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微波技术与天线 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1 1 传输线理论传输线理论传输线理论传输线理论1.1 长线理论长线理论1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配 1.传输线的三种匹配状态传输线的三种匹配状态 阻抗匹配具有三种不同的含义,分别是负载阻抗匹配、源阻抗匹配和共轭阻抗匹配,它们反映了传输线上三种不同的状态。1)负载阻抗匹配线上无反射波存在负载阻抗匹配线上无反射波存在 负载阻抗匹配是负负载载阻阻抗抗等等于于传传输输线线的的特特性性阻阻抗抗的情形,此时传输线上只有从信源到负载的入射波,而无反射波。匹配负载完全吸收了由信源入射来的微波功率;而不匹配负载则将一部分功率反射回去,在传输线上出现驻波。当反射波较大时,波波腹腹电电场场要要比比行行波波电电场场大大得得多多,容容易易发发生生击击穿穿,这就限制了传输线能最大传输的功率,因此要采取措施进行负载阻抗匹配。负载阻抗匹配一般采用阻抗匹配器。2)源阻抗匹配源阻抗匹配 电电源源的的内内阻阻等等于于传传输输线线的的特特性性阻阻抗抗时,电源和传输线是匹配的,这种电源称之为匹配源。对匹配源来说,它给传输线的入射功率是不随负载变化的,负载有反射时,反反射射回回来来的的反反射射波波被被电电源源吸吸收收。可以用阻抗变换器把不匹配源变成匹配源,但常用的方法是加一个去耦衰减器或隔离器,它们的作用是吸收反射波。目前对源阻抗匹配一般从噪声匹配考虑。1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配 3)共轭阻抗匹配共轭阻抗匹配要使信号源给出最大功率要使信号源给出最大功率 设信源电压为Eg,信源内阻抗Zg=Rg+jXg,传输线的特性阻抗为Z0,总长为l,终端负载为Zl,如图 所示,则始端输入阻抗Zin为 Zin=Rin+jXin 则负载得到的功率为1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配 要使负载得到的功率最大,首先要求 Xin=-Xg 此时负载得到的功率为 可见当 =0 时P取最大值,此时应满足 Rg=Rin因此得 Zin=Z*g1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配 因此,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Zin=Z*g时,负载能得到最大功率值。通常将这种匹配称为共轭匹配。此时，负载得到的最大功率为 Pmax=|Eg|2 1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配2.阻抗匹配的方法阻抗匹配的方法 对一个由信源、传输线和负载阻抗组成的传输系统,希望信号源在输出最大功率的同时，负载全部吸收,以实现高效稳定的传输。因此一方面应用阻抗匹配器使信源输出端达到共轭匹配,另一方面应用阻抗匹配器使负载与传输线特性阻抗相匹配。1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配 由于信源端一般用隔离器或去耦衰减器以实现信源端匹配,因此我们着重讨论负载匹配的方法。阻抗匹配方法从频率上划分有窄带匹配和宽带匹配，从实现手段上划分有串联/4阻抗变换器法、支节调配器法。1)/4阻抗变换器法阻抗变换器法 当负载阻抗为纯电阻Rl且其值与传输线特性阻抗Z0不相等时,可在两者之间加接一节长度为/4、特性阻抗为Z01的传输线来实现负载和传输线间的匹配。1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配Z01Z0Z0 阻抗变换器是由一段长度为 、特性阻抗为 的传输线组成。传输线终端接纯电阻 时，则输入阻抗为注注意意：特性阻抗 Z01 变换线上仍存在着驻波，驻波系数为由于传输线的特性阻抗为实数,所以/4阻抗变换器只适合于匹配电阻性负载;1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配 由无耗传输线输入阻抗公式得因此当传输线的特性阻抗Z01=时,输入端的输入阻抗Zin=Z0,从而实现了负载和传输线间的阻抗匹配。1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配若负载为复数阻抗，怎么做？若负载为复数阻抗，怎么做？若负载是复阻抗,则需先在负载与变换器之间加一段传输线,使变换器的终端为纯电阻,然后用/4阻抗变换器实现负载匹配。由于/4阻抗变换器的长度取决于波长,因此严格说它只能在中心频率点才能匹配,当频偏时匹配特性变差,所以说该匹配法是窄带的。1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配 无耗双导线特性阻抗无耗双导线特性阻抗 。现在欲以现在欲以 线使负载与传输线匹配，求线使负载与传输线匹配，求 线的特性阻线的特性阻 抗抗 和安放位置和安放位置d。阻抗变换器设计实例 1.取阻抗归一化取阻抗归一化（对应（对应0.094）2.向电源转向纯电阻（波腹）处向电源转向纯电阻（波腹）处 4.反归一反归一 3.求出求出 反归一反归一 阻抗变换器设计实例阻抗变换器l虽然在匹配线上有驻波，但在馈线上没有驻波虽然在匹配线上有驻波，但在馈线上没有驻波l只能在某一频率上获得完全匹配，在其他频率只能在某一频率上获得完全匹配，在其他频率仍存在不匹配仍存在不匹配l这种阻抗匹配的方法只限于实数负载阻抗，但这种阻抗匹配的方法只限于实数负载阻抗，但对复数负载阻抗需通过适当长度传输线进行变换，对复数负载阻抗需通过适当长度传输线进行变换，也很容易变成实数也很容易变成实数 2)支节调配器法支节调配器法 支节调配器是由距离负载的某固定位置上的并联或串联终端短路或开路的传输线（又称支节）构成的。可分为单支节调配器、双支节调配器及多支节调配器。产产生生反反射射波波抵抵消消原反射波。原反射波。1.1.6 1.1.6 阻抗匹配阻抗匹配双支节调配器示例4.1 4.1 天线基本概念天线基本概念天线基本概念天线基本概念4.1.1 天线的定义天线的定义4.1.2 天线的分类天线的分类4.1.3 天线的分析方法天线的分析方法 什么是天线（什么是天线（antenna（生物学中的触觉器官）?把发射机输出的高频电信号（高频电流能量）转换成无线电波（电磁波）发射到空间.收集空间无线电波转换成电信号（高频电流能量）送给接收机天线是有效地进行能量转换和定向辐射或接收电磁波的极化天线是有效地进行能量转换和定向辐射或接收电磁波的极化器件。器件。4.1.1 天线的定义天线的定义馈线系统馈线系统天线的发展简史天线的发展简史：1886年，德国的赫兹建立了第一个天线系统。但其发明只停留在实验室阶段。1901年，意大利的马克尼（20岁）在赫兹的系统上进行了改进完善，并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的无线电信号。1902年，马克尼开始了正规的无线电通信服务。泰坦尼克号的海难事件，使马克尼的发明广泛应用于海上船舶的通信 二次世界大战期间雷达的出现，天线大幅度发展，主要应用于军事和定位服务。现在，数以千计的通信卫星通信卫星，提供全球通信服务和全球通信服务和GPS定位服务。载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下，探索着宇宙的奥秘。近年来，随着移动通信技术的发展，到处都可以看到带有天线的手持移动电话手持移动电话。天线的发展简史：天线的发展简史：无线电机器有一条导线接着之后，性能好的不得 了，这导线就称为天线(Aerial)。(WHIRE)如果把上述无线电机器的外壳接地那性能就更妙。GROWND 从无线电机器拉出去的天线，若是两条一字拉开使电 力呈平衡状是最好的。(DIPOLE)天线是否平衡，可以由简易的驻波比表测量出来。-尼马奇 在双偶极天线能上，可以把部份长度缠绕成电感状，使天线能变短。TRAP 天线是否平衡，不必光看天线在形体上是否对称，可以设法人工调整。雷顿(RANDOM）(1)按天线外形：有V形天线、菱形天线、环行天线、螺旋天线、喇叭天线和反射面天线、板状天线、帽状天线等 板状天线帽形天线鞭状天线面状天线4.1.2 天线的分类天线的分类(2)按工作波长工作波长：超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。(3)按天线特性天线特性分类：按方向特性分，有定向天线、全向天线；按极化特性分，有线极化(垂直极化和水平极化)天线和圆极化天线；按频带特性分，有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。定向天线全向天线4.1.2 天线的分类天线的分类(4)按天线结构分（分析方便）：线天线和面天线。线天线由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段；面天线由尺寸大于波长的金属或介质面构成，主要用于微波波段。这两种天线都可用于超短波波段。线天线面天线4.1.2 天线的分类天线的分类 理论求解及分析：理论求解及分析：利用电磁场相关理论，对天线的求解和分析实质上就是求解满足特定边界条件对麦克斯韦方程组对解。（数学上复杂）工程解法及分析：工程解法及分析：近似解法，将天线辐射问题分解为求解：内场问题和外场问题。外场是关键：利用电磁场的线性叠加原理：（在线性系统内，各场源所产生于空间的总场是各场源单独存在时所激发的部分场线性叠加的结果）无论是线天线或面天线，其辐射源都是高频电流元，因此，下面将开始介绍电流元（电基本振子）的辐射问题。4.1.3 天线的分析方法天线的分析方法
