电磁场、微波技术与天线

《电磁场、微波技术与天线》

第一篇 电磁场与电磁波

第1章 矢量分析 2

1.1 三种常用的坐标系 2

1.1.1 坐标系的构成 2

1.1.2 三种坐标系坐标变量之间的关系 4

1.1.3 三种坐标系坐标单位矢量之间的关系 5

1.2 矢量函数的微积分 8

1.2.1 矢量函数的导数 8

1.2.2 矢量函数的积分 10

1.3 标量函数的梯度 10

1.3.1 方向导数 10

1.3.2 梯度 12

1.4 矢量函数的散度 15

1.4.1 通量 15

1.4.2 散度 16

1.4.3 高斯(gauss)散度定理 17

1.5 矢量函数的旋度 19

1.5.1 环量 19

1.5.2 旋度 20

.1.5.3 斯托克斯(stokes)定理 22

1.6 场函数的微分算子和恒等式 23

1.6.1 哈密顿一阶微分算子及恒等式 23

1.6.2 二阶微分算子及恒等式 25

习题 26

第2章 电磁场基本方程 29

2.1 麦克斯韦方程组 29

2.1.1 麦克斯韦方程组的积分形式 29

2.1.2 麦克斯韦方程组的微分形式 30

2.1.3 本构关系 31

2.2 电磁场的边界条件 33

2.2.1 e的切向边界条件 33

2.2.2 h的切向边界条件 33

2.2.3 d和b的法向边界条件 34

2.3 时谐电磁场的复数表示 35

2.4 坡印廷定理 36

2.5 电磁场的位函数 38

2.5.1 位函数的定义 38

2.5.2 达朗伯方程 39

2.5.3 滞后位 40

习题 41

第3章 平面电磁波 45

3.1 理想介质中的均匀平面波 45

3.1.1 波动方程的解 45

3.1.2 均匀平面波的传播特性 47

3.2 均匀平面波的极化 49

3.2.1 均匀平面波的三种极化形式 49

3.2.2 均匀平面波的合成分解及应用 51

3.3 损耗媒质中的均匀平面波 52

3.3.1 损耗媒质中的平面波场解 52

3.3.2 传播常数和波阻抗的意义 53

3.3.3 良导电媒质中的平面波 55

3.4 均匀平面波对平面边界的垂直入射 59

3.4.1 对理想导体的垂直入射 59

3.4.2 对理想介质的垂直入射 61

3.5 均匀平面波对平面边界的斜入射 64

3.5.1 沿任意方向传播的平面波 64

3.5.2 平面波对理想介质的斜入射 65

3.5.3 平面波对理想导体的斜入射 68

3.5.4 全反射 70

习题 71

第二篇 微波技术基础

第4章 传输线理论 76

4.1 引言 76

4.2 分布参数 77

4.3 传输线方程及其解 78

4.3.1 传输线方程 78

4.3.2 传输线方程的通解与物理意义 78

4.4 无耗传输线的传输特性 80

4.5 端接负载的均匀无耗传输线 82

4.5.1 波的反射现象 82

4.5.2 传输线的三种工作状态 85

4.6 圆图及其应用 90

4.6.1 圆图绘制原理 90

4.6.2 阻抗圆图的特点 91

4.6.3 导纳圆图 92

4.6.4 圆图应用举例 94

4.7 传输线阻抗匹配 96

4.7.1 阻抗匹配的概念 96

4.7.2 阻抗匹配法 97

习题 100

第5章 微波传输线 103

5.1 引言 103

5.2 te模和tm模传输线 103

5.2.1 波导系统场解法 104

5.2.2 矩形波导 105

5.2.3 圆波导 116

5.3 tem模传输线 122

5.3.1 同轴线 122

5.3.2 带状线 125

5.3.3 微带线 127

习题 130

第6章 微波网络基础 132

6.1 引言 132

6.2 波导传输线与双线传输线的等效 132

6.2.1 等效的基础与归一化条件 133

6.2.2 等效特性阻抗 134

6.2.3 归一化参量 136

6.3 微波元件等效为微波网络的原理 137

6.4 二端口微波网络参量 138

6.4.1 阻抗参量［z］ 138

6.4.2 导纳参量［y］ 140

6.4.3 转移参量［a］ 140

6.4.4 散射参量［s］ 141

6.4.5 传输参量［t］ 143

6.5 基本电路单元的参量矩阵 145

6.6 微波网络的工作特性参量 146

习题 148

第7章 微波元件 151

7.1 引言 151

7.2 简单元件 151

7.2.1 终端器件与连接器件 151

7.2.2 衰减器与移相器 155

7.2.3 波导分支结构 157

7.3 阻抗调配器和阻抗变换器 160

7.3.1 微波电抗元件 161

7.3.2 阻抗调配器 164

7.3.3 λ/4阻抗变换器 164

7.4 定向耦合器与功率分配器 166

7.4.1 定向耦合器技术指标 166

7.4.2 波导双孔定向耦合器 167

7.4.3 波导十字槽孔定向耦合器 168

7.4.4 平行耦合线耦合器 169

7.4.5 功率分配器 171

7.5 微波谐振器 173

7.5.1 矩形谐振腔 174

7.5.2 圆柱形谐振腔 175

7.5.3 同轴谐振腔 177

7.6 微波滤波器 178

7.7 微波铁氧体元件 181

7.7.1 铁氧体对圆极化波的导磁率 181

7.7.2 微波铁氧体元件 182

习题 186

第三篇 天线与电波传播

第8章 天线基础知识 190

8.1 引言 190

8.2 基本振子(short dipole)的辐射 190

8.2.1 电基本振子的辐射 190

8.2.2 磁基本振子的辐射 193

8.3 发射天线的电参数(basic antenna parameters) 195

8.3.1 方向函数 195

8.3.2 方向图(fileld pattern) 196

8.3.3 方向图参数 197

8.3.4 方向系数(directivity) 197

8.3.5 天线效率(eifficiency) 199

8.3.6 增益系数(gain) 200

8.3.7 天线的极化(polarization) 201

8.3.8 有效长度(effective length) 201

8.3.9 输入阻抗与辐射阻抗(input resistance and radiation resistance) 202

8.3.10 频带宽度(bandwidth) 202

8.4 互易定理与接收天线的电参数 203

8.4.1 互易定理 203

8.4.2 有效接收面积(effective aperture) 204

8.5 对称振子(symmetrical center瞗ed dipole) 204

8.5.1 电流分布 204

8.5.2 对称振子的辐射场 205

8.5.3 对称振子的输入阻抗 208

8.6 天线阵(arrays)的方向性 208

8.6.1 二元阵(two element arrays)的方向性 209

8.6.2 均匀直线阵(uniform linear arrays) 214

8.7 对称振子阵的阻抗特性 221

8.7.1 二元阵的阻抗 221

8.7.2 直线阵的阻抗 225

8.8 无限大理想导电反射面对天线电性能的影响 226

8.8.1 天线的镜像 226

8.8.2 无限大理想导电反射面对天线电性能影响的分析 227

习题 230

第9章 简单线天线 235

9.1 引言 235

9.2 水平对称天线 235

9.2.1 双极天线 235

9.2.2 笼形天线 242

9.2.3 v形对称振子 244

9.2.4 电视发射天线 245

9.3 直立天线 248

9.4 引向天线 254

9.4.1 引向天线的工作原理 254

9.4.2 引向天线的电特性 259

9.4.3 半波折合振子(half瞱ave folded dipole) 261

9.4.4 平衡器(balun)——对称天线的馈电 262

习题 265

第10章 宽频带天线 267

10.1 引言 267

10.2 行波单导线及菱形天线 267

10.2.1 行波单导线 267

10.2.2 菱形天线 269

10.3 螺旋天线(helical antenna) 274

10.3.1 圆极化波及其应用 274

10.3.2 螺旋天线的工作原理 274

10.3.3 螺旋天线的电参数估算 277

10.4 非频变天线 277

10.4.1 平面等角螺旋天线 278

10.4.2 阿基米德螺旋天线 280

10.4.3 对数周期天线(log瞤eriodic antenna，lpa) 281

习题 288

第11章 微带天线 290

11.1 引言 290

11.2 矩形微带天线(rectangular瞤atch microstrip antenna) 290

11.3 双频微带天线(duel瞓and microstrip antenna) 293

习题 296

第12章 面天线 297

12.1 引言 297

12.2 等效原理(field equivalence theorem)与惠更斯元的辐射 297

12.3 平面口径(planar aperture)的辐射 300

12.3.1 一般计算公式 300

12.3.2 同相平面口径的辐射 301

12.3.3 相位偏移对口径辐射场的影响 304

12.4 喇叭天线(horn antenna) 305

12.4.1 矩形喇叭天线的口径场与方向图 306

12.4.2 圆锥喇叭(conical horn) 310

12.5 旋转抛物面天线 311

12.5.1 几何特性与工作原理 311

12.5.2 抛物面天线的口径场 313

12.5.3 抛物面天线的辐射场 315

12.5.4 抛物面天线的馈源(feeds) 316

12.6 卡塞格伦天线 317

习题 318

第13章 电波传播 320

13.1 引言 320

13.1.1 电磁波谱 320

13.1.2 电波传播的主要方式 321

13.2 自由空间电波传播 322

13.2.1 自由空间传播损耗计算 322

13.2.2 菲涅尔区概念 324

13.3 地面波传播 327

13.3.1 地球表面电特性 327

13.3.2 波前倾斜现象 329

13.3.3 地面波传播特性 330

13.3.4 地面波场强的计算 331

13.4 天波传播 332

13.4.1 电离层概况 333

13.4.2 无线电波在电离层中的传播 336

13.4.3 短波天波传播 339

13.5 视距传播 340

13.5.1 地面对视距传播的影响 340

13.5.2 对流层大气对视距传播的影响 346

习题 348

附录 351

附录1 矢量恒等式 351

附录2 常用导体材料的特性 353

附录3 一些材料的介电常数和损耗角正切(10 ghz时) 354

附录4 微带线常用导体材料的特性 354

参考文献