微波天线考试重点习题全解概要

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、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，传输常数错误！未找到引用源。，相速及波长。1特征阻抗即传输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0Z=它仅由自身的分布参数决定而与负载及信号源无关；2）传输常数jγαβ=+是描述传输线上导行波的衰减和相移的参数，其中，α和β分别称为衰减常数和相移常数，其一般的表达式为γ=传输线上电压、电流入射波（或反射波）的等相位面沿传播方向传播的速度称为相速，即Pwvβ=；4）传输线上电磁波的波长λ与自由空间波长0λ的关系2πλβ==5.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定义为该点的电压和电流之比，与导波系统的状态特性无关，10001tan(taninZjZzZzZZjZzββ+=+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(210110(||jzjzZZzeZZβφβ---Γ==Γ+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10ZZ=时，1Γ=0，此时传输线上任一点的反射系数都等于0，称之为负载匹配。驻波比与反射系数的关系：111||1||ρ+Γ=-Γ，驻波比的取值范围是1ρ≤∞；当传输线上无反射时，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。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+1λ/4(n=0,1,2,„处为电压波腹点。（2）终端负载开路时，z=nλ/2(n=0,1,2,„处为电压波腹点。（3）终端负载为纯电感jXL时，2,1,0((arctan24120⋯=-+=nZXnzLπλ处为波腹点；终端负载为纯电容-jXC时，2,1,0((arccot220⋯=-=nZXnzCπλλ处为波腹点。8.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：*ginZZ=。10.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β=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TE10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β和截止波数ck的关系是β=2）相速pv：电磁波的等相位面移动速度称为相速，即pvωβ==3）波导波长gλ：导行波的波长称为波导波长，它与波数的关系式为2gπλβ==4）波阻抗：某个波形的横向电场和横向磁场之比，即ttEZH=13.导波系统中工作波长与波导波长的区别。答：导行波的波长称为波导波长，用λg表示，它与波数的关系式为22/122kkkcg-==πβπλ其中，2π/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：①体积小、重量轻、性能优越、一致性好、成本低；②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：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、镜像波导点；④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，εr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：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。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：(,(,,((,(,,(zIyxzyxzUyxzyxkktkkt∑∑==式中，,(,(yxhyxekk、是二维实函数，代表了横向场的模式横向分布函数；((zIzUkk、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。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②开路时，I2＝0，网络阻抗参量方程变为：当端口①开路时，I1＝0，网络阻抗参量方程变为：（2）导纳参量当端口②短路时，U2＝0，网络导纳参量方程变为：当端口①短路时，U1＝0，网络导纳参量方程变为：（3）转移参量当端口②开路时，I2＝0，网络转移参量方程变为：当端口②短路时，U2＝0，网络转移参量方程变为：A11：端口②开路时，端口①到端口②电压传输系数的倒数；A21：端口②开路时，端口①与端口②之间的转移导纳；A22：端口②短路时，端口①到端口②电流传输系数的倒数；A12：端口②短路时，端口①与端口②之间的转移阻抗。（4）散射矩阵当端口②接匹配负载时，a2＝0，网络散射参量方程变为：22111122111211211100IIUZIUZIUUZZII======则11112222221212222200IIUZIUZIUUZZII======则11122122YYYYY⎡⎤=⎢⎥⎣⎦22111122111211211100UUIYUIYUIIYYUU======则11112222221212222200UUIYUIYUIIYYUU======则11112221212222UAAUUAIAAII⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦22111212121111212200IIUAUIAUUIAAUU======则((22112212221112222200UUAIIAIUIAAII===-=-==--则11122122SSSS⎡⎤⎢⎥⎣⎦S=22111122111211211100aabSabSabbSSaa======则当端口①接匹配负载时，a1＝0，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②接匹配负载时，端口①的反射系数；S21：端口②接匹配负载时，端口①到端口②波的传输系数；S22：端口①接匹配负载时，端口②的反射系数；S12：端口①接匹配负载时，端口①与端口②波的传输