天线辐射与接收的基本理论

微波天线与技术课程报告汇总《微波技术与天线》课程考察报告姓名：专业班级：学号：指导老师：许焱平绪论1．微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。

一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。

2．微波的定义：把波长从1m 到0.1mm 范围内的电磁波称为微波。

微波波段对应的频率范围为: 300MHz ～3000GHz 。

在整个电磁波谱中，微波介于超短波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽1000倍。

一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波和毫米波和亚毫米四个波段。

3．微波具有如下主要特点：（1)似光性；（2)穿透性；（3)宽频带特性；（4)热效应特性；（5）散射特性；（6）抗低频干扰特性；（7）视距传输特性；（8）分布参数的不确定性；（9）电磁兼容和电磁环境污染。

4．微波技术的主要应用：（1)在雷达上的应用；（2)在通讯方面的应用；（3)在科学研究方面的应用；（4)在生物医学方面的应用；（5)微波能的应用。

f λ31081051010(m)(Hz)3103231063109-13101210-43101510-73101810-10无线电波宇宙射线射频目录绪论 (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)九、面天线 (10)十、微波应用系统 (11)心得体会 (12)本课程我们共学习了十章，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、面天线、微波应用系统。

微波技术与天线复习知识要点绪论●微波的定义：微波是电磁波谱介于超短波与红外线之间的波段,它属于无线电波中波长最短的波段;●微波的频率范围：300MHz~3000GHz ,其对应波长范围是1m~●微波的特点要结合实际应用：似光性,频率高频带宽,穿透性卫星通信,量子特性微波波谱的分析第一章均匀传输线理论●均匀无耗传输线的输入阻抗2个特性定义：传输线上任意一点z处的输入电压和输入电流之比称为传输线的输入阻抗注：均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗、工作频率有关;两个特性：1、λ／2重复性：无耗传输线上任意相距λ／2处的阻抗相同Z in z= Z in z+λ／22、λ／4变换性: Z in z- Z in z+λ／4=Z02证明题：作业题●均匀无耗传输线的三种传输状态要会判断1.行波状态：无反射的传输状态▪匹配负载：负载阻抗等于传输线的特性阻抗▪沿线电压和电流振幅不变▪电压和电流在任意点上同相2.纯驻波状态：全反射状态▪负载阻抗分为短路、开路、纯电抗状态3.行驻波状态：传输线上任意点输入阻抗为复数●传输线的三类匹配状态知道概念▪负载阻抗匹配：是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形,此时只有从信源到负载的入射波,而无反射波;▪源阻抗匹配：电源的内阻等于传输线的特性阻抗时,电源和传输线是匹配的,这种电源称之为匹配电源;此时,信号源端无反射;▪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为电源内阻抗的共轭值时,即当Z in=Z g﹡时,负载能得到最大功率值;共轭匹配的目的就是使负载得到最大功率;●传输线的阻抗匹配λ／4阻抗变换P15和P17●阻抗圆图的应用与实验结合史密斯圆图是用来分析传输线匹配问题的有效方法;1.反射系数圆图：Γz=|Γ1|e jΦ1-2βz= |Γ1|e jΦΦ1为终端反射系数的幅度,Φ=Φ1-2βz是z处反射系数的幅角;反射系数圆图中任一点与圆心的连线的长度就是与该点相应的传输线上某点处的反射系数的大小;2.阻抗原图点、线、面、旋转方向：➢在阻抗圆图的上半圆内的电抗x＞0呈感性,下半圆内的电抗x＜0呈容性;➢实轴上的点代表纯电阻点,左半轴上的点为电压波节点,其上的刻度既代表r min又代表行波系数K,右半轴上的点为电压波腹点,其上的刻度既代表r max又代表驻波比ρ;➢|Γ|=1的圆图上的点代表纯电抗点;➢实轴左端点为短路点,右端点为开路点,中心点处是匹配点;➢在传输线上由负载向电源方向移动时,在圆图上应顺时针旋转,；反之,由电源向负载方向移动时,应逆时针旋转;3.史密斯圆图：将上述的反射系数圆图、归一化电阻圆图和归一化电抗圆图画在一起,就构成了完整的阻抗圆图;4.基本思想：➢特征参数归一阻抗归一和电长度归一；➢以系统不变量|Γ|作为史密斯圆图的基底；➢把阻抗或导纳、驻波比关系套覆在|Γ|圆上;●回波损耗、功率分配等问题的分析✓回波损耗问题：1.定义为入射波功率与反射波功率之比通常以分贝来表示,即Lrz=10lgP in／Pr dB对于无耗传输线,ɑ=0,Lr与z无关,即Lrz=-20lg|Γ1| dB2.插入损耗：定义为入射波功率与传输功率之比3.|Γ1|越大,则| Lr |越小；|Γ1|越小,则| L in|越大;P21:有关回波损耗的例题例1-4✓功率分配问题：1.入射波功率、反射波功率和传输功率计算公式反映出了它们之间的分配关系;P192.传输线的传输效率：η=负载吸收功率／始端传输功率3.传输效率取决于传输线的损耗和终端匹配情况第二章规则金属波导●导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无,可分为TE波、TM波和TEM波三种类型;知道概念➢TEM波：导行波既无纵向磁场有无纵向电场,只有横向电场和磁场,故称为横电磁波;E z=0而H z=0➢TM波E波：只有纵向电场,又称磁场纯横向波;E z≠0而H z=0➢TE波H波：只有纵向磁场,又称电场纯横向波;E z=0而H z≠0●导行条件：k c＜k时,f＞f c为导行波;●矩形波导、圆波导主要模式的特点及应用✧矩形波导：将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气的规则金属波导称为矩形波导;1)纵向场分量E z和H z不能同时为零,不存在TEM波;2)TE波：横向的电波,纵向场只有磁场;➢TE波的截止波数k c,➢矩形波导中可以存在无穷多种TE导模,用TE mn表示;➢最低次波形为TE10,截止频率最低;3)TM波➢TM11模是矩形波导TM波的最低次模,其他均为高次模;4)主模TE10的场分布及其工作特性➢主模的定义：在导行波中截止波长最长截止频率最低的导行模➢特点：场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等;✧圆波导：若将同轴线的内导体抽走,则在一定条件下,由外导体所包围的圆形空间也能传输电磁能量,这就是圆形波导;➢应用：远距离通信、双极化馈线以及微波圆形谐振器等;➢圆形波导也只能传输TE和TM波形;➢主模TE11,截止波长最长,是圆波导中的最低次模;圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似,因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导;即构成方圆波导变换器;➢圆对称TM01模：圆波导的第一个高次模,由于它具有圆对称性故不存在极化简并模;因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工作模式;➢低损耗的TE01模：是圆波导的高次模式,它与TM11模是简并模;它是圆对称模,故无极化简并;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;故其损耗相对于其他模式来说是低的,故可将工作在此模式下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;●熟悉模式简并概念及其区别1.矩形波导中的E-H简并：对相同的m和n,TE mn和TM mn模具有相同的截止波长或相同的截止频率;虽然它们的场分布不同,但是具有相同的传输特性;2.圆波导中有两种简并模：➢E-H简并：TE0n模和TM1n模的简并➢极化简并模：考虑到圆波导的轴对称性,因此场的极化方向具有不确定性,使导行波的场分布在φ方向存在cosmφ和sinmφ两种可能的分布,它们独立存在,相互正交,截止波长相同,构成同一导行模的极化简并模;●熟悉矩形波导壁电流分布及应用●波导激励的几种类型1.电激励2.磁激励3.电流激励●方圆波导转换器的作用圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似,因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导;即构成方圆波导变换器;第三章微波集成传输线●带状线、微带线的结构及特点1.带状线：➢是由同轴线演化而来的,即将同轴线的外导体对半分开后,再将两半外导体向左右展平,并将内导体制成扁平带线;➢主要传输的是TEM波;可存在高次模;➢用途：替代同轴线制作高性能的无源元件;➢特点：宽频带、高Q值、高隔离度➢缺点：不宜做有源微波电路;2.微带线：➢是由双导体传输线演化而来的,即将无限薄的导体板垂直插入双导体中间,再将导体圆柱变换成导体带,并在导体带之间加入介质材料,从而构成了微带线;微带线是半开放结构;➢工作模式：准TEM波●带状线、微带线特征参数的计算会查图➢带状线和微带线的传输特性参量主要有：特性阻抗Z0、衰减常数ɑ、相速v p和波导波长λg ●介质波导主模及其特点➢主模HE11模的优点：a)不具有截止波长；b)损耗较小；c)可直接由矩形波导的主模TE10激励;第四章微波网络基础●熟练掌握阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参量结合元件特性和传输参量的定义P84-P93➢阻抗矩阵Z➢导纳矩阵Y➢转移矩阵A➢散射矩阵S➢传输矩阵T●掌握微波网络思想在微波测量中的应用三点法的条件➢前提条件：令终端短路、开路和接匹配负载时,测得的输入端的反射系数分别为Γs,Γo和Γm,从而可以求出S11, S12, S22;第五章微波元器件●匹配负载螺钉调配器原理、失配负载；衰减器、移相器作用➢匹配负载作用：消除反射,提高传输效率,改善系统稳定性；➢螺钉调配器：螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配原件,它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配原件;螺钉深度不同等效为不同的电抗原件,使用时为了避免波导短路击穿,螺钉·都设计成为了容性,即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4b为波导窄边尺寸;➢失配负载：既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率,而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载,主要用于微波测量;➢衰减器,移相器作用：改变导行系统中电磁波的幅度和相位；●了解定向耦合器的工作原理P106➢定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的;➢利用波程差;●熟练掌握线圆极化转换器的工作原理及作用●了解场移式隔离器的作用P122➢根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的;●了解铁氧体环行器的分析及作用P123➢环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统;第六章天线辐射与接收的基本理论第七章电波传播概论●天波通信、地波通信、视距波通信的概念1.天波通信：指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式,也成为电离层电波传播;主要用于中波和短波波段2.地波通信：无线电波沿地球表面传播的传播方式;主要用于长、中波波段和短波的低频段;3.视距波通信：指发射天线和接收天线处于相互能看见的视距距离内的传播方式;地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式;主要用于超短波和微波波段的电波传播●天线的作用●无线电波传输是产生失真的原因无线电波通过煤质除产生传输损耗外,还会使信号产生失真——振幅失真和相位失真两个原因：1.煤质的色散效应：色散效应是由于不同频率的无线电波在煤质中的传播速度有差别而引起的信号失真;2.随机多径传输效应：会引起信号畸变;因为无线电波在传输时通过两个以上不同长度的路径到达接收点;接收天线收到的信号是几个不同路径传来的电场强度之和;。

天线基本知识介绍天线是将电信号转换为电磁波并将其传输或接收的装置。

它是电磁学的一个分支，用于无线通信、电视和广播接收、雷达以及天体物理学研究等领域。

本文将对天线的基本知识进行介绍。

1.天线的作用和原理：天线的主要作用是将电信号转换为电磁波并将其辐射到空间中，或者将接收到的电磁波转换为电信号。

它的工作原理基于法拉第电磁感应定律和亥姆霍兹理论，即通过电流在导体中产生的磁场和由变化的磁场产生的感应电流来实现电磁波的辐射或接收。

2.天线的分类：天线可以根据其结构、工作频率、功率和应用等方面进行分类。

根据结构，天线可分为线性天线（如偶极子天线）、面型天线（如片极天线、光波导天线）和体型天线（如反射天线、波导天线）。

根据工作频率，天线可分为超高频、高频、甚高频、极高频和微波天线等。

根据功率，天线可分为小功率天线和大功率天线。

根据应用，天线还可细分为通信天线、雷达天线、电视天线、卫星天线和微波天线等。

3.天线参数：天线的性能取决于其设计参数。

常见的天线参数包括增益、方向性、波束宽度、驻波比、频率响应、极化方式和带宽等。

增益是天线辐射功率与等效输入功率之比，方向性衡量天线在一些方向上的辐射能力，波束宽度是主瓣的半功率宽度，驻波比是反射功率与输入功率之比，频率响应表示天线在不同频率下的性能表现，极化方式表示电磁波的电场分量与地面垂直或平行的相对方向，带宽表示天线能够工作的频率范围。

4.天线设计方法：天线的设计是一个综合考虑电磁学原理、工作频率和应用要求的过程。

常见的天线设计方法包括试验法、数值法和半经验法。

试验法通过制作实物天线并进行实际测量来调整参数和优化天线性能。

数值法使用计算机模拟和数值算法来预测和分析天线性能，例如有限元法、谱域法和时域法等。

半经验法结合实验和数值方法，通过经验公式和优化算法来设计天线。

5.天线应用：天线的应用非常广泛，涵盖了通信、广播、雷达、航天、医疗和科学研究等领域。

在通信领域，天线用于无线电通信、移动通信和卫星通信等。

⼀⽂看懂天线辐射的基本原理1电磁波产⽣的基本原理按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间产⽣变化的磁场，⽽变化的磁场⼜产⽣变化的电场。

这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产⽣，并以⼀定速度由近及远地在空间辐射出去。

周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。

电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产⽣变化磁场，变化磁场产⽣变化电场”的机理来传播。

当电磁波频率较低时，主要籍由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提⾼时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是⼀种辐射。

在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化⽐较缓慢，其能量⼏乎全部反回原电路⽽没有能量辐射出去。

然⽽，在⾼频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。

每⼀段流过⾼频电流的导线都会有电磁辐射。

根据以上的理论，每⼀段流过⾼频电流的导线都会有电磁辐射。

但是他们在不同地⽅需要有不同的功能，有的导线⽤作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线⽤作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。

于是就有了传输线和天线。

⽆论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦⽅程在不同情况下的应⽤。

对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，⽽不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。

不同形状、尺⼨的导线在发射和接收某⼀频率的⽆线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采⽤适当的天线才⾏！研究什么样结构的导线能够实现⾼效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。

⾼频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发⽣感应作⽤，在导体内产⽣⾼频电流，使我们可以⽤导线接收来⾃远处的⽆线电信号。

2天线在⽆线通信系统中，需要将来⾃发射机的导波能量转变为⽆线电波，或者将⽆线电波转换为导波能量，⽤来辐射和接收⽆线电波的装置称为天线。

微波：是电磁波中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（频率最高）的波段，其频率范围从300Mhz（波长1m）至3000GHz（波长）.微波的特性：1.似光性2.穿透性3.宽频带特性4.热效应特性5.散射特性6.抗低频干扰特性.与低频区别：趋肤效应，辐射效应，长线效应，分布参数。

微波传输线的三种类型:1.双导体传输线，2.金属波导管3.介质传输线。

集总参数：在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、容抗、感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的电路模型称为集总电路。

这类电路所涉及电路元件的电磁过程都集中在元件内部进行。

用集总电路近似实际电路是有条件的，这个条件是实际电路的尺寸要远小于电路工作时的电磁波长。

对于集总参数电路，由基尔霍夫定律唯一地确定了电压电流。

分布参数：电路是指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同。

这说明分布参数电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。

分布参数电路的实际尺寸能和电路的工作波长相比拟。

对于分布参数电路由传输线理论对其进行分析。

均匀传输线方程（电报方程）：tt ziLt zRizt zu∂∂+=∂∂),(),(),(，tt zuCt zGizt zi∂∂+=∂∂),(),(),(传输线瞬时电压电流：)cos()cos(),(21zteAzteAt zu zzβωβωαα-++=-+)]cos()cos([1),(21zteAzteAZt zi zzβωβωαα-++=-+特性阻抗:CjGLjRZωω++=(无耗传输线R=G=0.)平行双导线(直径为d,间距为D):dDZr2ln1200ε=同轴线（内外导体半径a,b）:abZrln600ε=相移常数：λπωβ2==LC输入阻抗：)tan()tan(110zZZzZZZZinββ++=反射系数：z jzj eeZZZZzββ--Γ=+-=Γ111)(终端反射系数:1||101011φj e Z Z ZZ Γ=+-=Γ输入阻抗与反射系数关系：)(1)(10z z Z Z in Γ-Γ+= 驻波比：||1||111Γ-Γ+=ρ；11||1+-=Γρρ 1. 行波状态沿线电压电流振幅不变，驻波比为1，终端反射系数0，传输线上各点阻抗等于传输线特性阻抗。

天线知识点总结天线是电子设备中最基本的元件之一，它能够将电磁波转换为电信号或者将电信号转换为电磁波，是广泛应用在通讯、雷达、导航、电视等领域的不可或缺的元器件。

本文将简要介绍一些天线的相关知识点。

1. 天线的基础理论 - 反射、辐射以及电磁波的特性天线的工作原理基于电磁波的传播特性及其与天线之间的相互作用。

天线通过反射、辐射等方式将电磁波与电信号进行转换，因此温度、介质、空气湿度等环境因素都会对天线的性能产生影响。

2. 天线的类型 - 主动、被动及扫描式天线天线可以根据其在电路中的位置和作用方式分为主动和被动两种类型。

主动天线通常带有放大器来增加信号强度，而被动天线则不带放大器。

此外，扫描式天线可以通过旋转、摆动等方式改变辐射方向，以实现扫描覆盖目标区域的效果。

3. 天线的指标 - 增益、方向性、VSWR、带宽等天线的性能可由其各种指标来描述，其中增益、方向性、VSWR、带宽等是较为重要的指标。

增益是天线的辐射能力，方向性是天线辐射能力随方向变化的能力，VSWR是天线对来自外部信号反射时的反射率指标，带宽则是天线能够工作的频率范围。

4. 天线的尺寸 - λ/2、λ/4、全波长天线等天线的尺寸与工作频率密切相关，常见的天线长度有λ/2、λ/4、全波长天线等。

λ/2天线通常用于VHF和UHF频段，λ/4天线适用于较低频段，全波长天线则通常用于HF 等较低频段。

5. 天线的应用 - 通讯、雷达、导航、电视等天线在通讯、雷达、导航、电视等领域都有广泛的应用。

不同应用场景对天线的要求不同，例如通讯领域需要天线具有良好的增益和方向性，而雷达和导航领域则需要具有较高的扫描速度和快速响应能力。

6. 天线的制作和测试 - PCB天线、红外按摩仪等天线的制作和测试涉及到复杂的技术和设备，常用的制作方法包括PCB天线、红外按摩仪等。

测试方法则通常包括VSWR测试、增益测试、方向性测试等。

7. 天线的未来发展趋势 - 新材料、智能化、多功能化等随着技术的不断进步，未来天线的发展趋势将会趋向于新材料、智能化、多功能化等方向。