本書比較系統(tǒng)和深入地論述了微波技術的基本理論和基本分析方法。主要內容包括電磁場概述、傳輸線理論、導波與波導、微波網絡、無源和有源微波電路、微波天線、微波傳播、微波工程子系統(tǒng)等。全書采用場與路相結合的分析方法,以闡明基本概念為主,并給出定量的數(shù)學分析和應用舉例。各章之間相互呼應,有機結合,自成系統(tǒng)。
該書適于作為高等院校無線電技術專業(yè)本科生的教材,也可供從事微波工程技術的科技人員閱讀和參考。
無線電波譜是一種資源,微波在其中占有十分重要的地位,其頻譜比較寬,可以穿透對流層和電離層,因而許多電子信息系統(tǒng)都采用微波作為載頻。微波在國民經濟和國防建設中發(fā)揮著不可替代的作用。近二三十年來,微波的服務領域不斷擴大,新器件、新技術,特別是新系統(tǒng)的不斷出現(xiàn),進一步推動了微波工程技術的發(fā)展。微波技術和微波工程是電子信息系統(tǒng)中不可或缺的有機組成部分。許多電子信息系統(tǒng),如微波通信、衛(wèi)星通信、移動通信、雷達、微波遙感、全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙控遙測系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)等都離不開微波;光纖通信與微波技術的緊密結合、高速數(shù)字系統(tǒng)的設計也需引入微波技術的分析方法,因此電子信息領域的研究人員、工程技術人員具備比較系統(tǒng)的微波技術和微波工程的知識,掌握該領域的基本原理和分析方法是十分必要的。多年來,清華大學電子工程系在制定教學計劃時總是將微波工程基礎作為電子信息工程專業(yè)的必修課,并不斷地強調微波工程在大學本科學生知識結構中的重要性。
微波技術和微波工程的內容比較多,通常是將相關的內容寫成三或四本書,讀者若想了解該領域的全貌勢必要讀許多書。大學本科教學中的一個重要的宗旨是在保證一定的深度的前提下,盡可能地拓寬學生的知識面。為了這個目標,本書將與微波工程有關的技術領域綜合在一本書中,希望能夠比較全面地論述微波工程的各個層面,并盡可能地找出微波工程各個技術領域的內在聯(lián)系,以加強全書的系統(tǒng)性。本書除緒論之外共分九章,分別為電磁場概述、傳輸線理論、導波與波導、微波網絡、無源微波電路、有源微波電路、天線、電波傳播、微波工程系統(tǒng)。這九章可分為四部分或四個層次。
第一部分僅含第1章電磁場概述,該章概述了電磁場方程組、本構關系、邊界條件以及一系列重要的定理。電磁場理論是微波工程的理論基礎,也是全書的基礎。學習了微波工程基礎之后,許多讀者都將進一步體會到電磁場理論的完整嚴密和應用的廣泛性,可以說微波工程是應用電磁場理論的最生動的例子。
微波工程基礎前言傳輸線理論(第2章)、導波與波導(第3章)和微波網絡(第4章)這三章屬于第二部分,分別代表了不同于低頻集總參數(shù)電路的微波電路的三種分析方法,是微波電路的理論基礎。傳輸線理論講的是分布參數(shù)電路的分析方法和工具,不涉及電磁場而僅僅引入電壓電流沿傳輸線波動的概念,與低頻集總參數(shù)電路的區(qū)別是,在電路的分析中考慮了傳輸線的長度,故歷史上傳輸線理論曾被稱為長線理論。導波與波導是用場的方法分析立體的或平面的傳輸線,導波理論考慮了波導的橫向結構,描述了微波傳輸線上的電磁場的分布和波導的特性。在傳輸線理論和導波理論的基礎上,微波網絡用散射矩陣等網絡參量描述微波電路的外部特性,并進一步導出直觀上不易想像的微波電路的特性。表面上看,傳輸線理論、導波與波導和微波網絡是三種不同的分析方法,但是三者卻有著內在的聯(lián)系,例如: 用電磁場理論和導波理論還可導出多導體傳輸線電報方程;傳輸線理論是導波理論的簡化;微波網絡的酉條件、互易性等性質是由傳輸線理論和電磁場理論導出的;微波網絡理論包容了傳輸線理論,將傳輸線理論與微波網絡結合可給出含信號源和負載的微波電路的形式解?梢哉f,只有綜合或交替使用上述三種方法才能得心應手地分析微波電路,這一點在本書的第三部分將進一步得到印證。隨著高速數(shù)字信號向高速率窄脈沖發(fā)展,其頻譜已落入微波波段,傳輸線的長線效應不可忽視。在第2章的27節(jié)討論了高速數(shù)字信號在傳輸線上的傳播特性。
無源微波電路(第5章)、有源微波電路(第6章)、天線(第7章)和電波傳播(第8章)等四章屬于第三部分。無源微波電路和有源微波電路的分析設計是建立在傳輸線理論、導波理論和微波網絡理論的基礎之上的,第5章和第6章包含了大量的無源和有源微波電路的例子,這些例子是第2、3和4章給出的微波電路三種基本分析方法的具體應用。第7章講述的是電磁波的輻射和接收,第8章講述的是電磁波在自由空間和近地空間的傳播規(guī)律。顯而易見,天線和電波傳播的分析計算離不開電磁場理論,同時也要用到傳輸線理論、導波理論和微波網絡理論,例如,巧妙地應用電磁場的互易定理和散射參量的互易性可以方便地導出發(fā)射和接收天線的互易性,這說明天線的互易性和微波網絡的互易性本質上是相通的。第三部分內容與電子信息系統(tǒng)密切相關。以通信系統(tǒng)為例,無源和有源微波電路、天線和電波傳播完成了通信系統(tǒng)框圖的發(fā)射、接收和信道功能,在通信系統(tǒng)中是不可缺少的。
第四部分為微波工程系統(tǒng)(第9章),該部分并不全面介紹各種電子信息系統(tǒng),而僅僅以衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例說明如何將第三部分的內容構成一個具體的通信系統(tǒng),以便使讀者初步建立微波工程系統(tǒng)的概念。
全書從電磁場理論開始,然后討論微波技術的分析方法、各種具體的傳輸線、微波部件和電波傳播,最后給出微波工程系統(tǒng)的概念,這就是全書的主線。
本書的編寫有一個歷史過程: 1986年為清華大學電子工程系的本科生編寫了講義《微波工程基礎》(李宗謙);1991年由西安交通大學出版社出版了《微波技術》一書(李宗謙、佘京兆),該書獲1996年度電子部優(yōu)秀教材二等獎;1996年由東南大學出版社出版了《微波工程基礎》一書(李宗謙、佘京兆),該書獲2002年度清華大學優(yōu)秀教材一等獎。與1996年版相比,這次改版我們作了較大的修訂,許多章節(jié)或作修改,或增刪內容。
本書由三位作者共同完成,其中佘京兆編寫了第5章,高葆新編寫了第6章,其余各章由李宗謙編寫并統(tǒng)編全書。
清華大學電子工程系的各屆領導和同事對本書的編寫給予了很大的支持和鼓勵,在多年的教學實踐中,作者與電子工程系學生之間的不斷切磋對本書的改寫也起到了重要作用,這正是教學相長的具體體現(xiàn),借此機會向他們表示感謝。在前兩個版本和本次版本成書的過程中,清華大學的陸大教授、楊棄疾教授、林德云教授、石長生教授、鄭君里教授,東南大學出版社的朱經邦老師,國防科技大學的姚德淼教授,西安交通大學出版社的楊潞老師,北京理工大學的張德齊教授,浙江大學的黃恭寬教授,西安交通大學的蘇毅哲教授,以及許多未曾謀面和署名的老師、同仁作了大量的工作,借此機會向他們表示感謝。
雖然作者作了努力,不足之處仍在所難免,誠懇期盼各位學術先輩、同仁和讀者批評指正。
0緒論1
0.1微波的范圍1
0.2微波的優(yōu)點2
0.3微波的應用2
0.4本書的結構4
0.5對讀者的建議5
1電磁場概述7
1.1引言7
1.2時變電磁場方程組和媒質的本構關系7
1.3諧變電磁場方程組和媒質的本構關系9
1.4邊界條件11
1.5坡印亭定理14
1.5.1時變場的坡印亭定理14
1.5.2諧變場的坡印亭定理14
1.6惟一性定理16
1.7等效源和廣義電磁場方程組18
1.8對偶性19
1.9波動方程20
1.10矢量位和標量位21
1.11反作用和互易定理23
1.12等效原理和鏡像定理25
1.12.1等效原理25
1.12.2鏡像定理26
習題27
2傳輸線理論28
2.1引言28
2.2傳輸線波動方程和它的解28
2.2.1傳輸線波動方程28
2.2.2波動方程的解30
2.2.3相速和波長31
2.3阻抗與駐波32
2.3.1反射系數(shù)32
2.3.2輸入阻抗與輸入導納33
2.3.3輸入阻抗與輸入導納的另一種表示式34
2.3.4傳輸線的工作狀態(tài)35
2.3.5駐波參量37
2.3.6阻抗的周期性和1/4波長倒置性38
微波工程基礎目錄2.4史密斯圓圖39
2.4.1阻抗圓圖39
2.4.2導納圓圖44
2.4.3阻抗匹配46
2.5功率衰減與噪聲51
2.5.1無耗傳輸線上的功率關系51
2.5.2有耗傳輸線52
2.5.3負載的噪聲功率53
2.5.4有耗傳輸線的噪聲溫度54
2.6包含信號源和負載的傳輸線電路57
2.6.1歸一化電壓與歸一化電流57
2.6.2簡單完整的傳輸線電路的形式解58
2.6.3匹配的基本概念60
2.7傳輸線電路中信號的時域分析61
2.7.1分布參數(shù)高速數(shù)字電路的特征參數(shù)61
2.7.2s域傳輸線波動方程和它的解64
2.7.3簡單傳輸線電路負載端時域信號的形式解67
2.7.4負載端時域信號的形式解應用舉例71
習題75
3導波與波導80
3.1引言80
3.2規(guī)則金屬波導的一般理論81
3.2.1直接法求解81
3.2.2縱向場分量和橫向場分量的關系82
3.2.3TE波、TM波和TEM波的特點84
3.2.4導波的坡印亭矢量86
3.2.5空心金屬波導內不存在TEM波86
3.3矩形金屬波導87
3.3.1矩形波導的通解87
3.3.2矩形波導中的力線圖91
3.3.3矩形波導的色散方程與k空間93
3.3.4矩形波導中導波的相速和群速97
3.3.5矩形波導中的傳輸功率與儲能99
3.3.6矩形波導的衰減101
3.3.7矩形波導的導體壁電流104
3.4金屬圓波導105
3.4.1圓波導的通解105
3.4.2圓波導中的力線圖111
3.4.3圓波導的色散方程113
3.5同軸線與平行雙線113
3.5.1同軸線中的TEM波113
3.5.2同軸線中的TE波和TM波116
3.5.3同軸線TEM波的等效電路118
3.5.4平行雙線120
3.6傳輸線理論的推廣122
3.6.1TE波和TM波的傳輸線理論122
3.6.2多導體傳輸線電報方程126
3.7帶線和微帶線128
3.7.1帶線128
3.7.2微帶線130
3.7.3均勻介質填充的耦合傳輸線的奇偶模135
3.7.4耦合帶線138
3.7.5耦合微帶線139
3.8介質波導143
3.8.1相位匹配143
3.8.2對稱薄膜介質波導145
3.9光纖簡介150
3.10激勵耦合151
3.10.1源對場的激勵準則152
3.10.2激勵耦合舉例153
習題156
4微波網絡159
4.1引言159
4.2微波網絡的幾個定理160
4.2.1微波網絡的坡印亭定理160
4.2.2微波網絡的互易定理161
4.2.3微波網絡的電抗定理162
4.3阻抗矩陣和導納矩陣164
4.3.1非歸一化阻抗矩陣和導納矩陣164
4.3.2歸一化阻抗矩陣和導納矩陣165
4.3.3阻抗矩陣和導納矩陣的性質167
4.4散射矩陣169
4.4.1散射矩陣和散射參量的意義169
4.4.2散射矩陣的性質169
4.4.3參考面移動后的散射矩陣171
4.4.4散射矩陣與阻抗導納矩陣的關系172
4.5二端口網絡173
4.5.1二端口網絡的各種矩陣173
4.5.2二端口網絡的散射矩陣177
4.5.3二端口等效單元電路179
4.5.4對稱二端口網絡的本征值和本征矢185
4.6網絡的連接188
4.6.1網絡的串聯(lián)188
4.6.2網絡的并聯(lián)189
4.6.3網絡的串并聯(lián)190
4.6.4網絡的并串聯(lián)190
4.6.5網絡的級聯(lián)192
4.7微波信號通過微波電路的分析方法193
4.7.1含n端口網絡電路的形式解193
4.7.2微波電路的等效電源波定理195
4.7.3微波電路的信流圖199
4.7.4微波信號通過二端口網絡202
習題206
附錄式(4725)、式(4726)和式(4729)的推導208
5無源微波電路211
5.1引言211
5.2匹配負載212
5.3波導接頭和同軸接頭213
5.4短路器213
5.5衰減器215
5.5.1吸收式矩形波導衰減器215
5.5.2截止式衰減器216
5.5.3旋轉極化式衰減器217
5.6模式抑制器218
5.7波導T形分支219
5.7.1E-T和H-T分支219
5.7.2無耗互易三端口網絡的性質221
5.8微帶線功分器與合成器223
5.9魔T225
5.9.1從波導雙T到魔T225
5.9.2魔T的應用227
5.10定向耦合器的機理、技術指標和分析方法231
5.10.1定向耦合器的簡單機理231
5.10.2定向耦合器的技術指標233
5.10.3對稱理想定向耦合器的散射矩陣233
5.10.4應用奇偶模理論分析定向耦合器234
5.11微帶線定向耦合器239
5.11.1微帶耦合線定向耦合器239
5.11.2微帶分支線定向耦合器241
5.11.3變阻的微帶分支線定向耦合器244
5.11.4微帶環(huán)形定向耦合器248
5.12圓極化器251
5.13旋轉對稱五端口結253
5.14六端口結及其應用255
5.15鐵氧體器件257
5.15.1鐵氧體的張量導磁率257
5.15.2鐵氧體的標量導磁率258
5.15.3矩形波導場移式隔離器259
5.15.4矩形波導諧振式隔離器261
5.15.5對稱Y形環(huán)行器262
5.16諧振腔264
5.16.1諧振腔的基本參數(shù)264
5.16.2矩形腔266
5.16.3圓柱腔269
5.16.4同軸腔271
5.16.5微帶諧振腔273
5.16.6介質諧振腔274
5.16.7諧振腔的激勵耦合286
5.16.8腔體微擾與諧振頻率的變化288
5.17微波濾波器291
5.17.1微波濾波器的工作特性292
5.17.2低通原型濾波器295
5.17.3頻率變換301
5.17.4電感與電容的微波實現(xiàn)307
5.17.5微波低通濾波器313
5.17.6倒置變換器318
5.17.7變形低通原型320
5.17.8微波帶通濾波器321
5.17.9微波帶阻濾波器330
習題333
6有源微波電路336
6.1引言336
6.2微波晶體管放大器336
6.2.1微波晶體管337
6.2.2微波晶體管放大器的增益347
6.2.3微波晶體管放大器的穩(wěn)定性348
6.2.4微波晶體管放大器的噪聲系數(shù)353
6.2.5微波低噪聲放大器設計356
6.2.6微波功率放大器358
6.3微波混頻器360
6.3.1肖特基勢壘二極管360
6.3.2非線性電導混頻的機理363
6.3.3混頻器電路365
6.3.4混頻器的噪聲系數(shù)369
6.3.5接收機噪聲系數(shù)371
6.4微波振蕩器373
6.4.1微波振蕩器的種類與特性373
6.4.2微波晶體管振蕩器374
6.4.3雪崩二極管振蕩器377
6.4.4體效應二極管振蕩器381
習題384
7天線386
7.1引言386
7.2輻射場387
7.2.1電流源和磁流源的矢量位387
7.2.2電偶極子輻射場390
7.3天線的基本參數(shù)(一)392
7.3.1輻射方向圖392
7.3.2天線立體角395
7.3.3方向性396
7.3.4增益397
7.3.5天線的極化398
7.3.6天線的輸入阻抗400
7.4天線的基本參數(shù)(二)401
7.4.1天線的互易性401
7.4.2極化損失因子402
7.4.3天線有效面積404
7.4.4天線有效面積與天線方向性的關系405
7.4.5天線的噪聲溫度406
7.5振子天線410
7.5.1對稱振子410
7.5.2折疊振子412
7.5.3對稱轉換器413
7.6陣列天線415
7.6.1二元陣415
7.6.2N元線陣417
7.6.3自阻抗與互阻抗418
7.7口面天線419
7.7.1口面天線輻射場的計算方法419
7.7.2口面天線輻射場計算舉例421
7.8拋物面天線425
7.8.1旋轉拋物面天線426
7.8.2卡塞格倫天線428
習題430
8電波傳播432
8.1引言432
8.2地球及其近地空間432
8.3電波傳播的各種方式434
8.4自由空間傳播損失436
8.5對流層對微波傳播的影響437
8.5.1對流層的參數(shù)和標準大氣437
8.5.2對流層對微波的折射438
8.5.3大氣對微波的衰減441
8.5.4降水的退極化效應442
8.6電波傳播的菲涅耳區(qū)443
8.6.1惠更斯|菲涅耳原理443
8.6.2自由空間的菲涅耳區(qū)446
8.7地面對微波傳播的影響448
8.7.1視線距離448
8.7.2平地面的菲涅耳區(qū)449
8.7.3地面的反射和散射449
8.7.4考慮地面影響的路徑損失449
8.8電離層中的電波傳播450
目錄ⅩⅦ
9微波工程系統(tǒng)453
9.1引言453
9.2衛(wèi)星通信的微波子系統(tǒng)453
9.2.1衛(wèi)星通信微波子系統(tǒng)框圖453
9.2.2衛(wèi)星通信線路增益損耗圖454
9.2.3衛(wèi)星通信信噪比458
9.2.4衛(wèi)星天線459
9.2.5地球站天線系統(tǒng)460
習題461
附錄462
附錄Ⅰ物理常數(shù)462
附錄Ⅱ矢量微分算子462
Ⅱ.1直角坐標462
Ⅱ.2圓柱坐標463
Ⅱ.3球坐標463
附錄Ⅲ矢量恒等式463
Ⅲ.1加法和乘法463
Ⅲ.2微分464
Ⅲ.3積分464
附錄Ⅳ常用同軸射頻電纜465
附錄Ⅴ矩形與扁矩形波導465
附錄Ⅵ半導體材料466
Ⅵ.1能帶論和晶體466
Ⅵ.2費米能級470
Ⅵ.3本征半導體和摻雜半導體471
Ⅵ.4漂移電流473
參考文獻474