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中国海洋大学微波技术课程大纲（理论课程）英文名称（Microwave Technology）【开课单位】信息科学与工程学院【课程模块】专业知识【课程编号】【课程类别】必修【学时数】48 （理论）【学分数】 3一、课程描述本课程大纲根据2011年本科人才培养方案进行修订或制定。
（一）教学对象：通信工程及相关电子信息类专业（二）教学目标及修读要求1、教学目标本课程较系统地介绍微波技术的基本原理、基本技术及典型的工程应用实例。
通过本课程的教学，使学生了解微波在各科学领域的应用，掌握微波理论和技术的基础概念、基本理论和基本分析方法，培养学生的分析问题和解决问题的能力，为今后从事微波研究和工程设计工作以及电磁场与微波技术研究生专业学习打下良好的基础。
2、修读要求微波技术是通信工程、电子工程和工科无线电类专业的一门重要技术基础课，是在学习了“电磁场与电磁波”和“电路基础”等课程基础上，深入学习无线电频谱中极为重要波段微波领域的重要科目，是理论与工程性、实践性较强的课程。
（三）先修课程：电磁场与电磁波二、教学内容（一）第1章绪论1、主要内容：介绍微波的基本概念和特点以及微波技术的发展和应用领域；2、教学要求：了解：课程的内容、体系结构、重要性、学习方法及要求；微波技术的发展及应用领域；掌握：微波的概念及其特点；（二）第2章传输线理论1、主要内容：从“化场为路”的观点出发，讲述传输线的基本理论。
首先建立传输线方程，导出传输线方程的解，引入传输线的重要参量——阻抗、反射系数及驻波比；然后分析无耗传输线的三种工作状态及特性，给出传输线的匹配、效率及功率容量的概念，重点讨论了阻抗匹配的两种基本方法——四分之一波长阻抗匹配器和串（并）联支节匹配器的匹配；最后介绍了工程中重要的图解法——阻抗圆图的构成原理及应用。
2、教学要求：理解：无耗传输线的特性参量及状态参量，并掌握相关的计算及转换关系；两种基本阻抗匹配方法的匹配原理；阻抗圆图的构成原理、圆图上的各个关键点、阻抗圆图与导纳圆图的差异；掌握：三种工作状态（行波、纯驻波、行驻波）及两个重要特性（四分之一波长阻抗变换性、二分之一波长重复性）；阻抗（导纳）圆图用于传输线的状态参量求解及单枝节阻抗匹配问题；3、重点：传输线理论和阻抗圆图的应用；难点：圆图用于阻抗匹配；处理方法：搞清每步在做什么，匹配过程中每部分实现的目的；深刻领会“你站在哪里？想往哪里走？准备走多远？”的意义；4、其它教学环节：针对教学重点及难点，采用计算机辅助教学软件（CAI）、课堂讲授及安排习题课等多种教学方式相结合；（三）第3章微波传输线1、主要内容：从“场”的观点出发，分析波导、同轴线、带状线和微带线等典型微波传输线的一般理论和特性，给出常用的电磁波型、场分布和相应参数等；2、教学要求：了解：带状线和微带线等微波集成传输线的基本结构；常用微波集成传输线（带状线、微带线和耦合微带线）的设计计算方法；理解：微波传输线的工作原理和纵向场分析方法；“简并模”的概念；掌握：导行系统概念及分类；矩形波导、圆波导及同轴线的主模及其传输特性；判断矩形波导系统中可以传输的工作模式及分析单模工作的条件；常用微波集成传输线的主模，采用各类图表求解特性阻抗、结构尺寸等参数。
第4章书P138MicroWave Network Theory微波网络理论1. Introduction (微波网络参量、矩阵[A]、[Z]、[Y])2. Scatter -Matrix ([S])3. network analyzers*Background Knowledge: MatrixPreview ：What we will learn this Chapter ?微波网络参量MicroWave Network——“微波系统、电路”等的抽象化模型两种描述参数：(1)电路参数——端口信号为电压、电流, 用阻抗、导纳等来描述(2)波参数——端口信号为场强振幅归一化值, 用散射、传输描述几个需要注意的问题(1)普通电路网络——“集中参数”电路尺寸远远小于工作波长,电路分析理论(2)微波电路网络——“分布参数”注意：网络的参考面a 1a 2b 1b 2S'11'22l 1l 2a'1b'1a'2b'24.1 引言麦式方程：严格、完全(分布)、抽象电路分析法：反映电压、电流关系、简单、直观可信度？(很难测，或不可能直接测)结合：20世纪40年代，MIT “微波网络理论”“等效”…的引入•书P140 (三个结论)•书P141 例题4.1•阻抗的概念–起源“19世纪”，交流电路中V/I 复数比–本征阻抗：媒质、均匀平面波、常数–波阻抗：某种…，特定波形(模式)下，切向E/H –特性阻抗：传输线、行波下，V/I ，模式相关4.2 微波网络的电路参量阻抗参量：[Z]-MatrixI 1I 2U 1U 2⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121I I Z Z Z Z U U [][][]I Z U =反映电压、电流关系I 1I 2U 1U 2⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121I I Z Z Z Z U U 2121111I Z I Z U ⋅+⋅=2221212I Z I Z U ⋅+⋅=011211==I I U Z 网络的“开路”参数：“自阻抗”和“转移阻抗”22122==I I U Z 012121==I I U Z 021212==I I U Z 2＃端口开路1＃端口开路IUZ =归一化阻抗参数[z]：用Z c1、Z c2归一化I 1I 2U 1U 21C Z 2C Z ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2111212100U U u u C C Z Z ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21212100I I Z Z i i C C ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121I I Z Z Z Z U U ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−21111212100u u U U C C Z Z ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−21121222112112100i i Z Z Z Z Z Z U U C C ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−−211212221121121111000021i i Z Z Z Z Z Z u u C C Z Z C C ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−21121222112111121000021i i Z Z Z Z Z Z u u C C Z Z C C 例题：书P148 例题4.3AZ CZ BZ T 形网络•对称性•“互易性”S'11'22l 1l 2n 端口⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−21121222112111121000021i i Z Z Z Z Z Z u u C C Z Z C C ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⋅212122221212112111i i u u C C C C C C Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z [][][]i z u =[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⋅⋅⋅⋅⋅⋅21............ (2)211222221221112112111i i u CnnnC Cn n C Cn n CnC nC C C Cn C nC C C Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z网络的“短路”参数：“自阻抗”和“转移阻抗”I 1I 2U 1U 21C Z 2C Z [][][]U Y I =[][][]u y i = 4.4 网络的转移参量：ABCD Matrix[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211I U A I U ⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211I U D C B A I U ()()⎩⎨⎧−⋅+⋅=−⋅+⋅=221221I D U C I I B U A U 0221==I UU A 0221=−=U I U B 0221=−=U I I D 0221==I UI C 2＃端口开路2＃端口短路I 1I 2U 1U 2+-+-例题：书P158 例题4.6•注意表4.1 常用二端口电路的ABCD 矩阵•关键：按照定义法ABCD Matrix 的用途——网络的级联(cascade )I 1U 1+-I 2U 2+-⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211I U D C B A I U ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡22221111D C B A D C B A D C B A 小结：“电路参量”反映电压、电流关系[][][]I Z U =[][][]i z u =[][][]U Y I =[][][]u y i =[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211i u a i u []⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211I U A I U I 1I 2U 1U 24.3 微波网络的波参量反映端口的入射波、反射波之间的关系(1)散射参量——[S](2)传输参量——[T]一个新的参量：“场强复振幅归一化值”a 1a 2b 1b 2定义：a 1a 2b 1b 2“场强复振幅归一化值”2112112121b P a P r in ⋅=⋅=()222222221b a P P Pr in −⋅=−=实际进入某个端口的功率＝P in -P r如：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121a a S S S S b b 4.3.1 散射参量——归一化散射矩阵[][][]a Sb =a 1a 2b 1b 2011211==a a b S 022122==a ab S 012121==a ab S 021212==a a b S 2＃端口匹配1＃端口匹配物理含义：…匹配情况下的“反射系数”、“传输系数”S 21S 11S 22S 12S 参数模型S 21S 11S 22S 12a 1a 2b 1b 2思考题1：用S 参数定义如下参数1.Attenuation Loss ——“衰减损耗”2.Reflection Loss ——“反射损耗”3.Transmission Loss ——“传输损耗”4.Return Loss ——“回波损耗”5.Insertion Loss ——“插入损耗”假设负载匹配4.3.2 传输参量(举例：2端口)——传输矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡222221121111a b T T T T b a a 1a 2b 1b 2[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211a b T b a ()112121==a ab T 2＃端口匹配T 11物理含义：端口匹配情况下的1->2的“传输系数”的倒数⎩⎨⎧⋅+⋅=⋅+⋅=22222112122111a T b T b a T b T a S 21S 11S 22S 124.3.3 网络参量之间的互化[][][]i z u =[][][]][][1u z u y i −==已知散射矩阵，求传输矩阵[][][]a Sb =[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211a b T b a []?=T书P150 例题4.4：3dB 衰减器Z1Z2Z3Ω56.8Ω56.8Ω8.141问题：75欧时，如何设计？复习“S ”参数•S 参数定义；•“场强复振幅归一化值”•电压波振幅•S 矩阵：入射波、“反”射波⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121a a S S S S b b a 1a 2b 1b 2[]V S V −+⎡⎤⎡⎤=⎣⎦⎣⎦由Z 矩阵、Y 矩阵求S 矩阵[][][]()[][]()1S Z E Z E −=+−E 矩阵为“单位矩阵”注意：书P151 4.45表达式的推导过程111211121221............n n nn n n S S S V V S V V S S V V −+−+−+⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦散射矩阵的“电压”含义4.3.4 S 参数(S -Parameters )的特性1. 端口匹配情况下的[S]⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121a a S S S S b b a 1a 2b 1b 2[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0......0S “zero diagonal elements ”2. …..情况下的[S]()j i s s jiij ≠=“Symmetry Matrix ”“互易网络”与“无损耗网络”•互易网络：S 矩阵是对称矩阵•无损网络：S 矩阵是幺正(unitary 归一)的•例题：书P153 例题4.5•某端口的回波损耗，注意使用条件20lg RL =−Γ11S Γ≠1a 1b 2b []⎥⎦⎤⎢⎣⎡=22211211S S S S S 端口外为理想无损耗传输线(1)l 1、l 2的散射矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21212100''a a e e a a j j θθ4.3.5 参考面的相移(Phase Shift )特性⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−21212100''b b e e b b j j θθ⎩⎨⎧⋅=⋅=2211l l βθβθa 1a 2b 1b 2S'11'22l 1l 2a'1b'1a'2b'2⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2121210''a a e e a a j j θθ∵⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−21212100''b b e e b b j j θθ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121a a S S S S b b ∵⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−2122211211212100''a a S S S S e e b b j j θθ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−2112221121121''0000''2121a a e e S S S S e eb b j j j j θθθθ()()121122211112111121222122222122''''''''''j j j j b S S a S e S e a b S S a a S e S e θθθθθθ−+−−+−⎡⎤⋅⋅⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⋅⋅⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎣⎦S'11'22l 1l 2a'1b'1a'2b'2()()[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⋅⋅⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+−+−−2121222211221121'''''''221211a a S a a e S e S e S e S b b j j j j θθθθθθa 1a 2b 1b 2S'11'22l 1l 2a'1b'1a'2b'2结论：结论：参考面的移动，仅对[S]的相位产生影响；如何影响？(向外为正，向内为负)[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=−−−−21210000'22211211θθθθj j j j e e S S S S e eS []⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=−−−−21210000'22211211θθθθj j j j e e S S S S e eS 思考题2: n 端口时？[]⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=−−−−−−n n j j j nn n n n j j j e ee S S S S S S S S e ee S θθθθθθ..............................00.........0 00...0'212112222111211思考3：基本电路单元的网络参量矩阵[T][S][A][y][z]项目————zy 10=z θ参考资料例题：某二端口网络，接有负载已知：网络的[S]参数和负载端的反射系数ΓL求：网络输入端口处的反射系数ΓinSolution ：(1)[S]参数的概念(2)ΓL =?(3)输入端口反射系数的概念⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡212221121121a a S S S Sb b 22b a L =ΓLL in S S S S Γ⋅−Γ⋅⋅+=Γ⇒22211211111a b in =ΓLZ a 1a 2b 1b 24.3.6 网络的串联、级联与并联 1. 串联(in -series )——“Z ”矩阵[Z b ][Z a ]I 1U 1＋—I 2U 2＋—[][][]b a Z Z Z +=ZI 1+-I 2U 2+-“串连”：总电压＝各个端口电压之和Why ?⎩⎨⎧====ba ba I I I I I I 222111[][]⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡b b b b b a a a a a I I Z U U I I Z U U 21212121[Z b ][Z a ]I 1U 1＋—I 2U 2＋—I 1aI 1bI 2aI 2bU 1a U 1b＋—＋—＋—＋—U 2aU 2b ()()()()⎩⎨⎧⋅+⋅+⋅+⋅=+=⋅+⋅+⋅+⋅=+=b b b b a a a a b a b b b b a a a a b a I Z I Z I Z I Z U U U I Z I Z I Z I Z U U U 222121222121222212111212111111[][]⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡b b b b b a a a a a I I Z U U I I Z U U 21212121[Z b ][Z a ]I 1U 1＋—I 2U 2＋—I 1a I 1bI 2a I 2bU 1a U 1b＋—＋—＋—＋—U 2aU 2b ()()()()()()()()⎩⎨⎧⋅++⋅+=⋅+⋅+⋅+⋅=⋅++⋅+=⋅+⋅+⋅+⋅=⇒2222212121222121222121221212111112121112121111I Z Z I Z Z I Z I Z I Z I Z U I Z Z I Z Z I Z I Z I Z I Z U b a b a b b a a b a b a b b a a ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21222221211212111121I I Z Z ZZ Z Z Z Z U U b a b a b a b a 1I 1U 1+-2I 2U 2+-2. 级联(cascaded )——“ABCD ”矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211I U D C B A I U 3. 并连(parallel connection )——“Y ”矩阵12[][][]21Y Y Y +=并连：各个端口电压分别相等“复杂”网络1Y 2Y 3Y 1Z 2Z 3Z 形网络T 形网络ππ例题：求导纳矩阵Z3Z1Z1Z2I 1I 2U 1U 211211==I I U Z 021212==I I U Z 2＃端口开路1＃端口开路…….Z3Z1Z1Z2I 1U 1+-法一：按照定义，求[Z]矩阵->[Y]矩阵Z3Z1Z1Z2[Y]=[Z]-10121...==I Z 0221...==I Z 法二：矩阵运算Z1Z1Z2Z3Z3Z1Z1Z2Z1Z1Z2Z312[Y]= [Y 1]+ [Y 2]Z1Z1Z2Z3[Y]= [Y1]+ [Y2]＝[Z1]－1+ [Y2][]⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=2122211Z Z Z Z Z Z Z []⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−=333311112Z Z Z Z Y []()()()()⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⋅⋅+++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⋅++−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⋅++−⋅⋅+++==2121213212123212123212121321212121...Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Y 复习作业(不必交)Z 1Z 2Z 2Z 3Please write out its [Y]matrix of MicroWavenetwork showed in the following figure4.3.7网络[S]参数与工作特性(1)工作衰减(衰减)资用功率与负载吸收功率之比的分贝数当:………时，2122121210lg 20lg 2A a L S b ⎛⎞⎛⎞⎜⎟==⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎜⎟⎝⎠i i a 1a 2b 1b 2[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211a b T b a S 21S 11S 22S 12(2)插入衰减(插入损耗)、插入驻波比、插入相移()2211120lg 10lg 4A L S ρρ⎛⎞⎛⎞+==⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠i i •21T S =•T 的相角(3)电压传输系数(T)21T S =当:………时，a 1a 2b 1b 2[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211a b T b a S 21S 11S 22S 124.5.1 书P161 信号流图•背景：透射波、反射波--Æ散射参数•信号流图引入•基本组成1：节点，网络每个端口2个节点，入射波、反射波各一个；•基本组成2：支路，定向线路，信号流向1a 1b 2b 2a 21S 12S 22S 11S 1a 1b 2b 2a 4.5.2 Network Analyzers网络分析仪一个简单的测试实例S21与S11“相位”为什么要“校准”基本原理4.5.3 S参数实战应用•分析网络特性–分析反射系数–分析带宽–分析增益特性(平坦度、相位影响等)。
