微波天线与技术课程报告1.docx

1、微波天线与技术课程报告1微波技术与天线课程报告 姓 名： 杨 占 生学号：310809020425专业班级：通信0804摘要微波是电磁波中介于超短波了红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短的波段，其频率范围从300MHz至3000GHz。微波具有似光性、穿透性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗干扰特性。除了上述特性外，它还有以下特点：1、视距传播特性2、分布参数的不确定性3、电磁兼容与电磁环境污染。微波天线与电波传播是无线电技术的一个重要组成部分，微波主要研究如何引导电磁波在微波传输系统中有效传输，天线的任务则是把无线电波能量转换为导行波能量。本课程我们主要学习了均匀传输线理论、规则金

2、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。通过学习，我了解到了微波的特点、传输原理、传输条件、网络基础以及微波技术的发展及应用前景等一系列的知识，受益匪浅。关键字：微波 天线 无线电技术 目录摘要1目录2一、均匀传输线理论3二、规则金属波导4三、微波集成传输线5 四、微波网络基础5五、微波元器件6六、天线辐射与接收的基本理论7七、电波传播概论8八、线天线9心得体会11本课程我们共学习了八章，主要学习了均匀传输线理论、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。一、 均匀传输线理论1.1 均匀

3、传输线方程及其解共有三个参量：1）均匀传输线方程2) 传播常数 3) 相速p与波长 1.2 传输线阻抗与状态参量1. 输入阻抗 由上一节可知, 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Ul、终端电流Il的关系如下： 2. 反射系数 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： 3. 输入阻抗与反射系数的关系U(z)=U+(z)+U-(z)=A1e jz1+(z) I(z)=I+(z)+I-(z) = e jz1-(z)1. 行波状态 行波状态下传输线上的电压和电流： 2. 纯驻波状态 纯驻波状态就是全反射状态

4、, 也即终端反射系数|l|=1。 在此状态下, 由式（1- 2- 10），负载阻抗必须满足： 3. 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又有纯驻波, 构成混合波状态, 故称之为行驻波状态。 1.4 传输线的传输功率、 效率和损耗1.5 阻抗匹配 1) 分三种：负载阻抗匹配，源阻抗匹配，共轭阻抗匹配。 1.6 史密斯圆图及其应用 传输线上任意一点的反射函数(z)可表达为 ： 1.7 同轴线的特性阻抗 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。二、规则金属波导2.1导波

5、原理1. 规则金属管内电磁波 2. 传输特性1) 相移常数和截止波数： 。2) 相速p与波导波长g。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： 。3) 波阻抗。定义即： 。 4) 传输功率: 2.2 矩形波导 1. 矩形波导中的场2.矩形波导尺寸选择原则 2.3 圆形波导 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 1) 截止波长。圆波导TEmn模、TMmn模的截止波数分别为： 2) 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。 3. 几种常用模式 1) 主模TE11模2) 圆对称TM01模TM01模是圆波导

6、的第一个高次模3) 低损耗的TE01模TE01模是圆波导的高次模式 2.4 波导的激励与耦合：1. 电激励2. 磁激励3. 电流激励 三、微波集成传输线3.1 微带传输器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。共分三种： 1.微带线 2. 微带线3. 耦合微带线 3.2介质波导 介质波导可分为两大类：一类是开放式介质波导，主要包括圆形介质波导和介质镜像线等；另一类是半开放介质波导，主要包括H形波导、G形波导等。 3.3 光纤 光纤又名光导纤维, 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

7、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。 四、微波网络基础4.1 等效传输线1.等效电压和等效电流2.模式等效传输线4.2 单口网络1.单口网络的传输特性 令参考面T处的电压反射系数为l, 由均匀传输线理论可知, 等效传输线上任意点的反射系数为：2. 归一化电压和电流 由于微波网络比较复杂, 因此在分析时通常采用归一化阻抗, 即将电路中各个阻抗用特性阻抗归一, 与此同时电压和电流也要归一。 4.3 双端口网络的阻抗与转移矩阵在各种微波网络中, 双端口网络是最基本的, 任意具有两个端口的微波元件均可视之为双端口网络。下面介绍线性无源双端口网络各端口上电压和电

8、流之间的关系。 1. 阻抗矩阵与导纳矩阵 2. 转移矩阵 转移矩阵也称为A矩阵,它在研究网络级联特性时特别方便。4 散射矩阵与传输矩阵1. 散射矩阵2.传输矩阵3.散射参量与其它参量之间的相互转换4.S参数测量4.5 多端口网络的散射矩阵 (1) 互易性质(2) 无耗性质(3) 对称性质 五、微波元器件5.1 连接匹配元件 (1) 短路负载(2) 匹配负载(3) 失配负载 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 (1) 螺钉调配器(2) 多阶梯阻抗变换器(3) 渐变型阻抗变换器5.2 功率分配元器件 1. 定向

9、耦合器 1) 定向耦合器的性能指标 (1)耦合度(2)隔离度(3) 定向度 (4) 输入驻波比(5)工作带宽 2)波导双孔定向耦合器3)双分支定向耦合器4)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。 (1) 两路微带功率分配器 端口“”无反射; 端口“、”输出电压相等且 同相; 端口“、”输出功率比值为任意指定值 (2) 微带环形电桥 微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一种功率分配元件。 3. 波导分支器 将微

10、波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器, 它是微波功率分配器件的一种, 常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。 (1) E-T分支 (2)H-T分支 (3) 匹配双T 5. 3 微波谐振器件 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; 在放大器中用作谐振回路; 在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。5.4 微波铁氧体器件 1. 隔离器 1) 谐振式隔离器2) 场移式隔离器3) 隔离器的性能指标 2. 铁氧体环行器 一个理想的环行器必须具备以下的条件:输入端口完全匹配, 无反射;输入端口到输出端

11、口全通, 无损耗; 输入端口与隔离器间无传输。 于是环行器的散射参数应满足: 六、天线辐射与接收的基本理论6.1 概论 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,无线通信。 6.2 基本振子的辐射 1. 电基本振子 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、 相位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。 2. 磁基本振子的场 引入这种假想的磁荷和磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”, 可以大大简化计算

12、工作。 6.3 天线的电参数 1. 天线方向图及其有关参数 所谓天线方向图， 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。 2. 天线效率 天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比, 记为A， 即 3. 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=DA 4. 极化和交叉极化电平极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说,就是在空间某一固定位置上,电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形,如果是直线, 就称

13、为线极化;如果是圆就称为圆极化;如果是椭圆就称为椭圆极化。5. 频带宽度(Frequency Band Width)天线的电参数都与频率有关, 也就是说, 上述电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时, 往往要引起天线各个参数的变化,6. 输入阻抗与驻波比(Input Impedance and Standing Wave Ratio) 要使天线辐射效率高, 就必须使天线与馈线良好地匹配, 也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,才能使天线获得最大功率7. 有效长度 有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。 6.4 接收天线理论接收天线主要考虑以下四个方面：1. 天线接

14、收的物理过程及收发互易性2. 有效接收面积3. 等效噪声温度4. 接收天线的方向性 七、电波传播概论7.1电波传播的基本概念1. 无线电波在自由空间的传播 2. 传输媒质对电波传播的影响 (1) 传输损耗(2) 衰落现象(3)传输失真(4)电波传播方向的变化 7.2 视距传播1. 视线距离： 2. 大气对电波的衰减 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。3. 场分析 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

15、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。7.3 天波传播 1. 电离层概况 2. 无线电波在电离层中的传播 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。 7.4 地面波传播 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 Ez1越大, 说明传播损耗越大。 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, 由于受到条件的限制, 也可以采用低架水平天线接收。 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

16、此信号稳定, 这是地面波传播的突出优点。 7.5 不均匀媒质的散射传播 除了上述三种基本传输方式外, 还有散射波传播。 八、线天线8.1 对称振子天线8.2 阵列天线1. 二元阵2. 均匀直线阵8.3 直立振子天线与水平振子天线1. 直立振子天线 1) 单极天线的辐射场及其方向图2) 有效高度3) 提高单极天线效率的方法 2. 水平振子天线 水平振子天线经常应用于短波通信、电视或其它无线电系统中, 这主要是因为: 水平振子天线架设和馈电方便;地面电导率的变化对水平振子天线的影响较直立天线小;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。 2) 水平振子天线尺寸的选择 为

17、保证水平振子天线在较宽的频带范围内最大辐射方向不发生偏移, 应选择振子的臂长h0.625, 以保证在与振子轴垂直的方向上始终有最大辐射, 8.4 引向天线与电视天1. 引向天线2) 多元引向天线 对于总元数为N的多元引向天线, 其分析方法与二元引向天线的分析方法相似。2. 电视发射天线 1) 电视发射天线的特点 频率范围宽。 覆盖面积大。 在以零辐射方向为中心的一定的立体角所对的区域, 电视信号变得十分微弱。 我国的电视发射信号采用水平极化。 为了扩大服务范围, 发射天线必须架在高大建筑物的顶端或专用的电视塔上。2) 旋转场天线，设有两个电流大小相等I1=I2、相位差=90 的直线电流元, 在

18、水平面内垂直放置8.5 移动通信基站天线1. 移动通信基站天线的特点 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;天线应采用垂直极化;采用扇形天线; 如果是中心激励, 采用全向天线;天线增益应尽可能的高;天线与馈线应良好地匹配。2. 移动通信基站天线 VHF和UHF移动通信基站天线一般是由馈源和角形反射器两部分组成的, 为了获得较高的增益, 馈源一般采用并馈共轴阵列和串馈共轴阵列两种形式。 8.6 螺旋天线 螺旋天线的参数有: 螺旋直径d=2b;螺距h; 圈数N;每圈的长度c;螺距角; 轴向长度L。 1. 法向模螺旋天线 每一圈螺旋天线的辐射场为：E=aE+aE 2. 轴向

19、模螺旋天线 当d/0.250.45 时, 螺旋天线的一圈的周长接近一个波长, 此时天线上的电流呈行波分布, 则天线的辐射场呈圆极化, 其最大辐射方向沿轴线方向。 8.7 行波天线1. 行波单导线天线的方向图 若天线终端接匹配负载, 则天线上电流为行波分布: I(z)=I0 e- jz 2. V形天线和菱形天线 8.8 宽 频 带 天 线在许多场合中, 要求天线有很宽的工作频率范围。 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频程（fmax/fmin=2）或几倍频程范围内无明显变化, 就可称为宽频带天线。8.9 缝隙天线1. 理想缝隙天线的辐射场2. 波导缝隙天线8.10 微带天线

20、微带天线的主要特点有: 体积小、重量轻、低剖面, 因此容易做到与高速飞行器共形, 且电性能多样化（如双频微带天线、 圆极化天线等）, 尤其是容易和有源器件、微波电路集成为统一组件, 因而适合大规模生产。在现代通信中, 微带天线广泛地应用于100MHz到50GHz的频率范围。8.11 智能天线使用智能天线技术的主要优点有:具有较高的接收灵敏度;使空分多址系统（SDMA）成为可能;消除在上下链路中的干扰;抑制多径衰落效应。 心得体会通过微波技术与天线的学习，我了解到了许多这方面的知识，填补了我这方面知识的空白。同时，许老师还给我们介绍了许多课外的知识，这些知识开阔了我的视野，自己对所学专业也更加的

21、清楚了。非常感谢许老师。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。以前对于这些知识，听着都十分的熟悉，但是不知道是什么，也没法给出合理的解释，不过，经过学习，我已经明白是怎么回事了。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，至少大面上都知道，同时，我还学到了许多工程应用，这对于自己走出校门，参加工作有很多的帮助。在学习本课程的同时，许老师还给我们讲了许多课外的知识，TD-SCDMA、WIFI技术、通信资格认证等。这些知识都是书本上没有的，但是确实很实用。其实，我觉得知识是一方面，另一方面是树立榜样。我以前接触老师里，也有几个为我树立了榜样，无形的影响我对于事物的看法。许老师是教过我的大学老师里给我印象很深刻的一个，原因很简单，自信。你的自信很有感染力，我喜欢那种充满自信的感觉，好像什么事不怕，什么事都懂。一件事情，你即使很自信很努力也未必能促成，但是如果不自信，你在做这件事之前已经输了。你为我树立了一个自信的参考和榜样。最后，再次谢谢许老师