微波技术基础课件—第3次课资料

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微波技术基础

Chap. 3 微带传输线
优点：
体积小、重量轻、频带宽、便于与微波集成电路相连接
缺点：
损耗大、Q值低、难以承受较大的功率（目前只适用于中小功率范围）
基本结构形式：
－对称微带线（带状线，stripline）
－不对称微带线（标准微带线或简称微带线，microstrip）
§5
§
§
α
⎦
⎣⎦
§
第2、3章小结
矩形波导
圆波导平行双线同轴线微带线介绍了多种传输线（波导）
带状线
二、一般规则波导中导行波的波型（模、模式）和传输特性
¾依据E z 和H z 存在的情形，可分为三类：
TEM波、TM波、TE波
波型（模式）是指每一种能够单独地在规则波导中存在的电磁场的一种分布状态（场结构）
¾依据色散特性可分为：
非色散波型（TEM波）与色散波型（TE波、TM波）单导体所构成的空心金属波导管内不可能传输TEM 波型。

双导体或多导体，则可以传输TEM 波型
六、微带传输线
1、带状线
•TEM 模
•主要特性参数：Z
c 、衰减等
•尺寸选择•准TEM 模
•主要特性参数：Z
c 、衰减、等效相对介电常数等
•色散特性与尺寸选择2、微带线。

微波课件3-微波技术与微波器件-栾秀珍-清华大学出版社

集总参数电感：在某一个区域中只含有磁能；集总参数电容：在某一个区域中只含有电能。
微波信号是交变电磁场，电场和磁场是铰链在一起的，没有单独的电场区域或磁场区域, 不存在集总参数
的电感和电容。
推广： 1）如果在某区域磁场储能大于电场储能，可等效为电感； 2）如果在某区域电场储能大于磁场储能，可等效为电容。
L(0) 10lg P1 (dB) : z=0处的起始衰减量。
P0
L(l) L(0) 8.68l (dB)
截止式衰减器的特点:
(1)衰减量(dB)数与移动距离l之间成线性关系, 可作为标准衰减器。
(2)当 C 时，衰减系数很大，移动不太长的一段距
离就可得到很大的衰减量。

2 c
( c )
第 3 章基本微波元件和阻抗变换器
(Basic Microwave Elements)
3.1 概论 3 . 2 微波电阻性元件 3 . 3 微波电抗性元件 3 . 4 微波移相器 3 . 5 极化变换器 3 . 6 抗流式连接元件 3 . 7 阻抗变换器
3.1 概论
基本电路元件:电阻、电感和电容。微波元件的外形、结构与集总参数的电路元件差异
可以证明：微波传输线中传输模所携带的电能和磁能是相等的，而截止模所含电能和磁能是不均衡的。
(1) 若截止模为TE模，则其磁能大于电能，可等效为电感；
(2) 若截止模为TM模，则其电能大于磁能，可等效为电容。
在传输系统人为引入某些不均匀性，则在不均匀性区域将激发起高次截止模。
传输线中的不均匀性: 传输线的尺寸或形状或填充介质发生了变化。
微波电阻性元件:衰减器和匹配负载。
衰减器:用来控制微波传输线中传输功率的装置，通过对波的吸收、反射或截止来衰减微波能量。

《微波技术基础》课件

微波具有高频率、短波长、高传输速率、穿透力强等特点。这些特性使得微波在通信、雷达和射频领域有着广泛的应用。
微波技术的应用领域
பைடு நூலகம்
通信
微波技术在无线通信领域发挥重要作用，包括移动通信、卫星通信和无线局域网等。
医疗诊断
微波医疗设备可用于乳腺癌检测、皮肤病诊断等，具有无创、高分辨率的特点。
雷达
微波雷达广泛应用于气象预测、航空导航、智能交通等领域，实现目标探测与跟踪。
循环器
循环器是一种用于控制信号方向流动的微波器件，常用于无线通信和雷达系统中。
微波电路的设计原则
1 匹配
保证信号的最大能量传输，减少反射损耗。
2 稳定性
设计电路时考虑温度、供电和尺寸等因素，保持稳定的工作性能。
3 带宽
设计宽带电路以满足不同频率范围的应用需求。
微波技术的未来发展趋势
未来，随着5G通信、物联网和人工智能等技术的快速发展，微波技术将在更多领域展示出巨大潜力，为人类社会的进步和创新提供支撑。
工业加热
微波加热技术广泛应用于食品加工、材料烧结等领域，具有快速、节能的特点。
常见的微波器件
波导
波导是一种用于传输和导向微波的金属管道，常用于通信、雷达等高频电路中。
功分器
功分器用于将一个输入信号分成两个或多个输出信号，常用于天线阵列和无线通信系统。
微波滤波器
微波滤波器用于选择性地传输或屏蔽特定频率的信号，常用于通信和雷达系统中。
结论和要点
微波技术是一门重要的学科，应用广泛且前景广阔。深入了解微波技术的基础知识对于我们掌握相关领域的应用和发展趋势至关重要。
微波技术基础
本PPT课件将带你深入了解微波技术的基础知识，包括微波技术的定义、物理特性、应用领域、常见器件、电路设计原则以及未来发展趋势。

微波技术基础ppt课件

延长OA在单位圆上读出
L 26
（2）过A点作等S圆与V m a x线交于B，与 V m线in 交于C，由 B点的值R 可得 S2.6
由A、C两点所对应的电长度的值可得
mi n0.50.214 0.286
去归一化得
minming1.7 1(6cm )
（3）的归一化值为 g7.4 460 1.24
计算串或并联时需去归一化
首先对负载阻抗及线长进行归一化
Z 1 Z 1Z c 1 2 .2 j 4 ,Z 2 Z 2Z c 2 0 .6 j 0 .8
l1 l1 g 0.38 l3 l3 g 0.15 l2 l2 g 0.288
a). 求 S1, S2
在阻抗圆图上分别找出 Z 和1 Z所2对应的点和A 1 ，A 2
数和S驻波相位；（mi3n ）
入阻抗 Z。
处的7输4.4cm
公式计算——直接求解法
画出等效电路图（参考面）列出公式写出相应步骤即可
圆图——图表法
（1）负载阻抗的归一化值为 Z L Z LZ 0 ( 1 0 0 j5 0 )5 0 2 j1
在实用阻抗圆图上找出的圆的交点A，如图 L OAOa0.44
YY1'Y2'0.9j2.62
将阻抗圆图视为导纳圆图，找出对应的点B，再将 Y
倒换为 Z得 B，'即 Z0.12j0.34
最后，在阻抗圆图（实际又将导纳圆图视为阻抗圆图）
上找出Z 对应的点 B，' 以为O半B'径作等Γ圆与Vmax线
相交。从交点的 R值读出 S为3
S3 10
C). 求 S和 lmin
lm in0.50.2180.282

微波课件1-1234

微波课件1-1234
此处添加副标题内容
第 1 章微波传输线理论
§1.1 传输线的基本概念 §1.2 长线理论 §1.3 传输线的特性参量和状态参量 §1.4 无耗传输线的工作状态 §1.5 圆图 §1.6 阻抗匹配
第 1 章微波传输线理论
§1.1 传输线的基本概念
1．1．1 微波传输线分类 1．1．2 微波传输线的分析方法
2I
0
Z 1 Y 1 ( R 1 jL 1 ) G 1 ( jC 1 ) j
由式
V(z) = Aez + Bez = Vi(z) + Vr(z)
dV dz
Z1I，
可得电流的通解
I(z ) Z A 1 /z e Z 1 B / ( ze ) Z A 0e z Z B 0e z Ii(z ) Ir(z )
决定，而与负载的性质无关的参数。
1．特性阻抗(Characteristic Impedance)
比较电压和电流表达式
V(z) = Aez + Bez = Vi(z) + Vr(z) I(z )Z A 0e z Z B 0e z Ii(z ) Ir(z ) 可知，传输线上的入射波和反射波分别为
传输线上电压和电流的通解
V(z) = Aez + Bez = Vi(z) + Vr(z) I(z )Z A 0e z Z B 0e z Ii(z ) Ir(z ) A 和 B 是待定常数，由给定的边界条件来确定。
在负载 z = 0 处，V(0) = VL，I(0) = IL，即
VL A B，
IL
A Z0
dI ≈ V(G1 + jC1)dz =VY1dz
Y1 = G1 + jC1 ：单位

微波课件绪论

3．全球卫星导航定位系统
应用：用以帮助舰船和空中飞行器拟定它们旳位置，
目前已扩展到涉及陆地上及外层空间中一切需要定位旳物体（如车辆、导弹等）。工作频段：卫星导航系统需要地面与卫星间旳信息传播，而微波具有穿透电离层旳特征，所以卫星导航系统都工作在微波波段。种类：
(1）GPS全球卫星导航系统（美国） (2）伽利略卫星定位系统（欧盟和中国）
2．微波元器件及整机设备不断向小型化、宽频带方向发展。
微波元器件经历了从电真空器件向半导体微波器件、从分离元件到集成电路旳发展过程。整机设备不断向体积小、重量轻、频带宽、可靠性高旳方向发展。
3．微波系统向自动化、智能化和多功能化方向发展。
各学科间旳相互渗透，促使微波设备、系统和测试仪表逐渐实现了自动化、智能化和多功能一体化。
卫星通信示意图
（3）移动通信早期旳移动通信利用短波和超短波。近年来其工作频率大部分已进入微波旳低频段。如
个人数字蜂窝系统(PDC, Personal Digital Cell )、个人通信系统(PCS, Personal Communication System)、数字蜂窝系统(DCS, Digital Cellular System )、无线局域网(WLAN, Wireless Local Area Network)、蓝牙技术（Blue Teeth Technique)。
表 0.1.2 常用微波分波段代号
波段代号
频率范围(GHz)
波长范围(cm)
标称波长(cm)
L
1~2
30~15
22
S
2~4
15~7.5
10
C
4~8
7.5~3.75
5
X

微波技术基础第3章

8h w 59 .952 ln w 4h a Z0 119 .904 6 w w h 2.42 0.44 1 h h w
w 1 h w 1 h
（3-1-26）
1. 带状线带状线又称三板线, 它由两块相距为b的接地板与中间宽度为w、厚度为t的矩形截面导体构成, 接地板之间填充均匀介质或空气, 如图 3 - 2（c）所示。
由前面分析可知, 由于带状线由同轴线演化而来, 因此与同
轴线具有相似的特性, 这主要体现在其传输主模也为TEM, 也存
在高次TE和TM模。带状线的传输特性参量主要有:
α=αc+αd
(3-1-5)
式中, α为带状线总的衰减常数；αc为导体衰减常数； αd 为介质衰减常数。
第3章微波集成传输线
介质衰减常数由以下公式给出:
27 .3 r 1 ad GZ 0 tan dB/m 2 0
(3-1-5)
式中, G为带状线单位长漏电导，tanδ为介质材料的损耗角正切。
第3章微波集成传输线
1 2 2 r 1 r 1 1 12 h 0.0411 w w/ h 1 2 2 w h e 1 r 1 r 1 1 12 h 2 w/ h 1 2 2 w （3-1-27）
vp
c
e
(3-1-22)
这样, 有效介电常数εe的取值就在1与εr之间, 具体数值由相对介电常数εr和边界条件决定。现设空气微带线的分布电容为C0, 介质微带线的分布电容为C1, 于是有
c
vp
1 LC0

微波技术基础 ppt课件

由此两式消去 H t ：
k2 z2 2 E vt z tE zja vz tH z ⑤
同理，由①、③可得：
k2 z2 2 H vt z tH zja vz tE z ⑥
k2 2 →无界媒质中电磁波的传播常数
★重要结论：规则导行系统中，导波场的横向分量可由纵向分量完全确定。
再由③出发：
结构—两根平行导线；缺点—随着信号频率升高，导线电阻损耗增大，不能有效引
导微波。
➢ 微波频段导波系统
米波频段结构—改进型双导线即平行双导体线；分米波～厘米波频段结构—封闭式双导体导波系统即同轴线；厘米波～毫米波频段结构—柱面金属波导；
毫米波～亚毫米波频段结构—柱面金属波导、介质波导。
导波系统的主要功能 1）、无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能
× H vjE v
× E vj H v
v H0
v E0
采用广义柱坐标系（u，υ，z），设导波沿z向（轴向）传播，微分算符▽和电场Ε、磁场Η可以表示成：
E v ( u , v t, z ) a v z E /v t ( z u , v , z ) a r z E z ( u , v , z )
H v ( u , v , z ) H v t ( u , v , z ) a v z H z ( u , v , z )
展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等
两边乘以
jωμ
v
t× H t j
a v zE v z ①
ta v zH za v z H zt j
v E t②
两边作
★重要结论：规则导行系统中导波场的纵向分量满足标量亥姆霍兹方程。
色散关系式
纵向场分量可以表示成横向坐标r和纵向坐标z的函数，即

微波技术基础课件—第3次课

TE TM S
TEM、TE、TM波的导体损耗
c
2 Rm H 0t dl l (Np / m) 2 2 Z TEM H 0t d S
S
TEM
c

TE
Rm 2 Z TE
l

S
2 2 2 4 Rm t H 0t kc H 0 z H 0t dl l 2 2 2 2 H 0t dS 2 Z TE k c H 0 z d S
0

p
c
相位速度
r r
, g
r r
, g
r r
特点:是相速大于平面波速，即大于该媒质中的光速，而群速则小于该媒质中的光速，同时导波波长大于空间波长。这是一种快波。 2 2 ② k k c ,临界状态 0 沿z方向没有波的传播过程，k称为临界（截止）波数。
We Wm

s
w e平均 d S wm平均 dS

4

E E dS
s

4
s

E E dS
s
TEM波
W eT E M

4

s
2 E0t dS
W mTEM

4

s
2 H 0t dS

TE、TM波
W eT E

4

s
2 E 0t dS
2

这时 k ， p g c ， g 。导行波的传播特性与均匀平面波相同，是TEM波。 2 kc 0
由k与kc的不同关系，这种导行波又可分为以下三种状态： ① k kc

微波课件4-1234

p 2l
2
取 p 0可得圆柱腔中最低E模— E010 模的谐振波长
0(E○010) 2.62R
结论：E010 模的谐振波长决定于腔半径 R，与腔长 l 无关。
调谐方法：不能采用调节腔长的办法来实现，只能通过
在腔端壁轴线处插入一长度可调的金属销钉来进行微调。
0(H○111)
1
1 3.41R
自由空间波长。
对于非色散波(TEM 波)，相应的谐振频率为 cp fo r 2l
对于色散波(TE、TM 波)，相应的谐振频率为
fo
c
r
1
c
2
p 2l
2
TEM 波
02l pFra bibliotekf0
c p r 2l
TE 波、TM 波
0
1
1
c
2
p 2l
2
f0
c r
1
c
2
p 2l
2
结论：传输线型谐振腔的谐振频率 f0 与腔的型式、尺寸、
对于非色散波(TEM 波)， g o，谐振波长为
o
2l p
对于色散波(TE、TM 波)
谐振波长为
g
1 ( c )2
o
1
1
c
2
p 2l
2
TEM 波
TE 波、TM 波
o
2l p
o
1
1
c
2
p 2l
2
注意：谐振波长 o 是指谐振时电磁波在腔内填充介质中的
介质波长，仅当腔中为真空(或空气填充)时，它才相应于
0 ( H1○1 1)
这时 H111 模是圆柱形谐振腔的最低模式。

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1.3.3 TE、TM波的特性分析
场分量
➢ TE波的场分量
将 Ez ，0 H 代z 入0横-纵场的关系式有：
v H 0t

kc2
t Hz
v E0t

j
kc2
t H z avz
vv
ETvE0t波的场Hv分0t成量右E手av0,zt螺H与旋0传关t 播系方。向
v E0t

此式表明导波中TEM波的传播常数与无界均匀媒电磁波的
传播常数相同。
➢ 再由
ZTEM

j

j
ZTEM

k

➢ 波的相位速度Vp定义为波的等相位面向前移动的速度
p

dz dt

k

1
波的相速与频率无关，这种特性为无色散（波的速度随
频率变化而变化的现象称为色散），TEM波为无色散波。
kc

fc

kc
2
c

2
kc
临界（截止）角频率
临界（截止）频率临界（截止）波长
③ k 2 kc2 2 k 2 kc2 0
j kc2 k 2
Z (z) Z1ez Z2ez
这时场的振幅沿z方向呈指数变化而相位不变，它
不再是行波而是衰减场。式中第一项代表沿+z方向衰减的，
横电磁波（TEM波）→ Ez=Hz=0
有纵向场分量的电磁波，这又细分为以下三种类型
➢ 横电波（TE波）或磁波(H波) → Ez=0，Hz≠0 ➢ 横磁波（TM波）或电波（E波） → Ez≠0，Hz=0 ➢ 混合波（EH波或HE波） → Ez≠0，Hz≠0
导行波分为 kc2 0, kc2 0 和 kc2 0三类
➢ kc2 0
这时 k ， p g c ，g 。
导行波的传播特性与均匀平面波相同，是TEM波。
➢ kc2 0
由k与kc的不同关系，这种导行波又可分为以下三种状态：
① k 2 kc2
群速度
波导波长
2 k 2 kc2 0
k 2 kc2 k
avz
v E0t

j
v H0t

avz
v H0t

j
avz

v E0t
1
ZTM
YTM

j

k
ZTEM
传播特性
➢ 截止特性
TE波、TM波存在截止频率fc或截止波长λc。它们分别为
相位速度
p
c , g
rr
c
, g rr
0 rr
Байду номын сангаас点:是相速大于平面波速，即大于该媒质中的光速，而群
速则小于该媒质中的光速，同时导波波长大于空间波长。这
是一种快波。
② k 2 ,临kc2界状态沿0 z方向没有波的传播过程，k称为临界（截止）波数。
c
e z

(t
v E0t
avz

v E0z
)

e
z

0
v
v
因为对TEM波 Ez 0 ，有： t E0t 0
t2u,v 0
于是求解TEM波的场就是求满足边界条件的拉普拉斯方程的解
➢ 由TEM波场在横平面的分布与静态场相同这一点，可判断具体的导波系统能否传输TEM 波，例如空心金属柱面（单导体）波导，因其横截面内无法建立起静态场（导体表面上存在异性电荷时不可能有静止状态）。所以空心（单导体）波导中不存在TEM波，而同轴线则可建立起静态场，故可存在TEM波。由此推得TEM波只能存在于多导体构成的导波系统中。
j
v H0t

avz
v H0t

j
avz

v E0t
互a相vz垂直,并按
波阻抗
ZTE
1 YTE

j

k

ZTEM
➢ TM波场分量
采用与TE波完全类似的分析方法，可得TM波的场分量
关系式和表达为：
v

E0t

kc2
t Ez
v H0t

j
kc2
t Ez
微波技术基础
徐锐敏教授
电子科技大学电子工程学院地点：清水河校区科研楼C309 电话：61830173 电邮：rmxu@
1.3 导波的分类及各类导波的特性
1.3.1 导波的分类
导波的类型是指满足无限长匀直导波系统横截面边界条件，能独立存在的导波形式。
按导波有无纵向场分量可以分为两大类：
TEM波场沿横向分布的特点 ➢ TEM波的场在导波系统横截面上的分布与边界条件相同
的二维静场完全一致，求TEM波的横向分布函数，可以
采用求静态场完全类似的方法。
v t E0t 0
v
E0t tu,v
v D 0
,
(t avz )
vv E0t E0z
场分量
TEM波无纵向场分量，将 Ez H z代入0 横向场与纵向场的关系式有：
v E0t

j
v H0t

avz
v H0t

j
avz

v E0t
v H0t

avz

j
avz

v E0t

avz

v j E0t
可得：
v E0t

j
v H0t

avz
ETvE0t M波H的v0场t 分量avz
第二项代表沿-z方向衰减的场。这种状态称为截止状态或
过截止状态。
➢ kc2 0

k 2 kc2 k
p
c
rr
g

2

0 rr
这种导行波的相速小于无界媒质中的波速，而波长小于无
界媒质中的波长，这是一种慢波→可用周期结构实现。
1.3.2 TEM波的特性分析
v E0t
,
v H0
t
与传播方向
avz互相垂直,并按
成右手螺旋关系。
TEM波的波阻抗和波导纳为：
与无界媒质相同
ZTEM

j

j
YTEM

1 ZTEM

j

j
于是
v E0t

Z TEM
v H0t

avz
v H0t
YTEMavz
v E0t
传播特性
➢ 由横-纵场关系可知，当 Ez H时z ，0要使等式左端的场不为零（横场若为零，则TEM波不存在）,只有Kc等于
零，即TEM波有
kc 0 kc c 2 / c fc 0 或 c
此式说明TEM波无低频截止，即双线、同轴线等传输线，理论上可以传播任意低频率的电磁波。
➢ 再由 kc2 k 2 k 得(k：c / k)2 1
jk
无耗时
0, k 2