2004级微波技术期末试题答案A - 2007

一、基本概念（30分）

(a) 微波是介于 超短波 与 红外线 之间的波，频率范围从 300 MHz到 3000 GHz。光波属于电磁波谱的 可见光 段，工作波长为 纳米 量级。（5分）

(b) 由于微波在电磁波谱中的特殊位置，所以具有以下特性 似光性和似声性、穿透性、非电离性、信息性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗低频干扰特性、视距传播性、分布参数的不确定性、电磁兼容和电磁环境污染等 （请列举5种以上，5分）。

(c) 某矩形波导中的信号能够单模传输，那么它一般工作于 TE10模式，截止波长为_2a_,其中a为波导宽边尺寸。 如果转接成圆型波导馈入基站仍然为单模，那么它此时工作于TE11模式。圆柱波导传输场一般可采用 分离变量 法求解，由于匹配边界条件的缘故，如果支撑场解中的第一类贝塞尔函数带有求导符号，那么必定为TE模，其余场分量利用支撑场和 纵横关系 求出。（5分）

(d) 圆型波导虽然损耗比矩形波导小，但是由于其中存在固有的 极化简并 等问题，一般不用于长距离传输系统。对于腔式谐振器器件，由于损耗主要来源于 腔体的金属壁和腔内填充的介质 ，所以采用 开放式或半开放式谐振器 有利于获得更小的损耗。作为封闭谐振体的改进版，可以采用 由两块平行金属板构成开式 结构的法布里——珀罗谐振器，这种谐振器稳定工作的条件是0??1???d??d?1?????1。 (5分) R1??R2?(e) 空心波导的激励可以通过 探针激励、环激励、孔或缝激励、直接过渡 等方法获得。（3分） (f) 举例说明微波网络的信号流图简化分析的四条准则（4分）

答：(1)同向串联支路合并规则：在两个节点之间如果有几条首尾相接的串联支路，则可以合并

为一条支路，新支路的传输值为各串联支路传输值之积。

S21S32S21?S32

(2)同向并联支路合并规则：在两个节点之间如果有几条同向并联支路，则可以合并为一条支路，新支路的传输值为各并联支路传输值之和。

SaV1V2V3V1V3Sa?SbV1SbV2V1V2

(3)自环消除法则：如果在某节点有传输为S的自环，则将所有流入此节点的传输都除以（1－S），而流出的支路传输值不变，即可消除此自环。

S22S21V1V2S32V3V1S211?S22S32V2V3

(4)节点分裂规则：一个节点分成两个或者更多节点，只要原来的信号流通情况保持不变即可；如果在次节点上有自环，则分裂后的每个节点都应保持原有的自环。

S42S21V1V2S32V4S21V1V2'S42S32V4S21V2V3V3

(g) 微波集成传输线综合了微波技术、半导体器件和集成电路的多种技术。他的主要优点有： 体积小、重量轻、成本低、性能优越、可靠性高、一致性好、功能的可复制性好 等。请画出常用的几种微带线的结构并简述求解方法。（请列举2种以上，4分） 答：常用的几种微带线结构如下

W

t?raWSWaW?rtt?rbbh耦合微带线结构截面图

对于耦合微带线应用奇偶模方法求解。奇模激励时中间对称面为电壁，偶模激励时中间对称面为磁壁。奇、偶模激励下，耦合线分别被电壁和磁壁分成两半，只需研究其中一半，即分别研究单根奇模线和单根偶模线的特性，然后叠加便可得到耦合线的特性。也就是说，另一根带状导体的影响分别可用对称面上的电壁（奇模）和磁壁（偶模）边界条件来等效，然后可以应用传输线理论进行分析和计算。

对于悬置微带线和倒置微带线，用对谱域结果的最小二乘曲线拟合方法可得特性阻抗和有效介电常数，然后应用传输线理论进行分析和计算。

二、单、双枝节匹配问题（20分）： 某个无耗传输线系统的特性阻抗Z0为50Ω，端接ZL＝30-j50Ω的负载，请在距离负载0.7λ处分别采用开路单枝节和开路双枝节（间距3λ/8）匹配技术使系统输入达到匹配，。（请在解题时画出简图并标注步骤） 解：负载阻抗归一化：zL?ZLZ0?0.6?j

悬置微带线结构截面图倒置微带线结构截面图采用串联开路单枝节进行匹配：

（1）如图所示，在圆图中标出zL（对应向电源波长数为0.36），沿等反射系数圆顺时针旋转，交r?1等电阻圆于z1?1?j1.4（对应向电源波长数为0.174），所以枝节位置距离负载

0.5??0.36??0.174??0.314?。

（2）要使z1移动到匹配点，应使开路枝节等效阻抗为?1.4j。

（3）在圆图中标出点，其对应向电源波长数为0.349，所以枝节长度为0.349??0.25??0.099? 采用串联开路双枝节进行匹配：

（1）如图所示，在圆图中标出zL，沿等反射系数圆顺时针旋转0.7?到z1?0.31?j0.37。 （2）z1沿等电阻圆交辅助圆于z2?0.31?j0.28，所以第一个串联枝节等效阻抗为?j0.65（对应向电源波长数为0.408），其长度为0.408??0.25??0.158?

（3）z2沿等电阻圆顺时针旋转3?8，交r?1等电阻圆于z3?1?j1.33，为使z3移动到匹配点处，

7，其长度为第二个串联枝节等效阻抗应为j1.33（对应向电源波长数为0.14）0.5??0.25??0.147??0.397?。

三、微带技术：（15分）画出耦合微带线的结构及等效电路，推导等效电路的微分方程。 解：（1）画出耦合微带线的结构及等效电路如下：

1 W 4 2 W S 3 图（1） 图（2）

（2）假设偶合微带线传输TEM模，则两线之间的电磁耦合可等效为通过两线之间的互电容和互电感进行耦合，线元dz的集总参数等效电路如上图2所示。图中，Lm和Cm分别表示线间单位长度的耦合电感和耦合电容，L1和C1表示计及另一线影响时单根线的分布电感和分布电容。根据基尔霍夫定律，对于时谐变化的电压和电流，可得到等效电路的微分方程为：

???dV1dzdV2dzdI1dz?j?LI1?j?LmI2------（1） ?j?LI2?j?LmI1------（2） ?j?CV1?j?CmV2------（3）

?dI2dz?j?CV2?j?CmV1------（4）

式中L?L1,C?C1?Cm

四、 微波网络：（20分）请分类写出5种微波网络矩阵的定义式。利用级联法求如下图所示的系统的总[ABCD]矩阵，推导出对应的[Z]矩阵和[S]参数矩阵（请写出转换计算过程），并从网络参数的角度讨论此矩阵的“对称性”和“幺正性” 。

解：阻抗矩阵：?V???Z??I? 导纳矩阵：?I???Y??V? 散射矩阵：?b???S??a?

?V1??A[ABCD]矩阵：?????I1??C?b??TB??V2???? C??I2?T??a?111122传输散射矩阵：???????

?a1??T21T22??b2?可将系统分成五个部分，其[ABCD]矩阵分别为：

?1??0j40??1，??1??j200??1，??1??0j30??1?，??1?j200??1，??1??0j40??1?

五个部分级联，因而总的[ABCD]矩阵为：

?1ABCD?????0j40??1??1??j200??1??1??0j30??1??1??j200??1??1??0j40???1.5???1??0.025j?50j???1.5?

由[ABCD]矩阵的定义可得：

V1?AV1?AV2?BI2I1?CV2?DI2

所以可得：

V2??AD?I1???B?I2C?C?1CI1?DCI2

?A?C所以阻抗矩阵?Z????1??CV1?AV2?BI2I1?CV2?DI2?AD???B????C???60j??D???40j?C?V1?Z0?a1?b1?1Z0?40j?? 60j?V2?I2?Z0?a2?b2?1Z0已知，且有

I1??a1?b1??b2?a2?，合并可得：

a1?b1?A?a2?b2??B?a2?b2?/Z0a1?b1?CZ0?a2?b2??D?a2?b2?

整理变形可得：

?b1??1?????b2???1??A?BZ0?????CZ0?D???1??1???1?A?BZ0???a1????

CZ?D?0???a2??1?S?????1???A?BZ0?????CZ0?D??1?1??1???1?A?BZ0????CZ0?D????

?A?BZ0?CZ0?D?2?AD?BC??A?BZ0?CZ0?D?A?BZ0?CZ0?D?2?0.6621?j0.0552???0.0621?j0.7448???0.0621?j0.7448????0.6621?j0.0552观察[S]矩阵可见，S11?S22和S12?S21，所以网络满足对称性和互易性，且

S112?S212?S122?S222?1，所以网络满足幺正性。

五、微波器件：（15分）已知半波长有耗线的输入阻抗可以用下式表示： Zin?Z0th(??j?)l?Z0th?l?jtg?l1?jth?l?tg?l

证明λ0 /2长度的传输线型谐振腔相当于RLC串联谐振电路。其等效电参量如下：

2，L?n?Z，Q?n???，当传输线损耗增加时，等效电路会有什么变化？如R?Z?l，C?00n??0Z02?02?l2?果实际使用这样的谐振器尺寸嫌大，可以采用何种结构的谐振器进行改进？

解：（1）实用中的大多数传输线的损耗都很小，因此可以假设?l?1，于是th?l??l。令

???0???（在谐振频率附近），这里??很小，则?l?n????lvp??0lvp???lvp。由于谐振时，???0，

n????n???l?n?2?n?vp?0，因此有?l?n???l?j?n????0??0，而tg?l?tgn?????n????tg???0??0?0。所以

可以得到：Zin?Z0Zin?R?j2L???n?????Z0??l?j?，与RLC串联谐振电路的输入阻抗公式

1?j?n????0??l?0??的形式相似，据此可判断长度为?02的传输线型谐振腔相当于RLC串联谐振电

n???路。对比两式可得 R?Z0?l和2L???Z0?0n?Z02?0

，等效电容C?1?2n??0Z0所以等效电阻R?Z0?l，等效电感L?Q??L20，品质因素

?0LR?n?2?l??2?

（2）当传输线损耗?增加时，等效电阻变大，等效电感和等效电容不变，品质因素变小。 （3）如果实际使用时，尺寸太大，可以采用螺旋线谐振器结构进行改进。