功率分配器、微带环形电桥、波导分支器。

第六章天线辐射与接收的基本理论通信的目的是传递信息, 根据传递信息的途径不同, 可将通信系统大致分为两大类:有线通信和无线通信。在无线通信中，天线是其最重要的设备。天线是用来辐射和接收无线电波的装置。

无线电通信系统框图

天线的功能：

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。

⑤天线应有足够的增益

天线的基本功能是把经馈线从发射机输送过来的高频导波能量以电磁波的形式向周围定向辐射出去，或将空间的电磁波转化为高频导波能量输送给接收机。天线的电参数就是定量表征天线能量转换和定向辐射能力的量。

天线方向图及其有关参数

方向系数：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度Smax与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度S0之

比：

天线效率：天线辐射功率与输入功率之比。

增益系数：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。

接收天线理论：

1） 有效接收面积：有效接收面积是衡量一个天线接收无线电波能力的重要指标。它的定义为: 当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时, 接收天线传送到匹配负载的平均功率为PLmax, 并假定此功率是由一块与来波方向相垂直的面积所截获, 则这个面积就称为接收天线的有效接收面积, 记为Ae, 即有

av L e S P A max

=

η2

21

i

av E S *=

2）接收天线的方向性 ：从以上分析可以看出, 收、发天线互易。也就是说, 对发射天线的分析, 同样适合于接收天线。但从接收的角度讲, 要保证正常接收, 必须使信号功率与噪声功率的比值达到一定的数值。为此, 对接收天线的方向性有以下要求:

天线的等效电路

① 主瓣宽度尽可能窄, 以抑制干扰。但如果信号与干扰来自同一方向, 即使主瓣很窄,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 则难以保证稳定的接收。因此, 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。如果干扰方向恰与旁瓣最大方向相同, 则接收噪声功率就会较高, 也就是干扰较大; 对雷达天线而言, 如果旁瓣较大, 则由主瓣所看到的目标与旁瓣所看到的目标会在显示器上相混淆, 造成目标的失落。 因此, 在任何情况下, 都希望旁瓣电平尽可能的低。

③ 天线方向图中最好能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, 这也称为零点自动形成技术。

第七章 电波传播概论

视线距离：设发射天线高度为h1、接收天线高度为h2（图7-3）, 由于地球曲率的影响, 当两天线A 、B 间的距离r ＜rv 时, 两天线互相“看得见”, 当r ＞rv 时, 两天线互相“看不见”, 距离rv 为收、 发天线高度分别为h2和h1时的视线极限距离, 简称视距。图 7-3 中, AB 与地球表面相切, a 为地球半径, 由图可得到以下关系式: )(221v h h a r +=

大气对电波的衰减主要来自两个方面。一方面是云、雾、 雨等小水滴对电波的热吸收及水分子、氧分子对电波的谐振吸收。 另一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射。

在视距传播中, 除了自发射天线直接到达接收天线的直射波外,还存在从发射天线经由地面反射到达接收天线的反射波， 如图 7-5 所示。因此接收天线处的场是直射波与反射波的叠加。

仿照电波在视距传播中的介绍方法, 可将电离层分成许多薄片层, 每一薄片层的电子密度是均匀的, 但彼此是不等的。

地面波传播：① 垂直极化波沿非理想导电地面传播时,当地面的电导率越小或电波频率越高, 电场纵向分量 E z1越大, 说明传播损耗越大。② 地面波的波前倾斜现象在接收地面上的无线电波中具有实用意义。在某些场合, 由于受到条件的, 也可以采用低架水平天线接收。③ 地面波由于地表面的电性能及地貌、 地物等并不随时间很快地变化, 并且基本上不受气候条件的影响, 因此信号稳定, 这是地面波传播的突出优点。 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。

阵列天线以半波长对称振子为基本元为基础。振子水平排列具有分割H 面及

实现水平面波束移动的作用。

可实现H 面分割成两波束，

可实现180°水平面的三波束。相位差 均为边射阵，最大辐射方

向在阵轴的垂直面上，在阵轴方向上

时表现为端射阵，其中 超前时为反射作用，滞后时则为引向作用。

举例：

2λ

=d λ5.1=d 0=δ0,2

,00cos sin =+==⇐=+δπθϕδϕθkd kd πδ≤≤0图7-3 视线距离

智能天线能够检测来波方向，调整相位，将波束对准用户，零点对准干扰源。直立阵

列起压缩E 面图的作用，在间隔 时压缩效果较好。适当的相位差可以实

现电调下倾。

阵列单元数目增加可以进一步压缩波瓣，同时旁瓣一般会增加，研究阵列结构，电流分布规律解决主瓣收窄与抑制旁瓣电平之间的矛盾。阵列结构除了均匀直线阵，还有圆阵，十字阵等结构，与智能天线、MIMO-OFDM 宽带无线通信关系密切。

关于地面对天线性能的影响：基本电振子对无限大理想导体平面的镜像

2λ=d

h

h

σ＝∞

基本电振子的镜像

(a) 垂直振子 (b) 水平振子

(c) 倾斜振子

图 8 –9 等幅同相二元阵(边射阵)

图 8 – 11 天线阵的H 面方向图

第九章 面天线

面天线的结构包括金属导体面S ′、金属导体面的开口径S （即口径面）及由S 0=S ′+S 所构成的封闭曲面内的辐射源,

由于在封闭面上有一部分是导体面

S ′, 所以其上的场为零, 这样使得面天线的辐射问题简化为口径面S 的辐射，

即S 0=S ′+S →S , 设口径上的场分布E S , 根据惠更斯-菲

涅尔原理, 把口径面分割为许多面元d S , 称为惠更斯元。

旋转抛物面天线是在通信、 雷达和射电天文等系统中广泛使用的一种天线, 它是由两部分组成的, 其一是抛物线绕其焦轴旋转而成的抛物反射面, 反射面一般采用导电性能良好的金属或在其它材料上敷以金属层制成; 其二是置于抛物面焦点处的馈源（也称照射器）。馈源把高频导波能量转变成电磁波能量并投向抛物反射面, 而抛物反射面将馈源投射过来的球面波沿抛物面的轴向反

射出去, 从而获得很强的方向性。

分析方法： ① 口径场法——根据上节提及的惠更斯原理, 抛物面天线的辐射场

可以用包围源的任意封闭曲面（S′+S）上

●

源

S

S ′

面天线的原理

z r

d S

y

x n

O

d y

d x

H x

E y

惠更斯元

O

D 0

－x f

K

M

y

z

M ″

K ″

O ″ψF

α2α1ψ0

ρ

②面电流法——先求出馈源所辐射的电磁场在反射面上激励的面电流密度

分布, 然后由面电流密度分布再求抛物面天线的辐射场。

抛物面天线的辐射特性

口径场分布：计算口径场分布时, 要依据两个基本定律——几何光学反射定律和能量守恒定律, 而且必须满足以下几个条件: 馈源辐射理想的球面波, 即

它有一个确定的相位中心并与抛物面的焦点重合; 馈源的后向辐射为零; 抛物

面位于馈源辐射场的远区, 即不考虑抛物面与馈源之间的耦合。

馈源：

(1) 对馈源的基本要求

抛物面天线的方向性很大程度上依赖于馈源。也就是说, 馈源的好坏决定着抛物面天线性能的优劣, 通常对馈源提出如下基本要求:

①馈源方向图与抛物面张角配合, 使天线方向系数最大; 尽可能减少绕过抛物面边缘的能量漏失; 方向图接近圆对称, 最好没有旁瓣和后瓣。

②具有确定的相位中心, 这样才能保证相位中心与焦点重合时, 抛物面口径为同相场。

③因为馈源置于抛物面的前方, 所以尺寸应尽可能地小, 以减少对口径的遮挡。

④应具有一定的带宽, 因为天线带宽主要取决于馈源系统的带宽。

(2) 馈源的选择

馈源的类型很多, 如何选择馈源应根据天线的工作波段和特定用途而定。

抛物面天线多用于微波波段, 馈源多采用波导辐射器和喇叭, 也有用振子、螺

旋天线等作馈源的。

波导辐射器由于传输波型的, 口径不大, 方向图波瓣较宽, 适用于短

焦距抛物面天线。长焦距抛物面天线的口径张角较小, 为了获得最佳照射, 馈源方向图应较窄, 即要求馈源口径较大, 一般采用小张角口径喇叭。在某些情况下,要求天线辐射或接收圆极化电磁波（如雷达搜索或跟踪目标）, 这就要求馈源为圆极化的, 像螺旋天线等。有时要求天线是宽频带的, 这就应采用宽频带馈源, 如平面螺旋天线、对数周期天线等。总之, 应根据不同的情况, 选择不同的馈源。

心得体会通过对《微波技术与天线》的学习，我学习到了这方面许多相关的知识，对信号传输有了真正深刻的了解。同时，老师还给我们介绍了许多课外的知识，比如联通的WCDMA,还专门给我们安排了讲座，让我们对通信方面有了个全面和系统的认识。

通过对该课程的学习，我了解到了均匀传输线理论、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。现在，我对微波的特点、传输条件、传输原理、网络基础以及微波技术的发展及应用前景等一系列知识都有了很清楚的认识，至少大体上都知道。在学习的过程中，遇到了很多难点，比如复杂的数学公式定理的推导和运算等等。老师的建议就是要我们抽掉数学式子，然后回想自己到底学到了什么。这个方法很好，既避免了繁杂难懂的公式又能对本课程有个全面的领悟和体会。

由于本课程最后采用写论文的方式来考查，在此期间我用了大概5天的时间来准备与书写，感觉确实有点辛苦，毕竟课程章节多，每章节又有许多小知识点、小分类。不过也是获益良多！因为通过这样的方式，可以对整个知识面有个总体概括和深入理解，强化了记忆。我在写论文的时候用了一些老师PPT上的内容和图形，形象地说明了某些知识点的应用以及对它会有更深的理解。《微波技术与天线》是一门很有前途、发展空间很广的学科，在以后学习中我要是还有机会接触这门学科的相关知识点的话，我想我会很得益于这学期这门课的教学的。

最后还要感谢老师不辞辛苦，为我们教授这门课程的学习。