III出版说明根据国务院关于高等学校教材工作分工的规定，我部承担了全国高等学校工科电子类专业课教材的编审、出版的组织工作。从一九七七年底到一九八二年初，由于各有关院校，特别是参与编审工作的广大教师的努力和有关出版社的紧密配合，共编审出版了教材159种。为了使工科电子类专业教材能更好地适应社会主义现代化建设培养人才的最要，反映国内外电子科学技术水平，达到“打好基础、精选内容、逐步更新、利于教学”的要求，在总结第一轮教材编审出版工作经验的基础上，电子工业部于一九八二年先后成立了高等学校《无线电技术与信息系统》、《电磁场与微波技术》、《电子材料与固体器件》、《电子物理与器件》、《电子机械》、《计算机与自动控制》，中等专业学校《电子类专业》、《电子机械类专业》共八个教材编审委员会，作为教材工作方面的一个经常性的业务指导机构，并制定了一九八二年～一九八五年教材编审出版规划，列入规划的教材、教学参考书、实验指导书等共217种选题。在努力提高教材质量，适当增加教材品种的思想指导下，这一批教材的编审工作由编审委员会直接组织进行。这一批教材的书稿，主要是从通过教学实践、师生反映较好的讲义中评选择优和从第一轮较好的教材中修编产生出来的。广大编审者、各编审委员会和有关出版社都为保证和提离教材质量作出广努力。这一批教材，分别由电子工业出版社、国防工业出版社、上海科学技术出版社、西北电讯工程学院出版社、潮南科学技术出版社、江苏科学技术出版社、黑龙江科学技术出版社和天津科学技术出版社承担出版工作。限于水平和经验，这一批教材的编审出版工作肯定还会有许多缺点租不足之处，希望使用教材的单位、广大教师和同学积极提出批评建议，共同为提高工科电子类专业教材的质量而努力。电子工业部教材办公室
IV1前言本教材系由高等学校工科电子类电磁场与微波技术教材编审委员会微波技术教材编审小组评选审定，并推荐出版。本教材由清华大学林德云副教授担任主审。本教材的编者和审者均依据微波技术教材编审小组审定的编写大纲进行缩写和审阅。本教材的参考教学时数为76学时（第八章微波元件除外），主要讲述微波技术的基本理论和基本分析方法。全书共分八章。第一章引言，叙述微波波段的划分及其特点，介绍微波技术的发展和应用。第二章传输线理论，即分布参数电路理论，主要讲述TEM模传输线的传输特性和无耗传输线的各种工作状态及其特点，讨论利用阻抗圆图进行阻抗计算和阻抗匹配的方法，介绍传输线的时域分析方法和格林函数解法以及传输线段与四端网络的关系。第三章金属波导，主要讲述规波导的模式理论及其传输特性，分析矩形波导、圆波导和同轴线的各种模式及其场结构，讲解小孔合原理及其在波导定向耦合器中的应用，讨论规则波导的设计原理与波导的损耗和传输功率的计算问题。第四章微带传输线，主要讲述带状线、微带、耦合带状线和耦合微带的特性及其准静态分析计算方法。第五章介质波导，讲述介质波导的特点和工作原理，论述圆形介质波导的特性、阶跃光纤的波动方程解法与光纤中的模式，讨论矩形介质波导的近似求解方法及其特性。第六章微波谐振器，讲述微波谐器的基本理论，分析各种微波谐振器的特性及其设计原理，讨论微波谐振腔的微扰理论及其应用。第七章广义传输线与波矩阵，论述均匀波导的等效原理和波导接头的等效网络与网络的各种波矩阵以及N端口网络的描述方法。第八章微波元件、定性讲述各种常用微波元件的基本特性及其应用。使用本教材时要求学生熟悉电磁场和电磁波的基本理论，具备数学物理方程、失量代数与场论、线性代数、复变函数等工程数学基础。书中一些较深内容标有花号“*”，可根据要求和时数取舍，略去这些内容并不影响全书内容和讲述的系统性和连贯性。书中各章节之间有相对的独立性，亦可根据要求和时数作选择和精简。第八章微波元件不包括在76学时之内，可根据要求和时数取含或增减。林德云副教授认真审阅了全部书稿，并为本书提出了许多宝贵意见，这里表示成挚的感谢。由于编者水平有限，书中难免还存在一些缺点和错误，般切希望广大读者批评指正。编者1984.2.15
V目录第一章引言1.1微波及其特点1.2微波技术的发展和应用…1.3和书的目的与构成参考资料…第二章传输线理论….2.1传输线的基本概念2.2传输线方程及其解…*2.3用场的概念分析传输线162.1*传输线的阻抗与反射202.5无耗传输线工作状态分析.232.6”有耗传输线…10.312.7传输功率与效率....362.8阻抗与导纳圆图…2.9传输线的限抗匹配.--47*2.10：传输线的时域分析..*2.11传输线的格林函数解法2.12传输线与四端网络-70本章提要+73参考资料：75习题·75第三章金属波导.813.1规则波导的导波方程及其求解方法..813.2矩形波导中电磁波的传输特性..........863.3圆波导中的三个主要波型.-973.4同轴线及其高次模.-1063.5波导正规模的特性.-1123.6波导的激励与耦合-1163.7规则波导的设计间愿126本章提要*J34参考资料***136习题...."136第四章微带传输线1394.1概述+.1394.2带状线的主要特性"1424.3微带的上要特性·154
VI.....*.-1884.4耦合带状线-1974.5耦合微带....2064.6微带线的不均勾性222本章提要参考资料.....222习题.....224...第五章介质波导2255.1概述............++**225..-2285.2介质波导的工作原理5.3....232圆形介质波导与阶跃光纤5.4矩形介质波导..248...2615.5介质波导与金属波导的特点对比本章提要......-263参考资料***263习题*264第六章微波谐报器...-.-2656.1概述.-265...6.2微波诺振器的基本特性与参数....I........2666.3金属波导型谐振腔-2706.4传输线谐振器283++6.5介质谐振器.....*-287.............+6.6非传输线型谐振腔-2956.7微波谐振器与外电路的耦合*298EESE.t..6.8谐振器的等效电路-3006.9请振腔的微扰理论..306本章提要..i.........312参考资料-313习题313第七章广义传输线与波矩阵"3157.1广义传输线方程--3157.2模式电压、模式电流与模式函数-3167.3均匀波导的等效电路+.+.+-+**-3217.4波导接头的等效网络++++**3267.5波导接头的波矩阵*..329+7.6N端口波导接头及其网络描述***344.....t..atiaiii.ia本章提妥·356参考资料...357习题11357...+++.第八章微波元件-3608.1一端口元件.3608.2二端口元件.3648.3三端口元件370-
VIT8.4四端口元件-3768.5微波铁氧体隔离器和环行器384本章提要"*393参考资料394习题.394全书的结论396附录一同轴线参数表-397附录二国产矩形和扁矩形波导管数据表****398
第一章引言本章概述微波的特点与微波技术的应用，作为入门知识，最后简述本书的目的与构成。1.1微波及其特点广泛的说，微波是指频率为300MHz至300GHz范围内的无线电波，其相应的波长范围是1m至0.1mm。根据应用上的特点，将微波分成分米波，厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。表1.1-1表示国际无线电频谱的波段划分。表1.1-1国际无线电频谱的波段划分战段母数翔率范图1相当米制划分符导(中译名)技段缩写（下限除外，上限包括在内）VLF4（甚低频）3至30kHz万米波B-MamLF(低颜)30至300kHz于米波B-KmMF300至3000kHz（中额）百米波B·hmHF(高频)3至30MHz十米披B-damVHF30至300MHz米波B·m8（基高频）UHEo300至3000MHzB-am(超高贸）分米波（十分之一米波）微SHF103至30GHzB.cm（特高频）厘米波(百分之一米波）11EHF（极高额）30至300GHz毫米波（千分之一米波）Bmm液12超极商频300至3000GHz亚塞米被（万分之一米波）微波的低颊端接近于超短波，高频端接近于红外线。它在整个电磁波频谱中的位置如图1.1-1所示。在通讯和雷达工程中，常使用拉丁字母代表微波波段的名称，例如S波段代表10匾米波段，C波段代表5厘米波段，X波段代表3厘米波段，等等，如表1.1-2所示。微波之所以引起人们的特别兴趣，并单独对它进行研究，主要是因为它与其它波段相比有如下特点：（1）微波的波长很短，与地球上一般物体（如飞机、舰船、火箭、导弹、建筑物等）的尺寸相比在同一数量级或更小。当微波照射到这些物体时，将产生显著的反射。其传播特性与几何光学相似，能象光线一样地传播和容易集中，即具有所调“似光性”频率的单位现在统一规定用“赫L芝了（Hz）。激波的频率很高，为了简化数字，常采用干款（kHz)、兆赫(MHz）、吉献（GHz）等单位：3000于势以下（含3000千赫）以kHz（168Hz）计3兆赫以上至3000元赫（含3030张）以MHz（10%Hz）计3吉以上至3000吉族（含2000吉）以GHz（100Hz）计3000吉赫以上用THz（称为太赫）（1012Hz）表示
2YI0 OYLOO YIO好人:饭YIXYofmrreowrromka.0~91.0宽中红外5极频波超裤亚米20a/40/0/2/ 21/HT然关盘HHS禁I-1E20H国tuGHA茶波彩won一中1510101事-Wzror2H8
3表1.1-2微波波段划分波段段频率范图（GHz)波颈率范围（GHz）UHFK.0.3~1.1218.0~26.5KaL1.12~1.726.5~40.0LSQ1.7~2.633.0~50.0sU2.6~3.9540.0.~60.0cM3.95~5.8550.0~75.0XCE5.85~8.260.0~90.0FX8.2~12.490.0~140.0KaG12.4~18.0140.0~220.0R220.0~325.0和直线传播的特点。因此，利用微波可以设计制成体积小，方向性和增益都很高的天线系统，接收来自地面或宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离。（2）微波的频率很高，即振荡周期很短（10°～10-18s）。因此，低频使用的元件和器件不再适用于微波波段，低频时一些可以忽略的现象和效应（如趋肤效应、辐射效应、相位滞后等）在微波况下不能再忽略了。同时，由于微波的频率很高，所以可用的频带宽，信息的容量大。（3）微波可以穿过电离层。它是人类探测外层空间的“宇宙窗口”。这就为字宙通信、外空探测、导航、定位、宇宙航行以及射电天文学的研究和发展提供了必要的条件。（4）微波频率的量子能量与一般顺磁物质在磁场作用下所产生的能级差（10-*~10*eV）有着相近的数量级。当微波照射于物体（介质）时能够深入物质内部。此即微波的“穿透性”。因此，利用微波可以研究分子和原子核的结构。这正是近代微波波谱.学和量子电子学所依据的基本物理事实。（5）微波的研究方法与低频不同。在低频电路中采用的是路的概念和方法，面在微波电路中则需要采用场的概念和方法。这是因为低频电路的尺寸比工作波长小得多，可以认为稳定状态的电压和电流的效应在整个电路系统各处是同时建立的，电压，电流有完全明确的物理意义，能对系统作完全的描述。但在微波电路中，工作波长与电路尺寸可相比拟，甚至更小，因此不能忽略电磁场的相位滞后现象。此时电压和电流等概念也失去了明确的物理意义，只有用电场、磁场和电磁波的概念和方法才能对系统作完全的描述。如上所述，不论是在处理问题的概念和方法上，还是在实际微波系统的原理和结构上，微波都与低频情况有很大的不同。因此，有必要将微波技术作为一门专门学科来研究。1.2微波技术的发展和应用微波技术是近代科学技术发展的重大成就之一，发展极为迅速。其发展过程大致可分为三个阶段。1940年以前为第一阶段，是实验室早期研究阶段，主要研究微波产生的方法
41940年至1945年为第二阶段，是微波技术迅速发展并应用于实际的阶段。在此阶段内，大多数微波电子器件都产生了，并采用了波导和空腔谐振器。1945年以后为第三阶段，是微波技术广泛发展和应用的阶段。在此阶段内，不仅开辟了新波段，扩展了应用范围，而且形成了一系列新的边缘科学领域，如微波波谱学、射电天文学、射电气象学等。同时，在前一阶段的实践基础上，比较完整而系统地建立了一整套微波电子学理论，为微波技术的进步发展和提高打下了理论础。1965年以后，由于微波固体器件、固体集成电路和固体平商电路的出现和发展，使微波技术得以向固体化，小型化方向发展。目前，微波技术正在向着如下三个方向迅速发展（1）向更高频率或更短波长过渡，即向毫米波和亚毫米波发展，弥合厘米波段与光波段之间的缝沟。1（2）向微波电路的小型化和单片集成化方向发展（3）向着开新的微波应用领域方发展。微波技术的迅速发展是和它的应用密切相联系的。微波技术的传统应用是雷达和通讯。微波最早是用于雷达。雷达是微波技术应用的典型例子。现代雷达大多数是微波雷达。利用微波工作的雷达可以使用较小的天线，来获得很窄的波束宽度，可以获得关于被谢目标性质的更多的信息。例如机载综合扎径雷达具有极高的分辨率，可以获得和光学质量一样的图象。图1.2-1即为机裁X波段综合孔径雷达获得的西安市郊的图象。图1.2-1阅安市郊综合孔径雷达图象，1980年12月23日拍摄I3简，2铁路桥，3铁路：4—工厂区：5—泸河；6-城区，7西安城墙，8-公路。（引自：看促主综《微波漫悠》，华中工学院出版社，1982年）通讯也是微波技术的传统应用。微波多路接力通讯便是利用微波中继站把微波信号连续接收、发射而实现效率高、容量大的远距离通讯，两个中继站之间的典型距离为40～50km。自前，有的国家已研制成准毫米波（2030GHz频段）中继通讯设备。近年来！用微波的卫星通讯得到了广泛的发展和应用，许多国家进行了25～120GHz频段的实性毫米波通讯，并进行了毫米波卫通讯的应用研究
5根据波段使用上的特点来考虑，从S至Ku波段的微波范围通带适用作以地面为基地的通讯，毫米波段则适用于空间一空间的通讯。最近有考虑采用K波段频率作为地面-卫星通讯的趋势，以减轻波低端频率的拥挤。毫米波段的60GHz频段电波的大气衰减较大，非常适于作近距离保密通讯，而94GHz频段的电波在大气中的衰减却很小，是个窗口频段，适于作地-空和远距离讯。对于很长距离的通讯，则和LS波段更适合，因为在这些波段容易获得较大的功率。在工农业生产方而广泛应用微波进行热和。微波加热具有部位深、速度快、加热均匀、能童转换效率高等优点，现已广泛应用于食品、橡胶、塑料、化学、木材加工、造纸、印刷、卷烟等工业中。在农业上，可用微波进行灭虫、育种、干燥谷物、育蚕等。在生物医学方面，微波技术有着广泛的应片潜力。利用微波可以诊断一些疾病，如早期肺气肿或肺水肿，监视重病人的呼吸，检查人脑部硬膜下的血肿，测量人的心动图等。微波还可以用来治疗疾病，如微波理疗、微波针炙、治疗妇产科病、冷藏器官的解冻等。目前，已将微波技术用于癌症的诊断和处理。、微波本身还是一种能源。上述各种微波加热的应用就是将微波作为一种能量来如以利用的。目前，微波加热炉不仅应用子许多工业部门，而且已广泛用于食堂利家庭烹写。微波作为能源还有其潜在的应用，即邸在未来的卫星太阳能电站的应用中，利用微波浆其能量传送给地面接收站。因为在地球赤道上空35860km同步轨道上的卫星电站接收到的太阳能不能直接送回到地菌上来，娶将接收到的太阳能变换成直流，用以产生微波能量发射到地函接收站，并将接收到的微波能量再变换成直流功率，才可供用户使用。需要指出的是，大功率的微波辐射对人体是有伤害作用的。微波辐射对人体的伤窖作用，按其机理可分为热效应和非热效应两种。热效应或称致热效应是指由于微波照射生物体引起组织器宫的加热作用所产生的生理影响。非热效应或称热外效应是除了对生物体组织和器宜的加热作用以外的，对生物体的其它特殊生理影响，这些彩响是用别的加热手段不会产生的。微波对人体的伤害作用主要是热效应。大剂量或长时间微波照射全身时，可以使人体温度升高，产生高温的生理反应，使人体组织和器官受到损伤。因此应该采取适当的防护措施，并应对微波源的功率泄漏规定安全指标。理论和实验结果表明，人体受微波照射的容许强度约为100mW/cm。一般规定比此值小10倍的强度（10mW/cm）作为安全标准。但剂量大小还和照射时间的长短有关，若照射时间小于0.1h，可容许比10mW/cm大些，若照射时间大于0.1h，则容许的强度应小于此量。1.3本书的目的与构成广义而言，微波技术是研究频率为300MHz至3000GHz范围内的无线电波的信息处理（包括产生、放大、调制、传输、接收、发射和测量等）的学科。本书主要是研究微波传输方面的问题，它是研究其它方面问题的基础。从内容上讲，本书重点是分析现用主要微波传输线的传输特性。从方法上讲，本书以场的方法为重点，即以电磁波的讨论为重点。这是研究传输特性的根本方法。作为微波问题路的处理方法的理论基础，本书第二章和第七章分别讨论了分布参数电路理论和