微波工程（第四版）

目 錄
第1章 電磁理論 1
1．1 微波工程簡介 1
1．1．1 微波工程應(yīng)用 1
1．1．2 微波工程簡史 3
1．2 麥克斯韋方程 4
1．3 媒質(zhì)中的場和邊界條件 8
1．3．1 一般材料分界面上的場 10
1．3．2 介質(zhì)分界面上的場 11
1．3．3 理想導體（電壁）分界面上的場 11
1．3．4 磁壁邊界條件 12
1．3．5 輻射條件 12
1．4 波方程和基本平面波的解 12
1．4．1 亥姆霍茲方程 12
1．4．2 無耗媒質(zhì)中的平面波 13
1．4．3 一般有耗媒質(zhì)中的平面波 14
1．4．4 良導體中的平面波 15
1．5 平面波的通解 16
1．5．1 圓偏振平面波 19
1．6 能量和功率 20
1．6．1 良導體吸收的功率 21
1．7 媒質(zhì)分界面上的平面波反射 22
1．7．1 普通媒質(zhì) 22
1．7．2 無耗媒質(zhì) 23
1．7．3 良導體 25
1．7．4 理想導體 26
1．7．5 表面阻抗概念 26
1．8 斜入射到一個介電界面 28
1．8．1 平行偏振 28
1．8．2 垂直偏振 30
1．8．3 全反射和表面波 31
1．9 一些有用的定理 32
1．9．1 互易定理 32
1．9．2 鏡像理論 33
參考文獻 35
習題 36
第2章 傳輸線理論 39
2．1 傳輸線的集總元件電路模型 39
2．1．1 傳輸線上的波傳播 40
2．1．2 無耗傳輸線 41
2．2 傳輸線的場分析 41
2．2．1 傳輸線參量 41
2．2．2 由場分析導出同軸線的電報方程 43
2．2．3 無耗同軸線的傳播常數(shù)、阻抗和功率流 44
2．3 端接負載的無耗傳輸線 45
2．3．1 無耗傳輸線的特殊情況 47
2．4 Smith圓圖 50
2．4．1 組合阻抗-導納的Smith圓圖 54
2．4．2 開槽線 55
2．5 1/4波長變換器 58
2．5．1 阻抗觀點 58
2．5．2 多次反射觀點 59
2．6 源和負載失配 60
2．6．1 負載與線匹配 61
2．6．2 源與帶負載的線匹配 62
2．6．3 共軛匹配 62
2．7 有耗傳輸線 63
2．7．1 低耗線 63
2．7．2 無畸變傳輸線 64
2．7．3 端接的有耗傳輸線 65
2．7．4 計算衰減的微擾法 65
2．7．5 惠勒增量電感定則 66
2．8 傳輸線的瞬態(tài)效應(yīng) 68
2．8．1 端接負載的傳輸線的脈沖反射特性 68
2．8．2 瞬態(tài)電路彈跳圖 70
參考文獻 71
習題 71
第3章 傳輸線和波導 75
3．1 TEM波、TE波和TM波的通解 75
3．1．1 TEM波 77
3．1．2 TE波 78
3．1．3 TM波 79
3．1．4 由電介質(zhì)損耗引起的衰減 80
3．2 平行平板波導 80
3．2．1 TEM模 81
3．2．2 TM模 81
3．2．3 TE模 84
3．3 矩形波導 86
3．3．1 TE模 87
3．3．2 TM模 90
3．3．3 部分加載波導的TEm0模 94
3．4 圓波導 96
3．4．1 TE模 96
3．4．2 TM模 99
3．5 同軸線 103
3．5．1 TEM模 103
3．5．2 高階模 104
3．6 接地介質(zhì)板上的表面波 106
3．6．1 TM模 107
3．6．2 TE模 109
3．7 帶狀線 112
3．7．1 傳播常數(shù)、特征阻抗和衰減的公式 113
3．7．2 近似的靜電解 114
3．8 微帶線 117
3．8．1 有效介電常數(shù)、特征阻抗和衰減的計算公式 117
3．8．2 頻率依賴效應(yīng)和高階模 119
3．9 橫向諧振法 121
3．9．1 部分加載矩形波導的TE0n模 122
3．10 波速和色散 122
3．10．1 群速 123
3．11 傳輸線和波導小結(jié) 125
3．11．1 其他類型的傳輸線和波導 125
參考文獻 128
習題 128
第4章 微波網(wǎng)絡(luò)分析 131
4．1 阻抗和等效電壓與電流 131
4．1．1 等效電壓與電流 131
4．1．2 阻抗概念 134
4．1．3 Z(ω)和Г(ω)的奇偶性 136
4．2 阻抗和導納矩陣 137
4．2．1 互易網(wǎng)絡(luò) 138
4．2．2 無耗網(wǎng)絡(luò) 139
4．3 散射矩陣 140
4．3．1 互易網(wǎng)絡(luò)與無耗網(wǎng)絡(luò) 143
4．3．2 參考平面的移動 145
4．3．3 功率波和廣義散射參量 146
4．4 傳輸（ABCD）矩陣 149
4．4．1 與阻抗矩陣的關(guān)系 151
4．4．2 二端口網(wǎng)絡(luò)的等效電路 151
4．5 信號流圖 153
4．5．1 信號流圖的分解 154
4．5．2 TRL網(wǎng)絡(luò)分析儀校正的應(yīng)用 156
4．6 不連續(xù)性和模分析 160
4．6．1 矩形波導中H平面階梯的模分析 162
4．7 波導的激勵――電流和磁流 166
4．7．1 只激勵一個波導模的電流片 166
4．7．2 任意電流源或磁流源的模激勵 167
4．8 波導激勵――小孔耦合 170
4．8．1 通過橫向波導壁上的小孔耦合 172
4．8．2 通過波導寬壁上的小孔耦合 174
參考文獻 175
習題 175
第5章 阻抗匹配和調(diào)諧 181
5．1 用集總元件匹配（L網(wǎng)絡(luò)） 181
5．1．1 解析解法 182
5．1．2 Smith圓圖解法 183
5．2 單短截線調(diào)諧 186
5．2．1 并聯(lián)短截線 187
5．2．2 串聯(lián)短截線 189
5．3 雙短截線調(diào)諧 192
5．3．1 Smith圓圖解法 193
5．3．2 解析解法 195
5．4 1/4波長變換器 196
5．5 小反射理論 199
5．5．1 單節(jié)變換器 199
5．5．2 多節(jié)變換器 200
5．6 二項式多節(jié)匹配變換器 201
5．7 切比雪夫多節(jié)匹配變換器 204
5．7．1 切比雪夫多項式 204
5．7．2 切比雪夫變換器的設(shè)計 206
5．8 漸變傳輸線 208
5．8．1 指數(shù)漸變 209
5．8．2 三角形漸變 210
5．8．3 Klopfenstein漸變 210
5．9 Bode?Fano約束條件 213
參考文獻 215
習題 215
第6章 微波諧振器 217
6．1 串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路 217
6．1．1 串聯(lián)諧振電路 217
6．1．2 并聯(lián)諧振電路 219
6．1．3 有載Q和無載Q 221
6．2 傳輸線諧振器 222
6．2．1 短路λ/2傳輸線 222
6．2．2 短路λ/4傳輸線 224
6．2．3 開路λ/2傳輸線 225
6．3 矩形波導腔諧振器 226
6．3．1 諧振頻率 226
6．3．2 模的無載Q 227
6．4 圓波導腔諧振器 230
6．4．1 諧振頻率 230
6．4．2 模的無載Q 232
6．5 介質(zhì)諧振器 234
6．5．1 TE01δ模的諧振頻率 234
6．6 諧振器的激勵 237
6．6．1 耦合系數(shù)和臨界耦合 238
6．6．2 縫隙耦合微帶諧振器 239
6．6．3 小孔耦合腔 242
6．6．4 通過二端口測量求無載Q 243
6．7 腔的微擾 245
6．7．1 材料微擾 245
6．7．2 形狀微擾 247
參考文獻 249
習題 249
第7章 功率分配器和定向耦合器 253
7．1 功率分配器和耦合器的基本特性 253
7．1．1 三端口網(wǎng)絡(luò)（T形結(jié)） 253
7．1．2 四端口網(wǎng)絡(luò)（定向耦合器） 256
7．2 T形結(jié)功率功率分配器 259
7．2．1 無耗功率分配器 259
7．2．2 電阻性功率分配器 260
7．3 Wilkinson功率分配器 262
7．3．1 偶-奇模分析 262
7．3．2 不等分功率分配和N路Wilkinson功率分配器 265
7．4 波導定向耦合器 266
7．4．1 倍茲孔耦合器 266
7．4．2 多孔耦合器的設(shè)計 270
7．5 正交（90°）混合網(wǎng)絡(luò) 274
7．5．1 偶?奇模分析 274
7．6 耦合線定向耦合器 277
7．6．1 耦合線理論 277
7．6．2 耦合線耦合器的設(shè)計 280
7．6．3 多節(jié)耦合線耦合器的設(shè)計 284
7．7 Lange耦合器 286
7．8 180°混合網(wǎng)絡(luò) 289
7．8．1 環(huán)形混合網(wǎng)絡(luò)的偶-奇模分析 290
7．8．2 漸變耦合線混合網(wǎng)絡(luò)偶-奇模分析 294
7．8．3 波導魔T 296
7．9 其他耦合器 297
參考文獻 299
習題 300
第8章 微波濾波器 304
8．1 周期結(jié)構(gòu) 304
8．1．1 無限長周期結(jié)構(gòu)的分析 305
8．1．2 有負載的周期結(jié)構(gòu) 307
8．1．3 k?β圖和波速 308
8．2 采用鏡像參量法設(shè)計濾波器 310
8．2．1 二端口網(wǎng)絡(luò)的鏡像阻抗和傳遞函數(shù) 310
8．2．2 定k式濾波器節(jié) 313
8．2．3 m導出式濾波器節(jié) 314
8．2．4 復(fù)合濾波器 317
8．3 采用插入損耗法設(shè)計濾波器 319
8．3．1 用功率損耗比表征 319
8．3．2 最平坦低通濾波器原型 321
8．3．3 等紋波低通濾波器原型 324
8．3．4 線性相位低通濾波器原型 326
8．4 濾波器變換 327
8．4．1 阻抗和頻率定標 327
8．4．2 帶通和帶阻變換 329
8．5 濾波器的實現(xiàn) 332
8．5．1 理查德變換 333
8．5．2 科洛達恒等關(guān)系 333
8．5．3 阻抗和導納倒相器 337
8．6 階躍阻抗低通濾波器 338
8．6．1 短傳輸線段近似等效電路 339
8．7 耦合線濾波器 341
8．7．1 耦合線段的濾波器特性 342
8．7．2 耦合線帶通濾波器的設(shè)計 346
8．8 使用耦合諧振器的濾波器 351
8．8．1 使用1/4波長諧振器的帶阻和帶通濾波器 351
8．8．2 使用電容性耦合串聯(lián)諧振器的帶通濾波器 354
8．8．3 使用電容性耦合并聯(lián)諧振器的帶通濾波器 357
參考文獻 360
習題 361
第9章 鐵氧體元件理論與設(shè)計 363
9．1 亞鐵磁性材料的基本性質(zhì) 363
9．1．1 磁導率張量 363
9．1．2 圓極化場 367
9．1．3 損耗效應(yīng) 369
9．1．4 退磁因子 371
9．2 鐵氧體中的平面波傳播 373
9．2．1 在偏置場方向的傳播（法拉第旋轉(zhuǎn)） 373
9．2．2 垂直于偏置場的波傳播（雙折射） 376
9．3 波在鐵氧體加載的矩形波導中的傳播 378
9．3．1 有單片鐵氧體的波導的TEm0模 378
9．3．2 有兩片對稱鐵氧體的波導的TEm0模 381
9．4 鐵氧體隔離器 382
9．4．1 諧振隔離器 382
9．4．2 場位移隔離器 385
9．5 鐵氧體相移器 387
9．5．1 非互易鎖存相移器 387
9．5．2 其他類型的鐵氧體相移器 389
9．5．3 回轉(zhuǎn)器 390
9．6 鐵氧體環(huán)形器 390
9．6．1 失配環(huán)形器的特性 391
9．6．2 結(jié)型環(huán)形器 392
參考文獻 396
習題 396
第10章 噪聲與非線性失真 399
10．1 微波電路中的噪聲 399
10．1．1 動態(tài)范圍和噪聲源 399
10．1．2 噪聲功率與等效噪聲溫度 400
10．1．3 噪聲溫度的測量 402
10．2 噪聲系數(shù) 403
10．2．1 噪聲系數(shù)的定義 403
10．2．2 級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù) 405
10．2．3 無源二端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 406
10．2．4 失配有耗傳輸線的噪聲系數(shù) 407
10．2．5 失配放大器的噪聲系數(shù) 409
10．3 非線性失真 410
10．3．1 增益壓縮 411
10．3．2 諧波頻率和交調(diào)失真 411
10．3．3 3階截斷點 413
10．3．4 級聯(lián)系統(tǒng)的截斷點 414
10．3．5 無源交調(diào) 415
10．4 動態(tài)范圍 416
10．4．1 線性和無雜散動態(tài)范圍 416
參考文獻 417
習題 418
第11章 有源射頻及微波器件 420
11．1 二極管及二極管電路 420
11．1．1 肖特基二極管和檢波器 420
11．1．2 PIN二極管和控制電路 424
11．1．3 變?nèi)荻O管 429
11．1．4 其他二極管 430
11．1．5 功率合成 431
11．2 雙極結(jié)型晶體管 432
11．2．1 雙極結(jié)型晶體管 432
11．2．2 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 434
11．3 場效應(yīng)晶體管 434
11．3．1 金屬半導體場效應(yīng)晶體管 435
11．3．2 金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管 436
11．3．3 高電子遷移率晶體管 437
11．4 微波集成電路 437
11．4．1 混合微波集成電路 438
11．4．2 單片微波集成電路 439
11．5 微波管 441
參考文獻 444
習題 444
第12章 微波放大器設(shè)計 446
12．1 二端口功率增益 446
12．1．1 二端口功率增益的定義 446
12．1．2 二端口功率增益的深入探討 449
12．2 穩(wěn)定性 451
12．2．1 穩(wěn)定性圓 451
12．2．2 無條件穩(wěn)定的檢驗 453
12．3 單級晶體管放大器設(shè)計 456
12．3．1 最大增益設(shè)計（共軛匹配） 456
12．3．2 等增益圓和固定增益的設(shè)計 460
12．3．3 低噪聲放大器設(shè)計 464
12．3．4 低噪聲MOSFET放大器 467
12．4 寬帶晶體管放大器設(shè)計 469
12．4．1 平衡放大器 469
12．4．2 分布放大器 471
12．4．3 差分放大器 475
12．5 功率放大器 478
12．5．1 功率放大器的特性和放大器類型 478
12．5．2 晶體管的大信號特性 479
12．5．3 A類功率放大器的設(shè)計 479
參考文獻 481
習題 482
第13章 振蕩器和混頻器 484
13．1 射頻振蕩器 485
13．1．1 一般分析方法 485
13．1．2 使用共發(fā)射極的雙極結(jié)型晶體管的振蕩器 486
13．1．3 使用共柵極場效應(yīng)晶體管的振蕩器 487
13．1．4 實際考慮 488
13．1．5 晶體振蕩器 490
13．2 微波振蕩器 491
13．2．1 晶體管振蕩器 492
13．2．2 介質(zhì)諧振器振蕩器 495
13．3 振蕩器相位噪聲 498
13．3．1 相位噪聲的表示 498
13．3．2 振蕩器相位噪聲的Leeson模型 499
13．4 頻率倍增器 502
13．4．1 電抗性二極管倍頻器（Manley-Rowe關(guān)系） 502
13．4．2 電阻性二極管倍頻器 504
13．4．3 晶體管倍頻器 506
13．5 混頻器 509
13．5．1 混頻器特性 509
13．5．2 單端二極管混頻器 513
13．5．3 單端FET混頻器 514
13．5．4 平衡混頻器 516
13．5．5 鏡像抑制混頻器 518
13．5．6 差分FET混頻器和吉爾伯特單元混頻器 520
13．5．7 其他混頻器 521
參考文獻 523
習題 524
第14章 微波系統(tǒng)導論 526
14．1 天線的系統(tǒng)特性 526
14．1．1 天線輻射的場和功率 527
14．1．2 天線輻射方向圖特征 528
14．1．3 天線的增益和效率 530
14．1．4 孔徑效率和有效面積 531
14．1．5 背景溫度和亮度溫度 532
14．1．6 天線的噪聲溫度和G/T 534
14．2 無線通信系統(tǒng) 536
14．2．1 Friis公式 537
14．2．2 鏈路預(yù)算和鏈路裕量 538
14．2．3 無線接收機結(jié)構(gòu) 540
14．2．4 接收機的噪聲特性 542
14．2．5 數(shù)字調(diào)制和誤碼率 544
14．2．6 無線通信系統(tǒng) 546
14．3 雷達系統(tǒng) 550
14．3．1 雷達方程 552
14．3．2 脈沖雷達 553
14．3．3 多普勒雷達 554
14．3．4 雷達散射截面 555
14．4 輻射計系統(tǒng) 556
14．4．1 輻射計理論和應(yīng)用 556
14．4．2 全功率輻射計 558
14．4．3 迪克輻射計 559
14．5 微波傳播 560
14．5．1 大氣效應(yīng) 560
14．5．2 地面效應(yīng) 561
14．5．3 等離子體效應(yīng) 562
14．6 其他應(yīng)用和專題 563
14．6．1 微波加熱 563
14．6．2 電能傳輸 563
14．6．3 生物效應(yīng)和安全性 564
參考文獻 565
習題 566
附錄A 構(gòu)成十進制倍數(shù)和分數(shù)單位的詞頭 569
附錄B 向量分析 569
B．1 坐標變換 569
B．2 向量微分算符 570
附錄C 貝塞爾函數(shù) 571
附錄D 其他數(shù)學公式 573
D．1 有用的積分 573
D．2 泰勒級數(shù) 573
附錄E 物理常數(shù) 574
附錄F 某些材料的電導率 574
附錄G 一些材料的介電常數(shù)和損耗角正切 575
附錄H 一些微波鐵氧體材料的特性 575
附錄I 標準矩形波導數(shù)據(jù) 576
附錄J 標準同軸線數(shù)據(jù) 577
部分習題答案 578
術(shù)語表 581