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微波理論基礎(chǔ)

【概要描述】

微波理論基礎(chǔ)

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詳情

一:微波技術(shù)知識要點綜述:
主要介紹了微波的波段、特點及其應用。在立足產(chǎn)品的前提下,了解微波理論的基礎(chǔ)概念型知識,拓展知識面,為進一步展開銷售工作提供技術(shù)基礎(chǔ)。
1. 微波的定義— 把波長從1米到1毫米范圍內(nèi)的電磁波稱為微波。在整個電磁波譜中,微波處于普通無線電波與紅外線之間,是頻率最高的無線電波,一般情況下,微波又可劃分為分米波、厘米波和毫米波三個波段。
波長、頻率和波速的關(guān)系:
對于任何波,都有  λ=波長(m),v=波速(m/s),f=頻率(Hz),c=光速=3×108, λ0=真空中的波長(m)

對于在自由空間(空氣中也可)中傳播的微波,波速為 



2. 微波具有如下四個主要特點:
1) 似光性、2) 頻率高、3) 能穿透電離層、4) 量子特性。
3. 微波技術(shù)的主要應用:
1) 在雷達上的應用、2) 在通訊方面的應用、3) 在科學研究方面的應用、4) 在生物醫(yī)學方面的應用、5) 微波能的應用
4. 微波技術(shù)是研究微波信號的產(chǎn)生、傳輸、變換、發(fā)射、接收和測量的一門學科,它的基本理論是經(jīng)典的電磁場理論,研究電磁波沿傳輸線的傳播特性有兩種分析方法。一種是“場”的分析方法,即從麥克斯韋方程出發(fā),在特定邊界條件下解電磁波動方程,求得場量的時空變化規(guī)律,分析電磁波沿線的各種傳輸特性;另一種是“路”的分析方法,即將傳輸線作為分布參數(shù)電路處理,用克希霍夫定律建立傳輸線方程,求得線上電壓和電流的時空變化規(guī)律,分析電壓和電流的各種傳輸特性。
二:傳輸線理論知識要點:
ô  主要研究了均勻傳輸線的一般理論傳輸線的計算方法等問題。傳輸線理論本質(zhì)上屬于以為分布參數(shù)電路理論。 傳輸線即可以作為傳輸媒介,也可以用來制作各種類型的器件,如諧振電路、濾波器、阻抗匹配電路、脈沖形成網(wǎng)絡等等,求解此類問題可以采用電路分布理論推導方式,也可采用史密斯圓圖方法,簡便的得出問題的答案。
關(guān)鍵概念:傳輸線、基本方程、傳波常數(shù)、分布參數(shù)阻抗、反射系數(shù)、駐波系數(shù)、無耗工作狀態(tài)(特例)、有耗工作狀態(tài)、電壓駐波比、史密斯圓圖(工具)、阻抗匹配
1. 傳輸線可用來傳輸電磁信號能量和構(gòu)成各種微波元器件。微波傳輸線是一種分布參數(shù)電路,線上的電壓和電流是時間和空間位置的二元函數(shù),它們沿線的變化規(guī)律可由傳輸線方程來描述。傳輸線方程是傳輸線理論中的基本方程。
2. 根據(jù)基爾霍夫定律,均勻無耗傳輸線方程為

 
3. 終端接的不同性質(zhì)的負載,均勻無耗傳輸線有三種工作狀態(tài):
    (1) 當時,傳輸線工作于行波狀態(tài)。線上只有入射波存在,電壓電流振幅不變,相位沿傳播方向滯后;沿線的阻抗均等于特性阻抗;電磁能量全部被負載吸收。

    (2) 當、∞和時,傳輸線工作于駐波狀態(tài)。線上入射波和反射波的振幅相等,駐波的波腹為入射波的兩倍,波節(jié)為零;電壓波腹點的阻抗為無限大,電壓波節(jié)點的阻抗為零,沿線其余各點的阻抗均為純電抗;沒有電磁能量的傳輸,只有電磁能量的交換。

    (3) 當時,傳輸線工作于行駐波狀態(tài)。行駐波的波腹小于兩倍入射波,波節(jié)不為零;電壓波腹點的阻抗為最大的純電阻,電壓波節(jié)點的阻抗為最小的純電阻;電磁能量一部分被負載吸收,另一部分被負載反射回去。

4. 表征傳輸線上反射波的大小的參量有反射系數(shù),駐波比和行波系數(shù)K。它們之間的關(guān)系為

;

其數(shù)值大小和工作狀態(tài)的關(guān)系如下表所示。

5. 傳輸線阻抗匹配方法常用<阻抗變換器和分支匹配器(單分支、雙分支和三分支)。

三:規(guī)則金屬波導知識要點 :
以矩形金屬波導的求解為引線,探討了場解的基本規(guī)律,介紹了相關(guān)的公式及概念。隨后給出了圓形波導、同軸線等結(jié)構(gòu),進行了類比討論,最后探討了波導中激勵模式的產(chǎn)生及分析基礎(chǔ)。主要討論了矩形波導、圓波導、同軸線、其中矩形波導、圓波導和同軸線易采用場解法來分析其場分布和傳輸特性。
關(guān)鍵概念:,麥克斯韋方程、規(guī)則波導、矩形波導、圓形波導、同軸線、TE模、TM模、傳輸與截止、主模、波導正規(guī)模、波導的激勵
1.微波傳輸線是引導電磁波沿一定方向傳輸?shù)南到y(tǒng),故又稱作導波系統(tǒng)。被傳輸?shù)碾姶挪ㄓ址Q作導行波。導行波一方面要滿足麥克斯韋方程,另一方面又要滿足導體或介質(zhì)的邊界條件;也就是說,麥克斯韋方程和邊界條件決定了導行波在導波系統(tǒng)中的電磁場分布規(guī)律和傳播特性。
麥克斯韋方程(微分形式):



E=電場強度,表示電場對帶點質(zhì)點產(chǎn)生作用的能力。
H=磁場強度,表示磁場對電流或磁質(zhì)點產(chǎn)生作用的能力。
B=磁感應強度(磁通密度),表示單位時間內(nèi)通過單位長度的磁力線的量。
D=電通密度(電位移),表示單位面積上位移穿過的束縛電荷量。
J=電流密度,表示單位時間內(nèi)通過單位面積的電量,J=I/S,描述電流在空間分布的狀態(tài)。
ρ=電荷密度,表示單位空間上的電荷量,描述電荷在空間分布的狀態(tài)。
麥克斯韋方程是電磁運動的普遍規(guī)律,它的解有無窮多個,要從這無限多個解中選出滿足具體問題的解,常用電磁場的有限條件和邊界條件。
A,有限條件
對于連續(xù)介質(zhì),電磁場在空間處處有限,在無窮遠處電磁場為零。
B,邊界條件
對于不連續(xù)介質(zhì),根據(jù)電磁場理論,在介質(zhì)分界面上必須滿足:



1) 當介質(zhì)表面均為無耗媒質(zhì)(σ1=σ2=0)時,ρS=JS=0,邊界條件為
Ht1=Ht2
Et1=Et2
Bn1=Bn2
Dn1=Dn2
2) 當介質(zhì)表面為理想導體表面與無耗介質(zhì)表面時,E2=0、B2=0、H2=0,邊界條件為
Ht1=JS
Et1=Et2=0
Bn1=Bn2=0
Dn1=ρS

;

2.導波系統(tǒng)中的電磁波按縱向場分量的有無,可分為TE波、TM波和TEM波三種類型。前兩種是色散波,一般只在金屬波導管中傳輸;后一種是非色散波,一般在雙導體系統(tǒng)中傳輸。只有當電磁波的波長或頻率滿足條件或時,才能在導波系統(tǒng)中傳輸,否則被截止。
fc=截止頻率,與波導尺寸有關(guān)。
3. 導波系統(tǒng)中場結(jié)構(gòu)必須滿足下列規(guī)則:
a) 電力線一定與磁力線相互垂直,兩者與傳播方向滿足右手螺旋法則;
b) 在導波系統(tǒng)的金屬壁上只有電場的法向分量和磁場的切向分量;
c) 電力線一定是封閉曲線。
各類傳輸線內(nèi)傳輸?shù)闹髂<捌浣刂共ㄩL和單模傳輸條件列表如下:

 

TE10模在矩形波導中的電場結(jié)構(gòu)

TE10模在矩形波導中的磁場結(jié)構(gòu)

TE10模在矩形波導中的電磁場立體結(jié)構(gòu)


四:微波諧振腔知識要點:ô 
主要研究了常用微波諧振腔的特性以及其設計方法,包括傳輸線形諧振器、金屬波導諧振腔等內(nèi)容
關(guān)鍵概念: 諧振模式、諧振頻率、品質(zhì)因素、復諧振系數(shù)、阻尼引資、傳輸線諧振器、波導諧振腔、耦合系數(shù)、諧振腔的圍繞。
核心內(nèi)容有:微波諧振器概述,微波諧振器的基本特性與參數(shù),集總串聯(lián)/并聯(lián)RLC諧振電路的基本特性,論微波諧振器的激勵與諧振腔的微擾。
1. 定向耦合器是一個四端口的網(wǎng)絡元件,它具有定向傳輸?shù)奶攸c。它的主要指標是耦合度和隔離度(或方向性)。定向耦合器的種類很多,本章僅討論了波導雙孔耦合的定向耦合器,平行耦合線定向耦合器,分支定向耦合器。對于波導孔耦合的定向耦合器一般采用耦合波理論進行分析;對于后幾種定向耦合器,由于它們結(jié)構(gòu)上都具有對稱平面,故易采用奇、偶模參量法進行分析。無論是哪一種定向耦合器,至少有兩種以上的耦合波相互干涉,才能產(chǎn)生定向性。參加干涉的耦合波個數(shù)愈多愈能改善定向耦合器定向性的頻率特性,從而增寬頻帶。另外還介紹了兩種常用微波元件:微帶功分器和波導匹配雙T (魔T),它們也可看成是一類定向耦合器。
2. 微波諧振器是一種儲能和選頻元件,其作用相當于低頻電路中的諧振回路。主要討論了諧振器的分析方法、基本參量、基本特性及其等效電路。
3. 微波諧振器與低頻集中參數(shù)LC諧振回路的外特性是相同的,因此可以用等效電路來分析,尤其帶有耦合裝置的諧振器更適宜用等效電路法進行分析。
4. 對于傳輸線型諧振器的場分布的分析,采用使原有傳輸線的場分布滿足兩端面的邊界條件,即可得到由該傳輸線組成的諧振器中的場分布。諧振器中的場分布是呈駐波分布的。
5. 各種形式傳輸線,只要滿足諧振條件都可用來構(gòu)成諧振器。對于由兩端短路或開路的傳輸線構(gòu)成的諧振器,其諧振條件為l = nl0/2;對于由一端短路,另一端開路的傳輸線構(gòu)成的諧振器,其諧振條件為l = (2n-1)l0/4;對于由一端短路,另一端為容性電納負載的傳輸線構(gòu)成的諧振器,其諧振條件為

。式中為構(gòu)成諧振器的傳輸線中電磁波的相波長。

6. 矩形諧振腔中的主模為TE101。圓柱諧振腔中,當l<2.1R時, 主模為TM010,當l>2.1R時, 主模為TE111。同軸諧振腔中主模為TEM模。圓柱諧振腔中TE011諧振模具有很高的Q值,可用作自動頻率微調(diào)的標準腔、高頻率穩(wěn)定度的諧振腔和高精度波長計的工作模式。
7. 有耦合的諧振腔用場解法難以得到工程設計所需結(jié)果,故常采用網(wǎng)絡分析方法,即將有耦合的諧振腔分成耦合結(jié)構(gòu)和諧振腔兩個部分,然后分別找出它們各自的等效電路。
8. 場移效應:在矩形波導中的圓極化波位置,放入合適的橫向磁化強度的鐵氧體后,則原有矩形波導中TE10模的場結(jié)構(gòu)會發(fā)生位移,這種效應稱為場移效應。利用此特性做成的隔離器稱為場移式隔離器。
9. 隔離器是一種鐵氧體的非互易元件,它是單向傳輸元件,即對正向波可以無衰減地通過,而對反向波產(chǎn)生很大的衰減。這種元件在微波系統(tǒng)中有廣泛應用。
 
五:微波網(wǎng)絡基礎(chǔ)知識要點:ô 
主要研究微波電路的等效電路方法,即微波網(wǎng)絡方法。這種方法將微波集成電路的各端口等效為一對雙絞線系統(tǒng)(分布參數(shù)),將不連續(xù)性等效為集中參數(shù),由此可以得到完整的等效微波網(wǎng)絡電路,隨后探討了不同類型的矩陣表示方法及其轉(zhuǎn)換技術(shù)。
關(guān)鍵概念: 微波網(wǎng)絡、阻抗矩陣、導納矩陣、散射矩陣、幺正性、ABCD矩陣、傳輸線散射矩陣。
1. 微波系統(tǒng)包括均勻傳輸線和微波元件兩大部分。均勻傳輸線可等效為平行雙線;微波元件可等效為網(wǎng)絡。然后利用微波網(wǎng)絡理論,可對任何一個復雜微波系統(tǒng)進行研究。
2. 根據(jù)網(wǎng)絡外接傳輸線的路數(shù),來定義微波網(wǎng)絡端口的個數(shù)。微波網(wǎng)絡按端口個數(shù)一般分為:二端口網(wǎng)絡和多端口網(wǎng)絡(如三端口網(wǎng)絡、四端口網(wǎng)絡等)。本章以二端口網(wǎng)絡為重點,介紹了二端口網(wǎng)絡的五種網(wǎng)絡參量:阻抗參量、導納參量、轉(zhuǎn)移參量、散射參量和傳輸參量,以及基本電路單元的網(wǎng)絡參量。
3. 二端口網(wǎng)絡參量的性質(zhì)有

4. 二端口微波網(wǎng)絡的組合方式有:級聯(lián)方式、串聯(lián)方式和并聯(lián)方式,可分別用轉(zhuǎn)移矩陣、阻抗矩陣和導納矩陣來分析;二端口網(wǎng)絡參考面的移動對網(wǎng)絡參量的影響,可利用轉(zhuǎn)移矩陣和散射矩陣來分析。

5. 可逆無耗二端口網(wǎng)絡的基本特性有:S參量只有三個獨立參量,它們的相互關(guān)系為:;若網(wǎng)絡的一個端口匹配,另一個端口一定自動匹配,即若(

;若網(wǎng)絡完全匹配,則網(wǎng)絡一定完全傳輸,即若,則

一般情況下,微波元、器件通常可用集中參數(shù)和分布參數(shù)元件組成的等效電路表示,或用它們的網(wǎng)絡參數(shù)表示(一般講,一個n端口元件可用一個n端口網(wǎng)絡表示)。這些等效電路元件或網(wǎng)絡在按電路拓撲連接組成電路時,其端點的連接點便形成節(jié)點。待定導納矩陣法就是利用上述元件或網(wǎng)絡的待定導納矩陣建立整個電路導納矩陣并借以分析電路的方法。轉(zhuǎn)移矩陣法是目前微波電路機輔分析中應用最廣的一種方法,它非常適合二端口電路的分析。其步驟為:先建立電路中各元件的轉(zhuǎn)移矩陣,然后根據(jù)電路中各元件的連接方式,利用矩陣運算法則,求出整個電路的轉(zhuǎn)移矩陣,最后根據(jù)公式求出電路的各種外特性參數(shù)。散射矩陣法是微波電路機輔分析中特有的一種分析方法。由于在微波頻段,保持恒定的功率輸出和匹配終端條件相對比較容易,故微波網(wǎng)絡參數(shù)的測量一般都測其S參數(shù),因而基于S參數(shù)的散射矩陣法,在直接分析微波電路時顯得非常便利。因此,散射矩陣法也是微波電路機輔分析中的一種重要方法。
六:微波測量知識要點:
    主要介紹了微波測量方面的基本理論、概念、方法與技能。研究電磁場與微波技術(shù)學科中常用參數(shù)的測量方法。網(wǎng)絡特性參數(shù)主要是:單口網(wǎng)絡的駐波比,輸入阻抗和反射系數(shù);雙口網(wǎng)絡的插入駐波比、阻抗(或?qū)Ъ{)和散射等網(wǎng)絡參數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換,以及網(wǎng)絡特性的分項測量——衰減和相位移。信號特性參數(shù)主要是微波功率、頻率與波長。學會測量這些參數(shù)的測量系統(tǒng)的組成、測量方法的原理和適用場合、誤差來源,及某些測量方法的誤差分析。
關(guān)鍵概念:測量系統(tǒng)、測試參量、微波波長與頻率、相移、衰減、駐波系數(shù)。
測量線法測量駐波比時所用各種測量方法的原理和適用場合,及測量線法測量輸入阻抗、反射系數(shù)與3點法測量網(wǎng)絡參數(shù)的原理。了解測量線的近期發(fā)展情況及與微機結(jié)合的動態(tài)。了解測量線的誤差來源。基本反射計測量|r|的工作原理及其誤差分析、調(diào)配反射計工作原理及其調(diào)配不完善的誤差分析方法。
1:波長測量與頻率測量是等價的。波長測量是長度測量,用波長計。波長計的連接方式有通過式和吸收式。頻率測量是時間測量,用微波數(shù)字式頻率計。振幅與功率有關(guān),測量方法如下表:

2:相移測量法:

3:衰減測量的方法與應用:

4:駐波系數(shù)的測量:
   駐波測量是微波基本測量之一。駐波測量的任務在于測定駐波分布,駐波最大點和最小點的振幅以確定駐波系數(shù),測量最小點的位置確定波導波長。駐波最小點用交叉讀書法確定。波導波長為相鄰兩個最小點的距離的2倍。

 

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