微波技术
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spContent=微波技术是射频、微波、天线等行业最重要的入门课,但你是否正受困于抽象的理论公式而不能自解呢?或者正苦于遇到学习疑难而无人回答呢?那就来尝试我们的课程吧。只要你有学习的恒心,我们就有信心通过课程教学帮你打开一扇门,让你从这里走进射频、微波、天线技术的世界。
—— 课程团队
课程概述

      “微波技术”是电子信息类专业的专业基础课,几乎所有电磁场与微波技术学科相关的工作和研究都需要“微波技术”课理论的支撑。雷达、通信、遥感、导航等无线系统是微波技术应用的主要领域,尤其雷达和通信的发展极大地促进了微波技术,手机就是典型的微波技术载体。

                                                                               

                    图1 无线通信系统中的电磁波

 参考图1,无线通信系统的电磁波问题可分为三类:

    (1)发射天线和接收天线之间,在近似无界空间中的电磁波传播问题;

    (2)构成发射机和接收机的电路与系统中的电磁波传播问题;

    (3)发射和接收天线上的电磁波传播、转换、辐射问题。

对应的课程分别为:

    (1)电磁场与电磁波;

    (2)微波技术;

    (3)天线。

微波技术课起到承前启后的作用,将对电磁场与电磁波的学习进行巩固加深,对天线的学习进行入门导入。


                        图2 微波技术课学习内容

        为此,我们设计的微波技术课学习内容如图2所示,共包括7章和微波技术实验,其中虚线所包围的第1章到第6章为核心内容。课程将主要围绕微波传输线和波导,从“纵”向、“横”向两个方面学习。

        0. 绪论:本章作为课程入口,介绍微波和微波技术的含义、为什么学习微波技术、课程定位、课程内容安排。

        1. 第1章 电磁场与电磁波基础:学习与微波技术相关的电磁场、电磁波、电路基础知识,为学习微波技术打下基础。在第1章之后可以选择学习第2章或第3章。

        2. 第2章 传输线理论:基于分布参数微波电路理论,学习微波传输线的纵向功率传输问题,针对的主要传输线类型是平行双导线和同轴线。

        3. 第3章 波导理论:基于电磁场理论,学习微波传输线的横向电磁波模式场分布问题,针对的主要传输线类型有矩形波导、圆波导、同轴线。

        4. 第4章 微波网络:学习多传输线连接的微波结等效为微波网络的方法、常用网络参量(散射参量、转移参量等)及网络性质。本章为波导理论和传输线理论的综合:将电磁波模式用微波等效电路表示,将单传输线扩展为多传输线。

        5. 第5章 微波元件:主要针对波导型传输线,学习常用的一端口、二端口、三端口、四端口微波元件原理。本章可以视为微波网络模型针对波导类型传输线的实际应用。

        6. 第6章 天线基础:天线是一种特殊的微波元件,本章将从传输线终端等效负载、转换器、辐射器等视角学习天线基础知识,介绍天线基本结构、基本概念和参量。

        7. 第7章 微带传输线和天线:本章定位为课程出口,是全部微波技术基础理论针对微带类型传输线的实际应用,包括微带线、带状线、微带元件、微带天线等。

        8. 微波技术实验:主要用来辅助基础理论教学,提升教学效果,包括微波测量线实验、网络分析仪实验、分体微波通信实验,实验频段覆盖常用的射频无线通信频段(30MHz-3GHz)以及典型的微波频段(中心频率为10GHz的X波段)。

        通过上述微波技术课学习,使学生对微波、射频、天线技术和基本原理有较充分的理解和掌握,达到在电子信息类学科深造发展以及通信、雷达等行业从事相关工作的要求。

授课目标

        目标1:针对电子信息类专业在校学生

        掌握传输线、波导、微波网络等微波技术基本概念和基础理论,熟悉常用微波元件和天线结构、原理、参量,初步具备设计基本微波传输线、微波元件、微波天线的能力。

        目标2:针对通信、雷达等行业的从业人员

        在目标1基础上,熟悉网络分析仪等实用射频测量仪器操作,理解无线通信系统的电磁场与微波技术现象、定位、原理,能够设计实用微波传输线、微波原件、微波天线(如微带线、微带元件、微带天线等)。


课程大纲

章/节

教学视频内容

时长(分钟)

第1周

绪论

第0-1讲 什么是微波

9

第0-2讲 什么是微波技术

2

第0-3讲 微波技术发展历史

12

第0-4讲 为什么要学习微波技术(一)

9

第0-5讲 为什么要学习微波技术(二)

13

第0-6讲 为什么要学习微波技术(三)

16

第0-7讲 微波技术课定位和基本内容

11

第0-8讲 微波技术课教学内容图示

4

第1章 电磁场与电磁波基础

 

第1-1讲 无界空间均匀平面波(一)

11

第1-2讲 无界空间均匀平面波(二)

11

第1-3讲 无界空间均匀平面波(三)

11

第1-4讲 有界空间的平面波

11

第1-5讲 时谐量的复数表示

14

第1-6讲 瞬时量方程和复数量方程的转换

10

2.1 传输线理论基本概念

第2-1讲 微波技术问题引入

9

第2-2讲 微波传输线与直流低频导线比较

8

第2-3讲 微波传输线定义和类型

4

第2-4讲 长线和短线

7

第2-5讲 集总参数和分布参数——以短线和长线为例

6

2.2 传输线方程及通解

第2-6讲 长线微元dz的集总参数电路模型

5

第2-7讲 传输线方程及解

5

第2-8讲 端口条件

4

第2-9讲 解的物理意义

5

第2周

2.3 传输线一次特征量

第2-10讲 传输线一次特征量:分布参量

11

2.4 传输线二次特征量

第2-11讲 传输线二次特征量:传播特性参量

14

2.5 工作状态参量

第2-12讲 工作状态参量——反射系数

10

第2-13讲 工作状态参量——输入阻抗和导纳

6

第2-14讲 工作状态参量——驻波参量

5

第2-15讲 例题

6

2.6 行波

第2-16讲 行波

16

2.7 驻波

第2-17讲 终端短路

13

第2-18讲 终端开路

7

第2-19讲 终端接纯电抗性负载

6

2.8 行驻波

第2-20讲 行驻波

12

第3周

2.9 传输功率

第2-21讲 功率

14

第2-22讲 功率容量

4

2.10 传输线例题

第2-23讲 传输线例题--已知终端负载求其它状态参量

6

第2-24讲 传输线例题--已知驻波参量求其它状态参量

5

第2-25讲 传输线例题--包含信号源的问题

12

第2-26讲 传输线例题--多支节串联和并联问题

20

第2-27讲 总结:包含波源的传输线工作状态参量和电压电流求解

8

2.11 史密斯圆图

第2-28讲 归一化阻抗和导纳

14

第2-29讲 等反射系数圆

7

第2-30讲 阻抗圆图(一)

9

第2-31讲 阻抗圆图(二)

17

第2-32讲 导纳圆图

6

第2-33讲 阻抗圆图和导纳圆图的转换

4

第2-34讲 例题

9

第4周

2.12 圆图例题

第2-35讲 圆图的应用

14

第2-36讲 已知终端负载阻抗求其它状态参量

14

第2-37讲 已知驻波参量求其它状态参量

7

第2-38讲 阻抗和导纳的转换

6

第2-39讲 已知输入阻抗求传输线长

12

第2-40讲 负载和传输线的匹配

13

2.13 阻抗匹配

第2-41讲 波源匹配和负载匹配(一)

13

第2-42讲 波源匹配和负载匹配(二)

10

第2-43讲 四分之一波长匹配器

5

第2-44讲 单支节匹配器(一)

16

第2-45讲 单支节匹配器(二)

8

第2-46讲 双支节匹配器(一)

15

第2-47讲 双支节匹配器(二)

9

第2-48讲 三支节匹配器

3

第5周

3.1 基本概念和理论

第3-1讲 电磁波类型及参量

24

第3-2讲 波导理论

4

第3-3讲 几种常用传输线比较

10

第3-4讲 波动方程和边界条件

8

3.2 规则金属波导的一般解法

第3-5讲 矢量场的横分离

6

第3-6讲 纵向场法

17

第3-7讲 横电波、横磁波、横电磁波

9

第3-8讲 纵向场分量方程和边界条件

8

3.3 矩形波导

第3-9讲 TM波(一)

10

第3-10讲 TM波(二)

15

第3-11讲 TE波

8

第3-12讲 波导模式和传播特性参量

4

第3-13讲 矩形波导传输性质

8

第6周

3.4 矩形波导主模TE10模式

第3-14讲 传播特性参量

5

第3-15讲 场结构

10

第3-16讲 管壁电流

11

3.5 矩形波导高次模式

第3-17讲 矩形波导高次模

14

3.6 波导色散和色散波

第3-18讲 波导色散和色散波

4

3.8 矩形波导功率传输和尺寸选择

第3-19讲 传输功率

10

第3-20讲 模式正交性

4

第3-21讲 功率容量

3

第3-22讲 衰减和损耗

11

第3-23讲 波导尺寸选择

3

第7周

3.9 圆波导

第3-24讲 TM波(一)

15

第3-25讲 TM波(二)

12

第3-26讲 TE波

7

第3-27讲 主要传输性质

5

3.10 圆波导的三种主要模式

第3-28讲 TEE(H11)模

15

第3-29讲 TE01(H01)模

11

第3-30讲 TM01(E01)模

7

3.11 同轴线

第3-31讲 主模

12

第3-32讲 高次模

15

第3-33讲 尺寸选择

3

第8周

3.12 波导的激励和耦合

第3-34讲 场的对称和反称

9

第3-35讲 激励耦合装置和方法

15

4.1 微波等效电路关系

第4-1讲 微波等效电路关系

10

4.2 均匀波导传输模式等效为双导线

第4-2讲 等效的目的和原则

5

第4-3讲 功率关系与等效电压、等效电流

4

第4-4讲 阻抗的不确定性和等效特性阻抗

9

第4-5讲 相位常数

1

4.3 不均匀区等效为网络

第4-6讲 场量等效为电路量

11

第4-7讲 阻抗参量和导纳参量

6

第4-8讲 网络分类和网络性质

4

第4-9讲 网络参量和分类

1

第4-10讲 微波网络的特点

2

第9周

4.4 归一化参量

第4-11讲 归一化参量

12

4.5 散射参量

第4-12讲 散射参量和散射矩阵定义

3

第4-13讲 散射参量物理意义

6

第4-14讲 用散射参量描述网络性质

6

第4-15讲 散射参量与阻抗、导纳参量的转换

3

第4-16讲 参考面移动对散射参量的影响

11

4.6 二端口微波网络

第4-17讲 阻抗参量

4

第4-18讲 导纳参量

1

第4-19讲 散射参量

4

第4-20讲 二端口网络性质

4

4.7 用散射参量表示常用网络外特性参量

第4-21讲 用散射参量表示常用网络外特性参量

11

4.8 二端口网络的组合

第4-22讲 二端口网络的组合

2

4.9 转移参量

第4-23讲 转移参量

13

第10周

4.10 基本电路单元

第4-24讲 串联阻抗

11

第4-25讲 并联导纳

2

第4-26讲 不同特性阻抗的传输线直接连接

2

第4-27讲 理想变压器

1

第4-28讲 一段均匀传输线

3

4.11 无耗三端口网络性质

第4-29讲 无耗三端口网络性质

15

4.12 无耗四端口网络性质

第4-30讲 无耗四端口网络性质

7

4.13 微波网络例题

第4-31讲 微波网络例题

6

5.1 一端口元件

第5-1讲 一端口元件

13

5.2 二端口元件

 

第5-2讲 连接元件

10

第5-3讲 匹配元件

5

第5-4讲 衰减器和相移元件

12

第5-5讲 波型变换器

6

第11周

5.3 三端口元件

第5-6讲 E-T分支

12

第5-7讲 H-T分支

8

5.4 四端口元件

第5-8讲 双T

7

第5-9讲 魔T

12

第5-10讲 定向耦合器

9

第6章 天线基础

第6-1讲 无线系统中的电磁与微波技术

3

第6-2讲 天线基本结构

5

第6-3讲 分析天线问题的视角

2

第6-4讲 天线等效电路模型

7

第6-5讲 天线作为辐射器:辐射场区划分

4

第6-6讲 天线相位中心、方向图

4

第6-7讲 天线极化

7

第6-8讲 场和功率方向图以及主瓣、副瓣、零点

4

第6-9讲 定向性、增益、有效口径、波束范围

7

第6-10讲 天线参量汇总

3

第6-11讲 天线实例:开口波导和角锥喇叭

8

第12周

第7章 微带传输线和天线

第7-1讲 微带传输线和天线概述

7-1-1 引言

6

7-1-2 微带线

11

7-1-3 带状线

4

7-1-4 耦合线

3

7-1-5 微带不连续性

3

7-1-6 微带元件

3

7-1-7 微带天线

3

第7-2讲 特性阻抗和导带基片尺寸互求的图示法

8

第7-3讲 微带线的损耗

16

第7-4讲 微带线电磁仿真

6

微波技术开放实验(课程设计)

微波技术开放实验(课程设计)

2

第13周

微波测量线实验

E1-1 微波测量线实验系统介绍

5

E1-2 测量线晶体检波特性校准

7

E1-3 微波阻抗测量

7

E1-4 阻抗匹配技术

6

E1-5 金属销钉电纳测量

9

E1-6 二端口微波网络参量测量

10

第14周

网络分析仪实验

E2-1 传输线阻抗变换和阻抗圆图

9

E2-2 阻抗圆图用作导纳圆图

4

E2-3 同轴电缆驻波、插损测量

9

E2-4 同轴电缆特性阻抗测量

5

E2-5 同轴电缆的时域故障定位检查

4

第15周

分体无线微波通信实验

E3-1 分体无线微波通信实验系统介绍

11

E3-2 天线极化

4

E3-3 天线阻抗匹配

2

E3-4 天线方向性

1

E3-5 电磁波透射

5

E3-6 电磁波反射

3

天线门

E4-1 “天线门”事件

4

E4-2 天线基本知识

6

E4-3 实验平台说明

2

E4-4 解析“天线门”

10

第16周

期末考试

考试范围:第2章-第5章

180

第17周

-第20周

课程延长开放时间

单元测验、单元作业、课程讨论等提交

 

微波技术开放实验(课程设计)报告提交

课程成绩评定和证书发放


预备知识

电路分析,电磁场与电磁波

证书要求

1.课程成绩

考核项目

分数

比例

执行要求

单元测验

15%

形式为判断题、单选题、多选题、填空题,要求在规定的截止时间之前回答,由MOOC系统自动计分

课程讨论

15%

形式为简答题,根据有效回答次数,由MOOC系统自动计分

单元作业

30%

形式为计算题、证明题等,要求在规定的截止时间之前完成并提交,分数由学生互评、教师批改确定

期末考试

40%

题型为简答题、计算题,要求在3小时内完成并提交,分数由学生互评、教师批改确定

2.课程证书

l  60-84分可获合格证书,85分以上可获优秀证书。

l  积极参加课程论坛和网络微波学堂讨论并分享课程设计报告及资料的学员可以免除部分作业、测验、考试要求,课程设计成果优良者可直接获得课程合格或优秀证书。

参考资料

[1] 全绍辉,微波技术基础[M]. 北京:高等教育出版社,2011.

[2] 全绍辉,曹红燕. 微波技术基础一本通——概要、答疑、题解、实验、自测[M]. 北京:清华大学出版社,2013.

[3] 微波学堂公众号:buaa_wbxt

[4] 微波学堂论坛:weiboxuetang.com

[5] 微波学堂学习管理平台(维护中):wbxt.weiboxuetang.com

[6] 微波学堂门户:wbxt.buaa.edu.cn

[7] 全绍辉,高等工程电磁理论[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2013.

[8] David M. Pozar. Microwave Engineering. John Wiley &Sons, 2005.

     David M. Pozar著. 张肇仪等译. 微波工程. 北京:电子工业出版社,2008.

[9] 清华大学《微带电路》编写组,微带电路[M],北京:清华大学出版社,2017.

常见问题

1. 微波技术课有实用性吗?

答:当然有,学好后可以到通信公司应聘射频工程师、天线工程师。

2. 微波技术理论是否很难?

答:只要掌握正确的学习方法就不难。在教学中会尽可能指明学习思路、强调物理概念、简化数学分析。

3. 我电磁场理论基础较差,能学好微波技术吗?

答:可以。一方面本课程教学会适当补充电磁场与电磁波基础,另方面本课程主要内容之一就是将复杂电磁波场问题简化为等效电路分析问题。

4. 听讲和看书仍有不懂问题怎么办?

答:有学习疑问可随时在课程论坛或网络微波学堂论坛(weiboxuetang.com)提出,我们一般会在24小时之内回复;另外建议通过手机微信关注“北航微波学堂”公众号buaa_wbxt,可以通过该公众号答疑并获取更多课程教学信息。

5. 作业和作业答案如何查询?

答:作业题可查阅《微波技术基础》,作业参考答案可查阅《微波技术基础一本通》,全部作业题和作业参考答案均可通过北航微波学堂”公众号查询。

6. 对学习进度有什么要求?

答:本课程教学时间为16周,课程基础理论和实验教学视频总时长不超过24小时,平均进度约为1.5小时/周。在高校开学前2周开始,并延后2周关闭,课程总开放时间为20周。

7. 天线基础有什么学习要求?

答:主要用于微波技术开放实验(课程设计),期末考试不要求。

8. 微波技术实验有什么学习要求?

答:主要用于辅助基础理论学习,期末考试不要求。

9. 如何获取课程最新通知?

答:请及时查看课程公告。