微波工程（第四版）

目 录
第1章 电磁理论 1
1．1 微波工程简介 1
1．1．1 微波工程应用 1
1．1．2 微波工程简史 3
1．2 麦克斯韦方程 4
1．3 媒质中的场和边界条件 8
1．3．1 一般材料分界面上的场 10
1．3．2 介质分界面上的场 11
1．3．3 理想导体（电壁）分界面上的场 11
1．3．4 磁壁边界条件 12
1．3．5 辐射条件 12
1．4 波方程和基本平面波的解 12
1．4．1 亥姆霍兹方程 12
1．4．2 无耗媒质中的平面波 13
1．4．3 一般有耗媒质中的平面波 14
1．4．4 良导体中的平面波 15
1．5 平面波的通解 16
1．5．1 圆偏振平面波 19
1．6 能量和功率 20
1．6．1 良导体吸收的功率 21
1．7 媒质分界面上的平面波反射 22
1．7．1 普通媒质 22
1．7．2 无耗媒质 23
1．7．3 良导体 25
1．7．4 理想导体 26
1．7．5 表面阻抗概念 26
1．8 斜入射到一个介电界面 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 镜像理论 33
参考文献 35
习题 36
第2章 传输线理论 39
2．1 传输线的集总元件电路模型 39
2．1．1 传输线上的波传播 40
2．1．2 无耗传输线 41
2．2 传输线的场分析 41
2．2．1 传输线参量 41
2．2．2 由场分析导出同轴线的电报方程 43
2．2．3 无耗同轴线的传播常数、阻抗和功率流 44
2．3 端接负载的无耗传输线 45
2．3．1 无耗传输线的特殊情况 47
2．4 Smith圆图 50
2．4．1 组合阻抗-导纳的Smith圆图 54
2．4．2 开槽线 55
2．5 1/4波长变换器 58
2．5．1 阻抗观点 58
2．5．2 多次反射观点 59
2．6 源和负载失配 60
2．6．1 负载与线匹配 61
2．6．2 源与带负载的线匹配 62
2．6．3 共轭匹配 62
2．7 有耗传输线 63
2．7．1 低耗线 63
2．7．2 无畸变传输线 64
2．7．3 端接的有耗传输线 65
2．7．4 计算衰减的微扰法 65
2．7．5 惠勒增量电感定则 66
2．8 传输线的瞬态效应 68
2．8．1 端接负载的传输线的脉冲反射特性 68
2．8．2 瞬态电路弹跳图 70
参考文献 71
习题 71
第3章 传输线和波导 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 由电介质损耗引起的衰减 80
3．2 平行平板波导 80
3．2．1 TEM模 81
3．2．2 TM模 81
3．2．3 TE模 84
3．3 矩形波导 86
3．3．1 TE模 87
3．3．2 TM模 90
3．3．3 部分加载波导的TEm0模 94
3．4 圆波导 96
3．4．1 TE模 96
3．4．2 TM模 99
3．5 同轴线 103
3．5．1 TEM模 103
3．5．2 高阶模 104
3．6 接地介质板上的表面波 106
3．6．1 TM模 107
3．6．2 TE模 109
3．7 带状线 112
3．7．1 传播常数、特征阻抗和衰减的公式 113
3．7．2 近似的静电解 114
3．8 微带线 117
3．8．1 有效介电常数、特征阻抗和衰减的计算公式 117
3．8．2 频率依赖效应和高阶模 119
3．9 横向谐振法 121
3．9．1 部分加载矩形波导的TE0n模 122
3．10 波速和色散 122
3．10．1 群速 123
3．11 传输线和波导小结 125
3．11．1 其他类型的传输线和波导 125
参考文献 128
习题 128
第4章 微波网络分析 131
4．1 阻抗和等效电压与电流 131
4．1．1 等效电压与电流 131
4．1．2 阻抗概念 134
4．1．3 Z(ω)和Г(ω)的奇偶性 136
4．2 阻抗和导纳矩阵 137
4．2．1 互易网络 138
4．2．2 无耗网络 139
4．3 散射矩阵 140
4．3．1 互易网络与无耗网络 143
4．3．2 参考平面的移动 145
4．3．3 功率波和广义散射参量 146
4．4 传输（ABCD）矩阵 149
4．4．1 与阻抗矩阵的关系 151
4．4．2 二端口网络的等效电路 151
4．5 信号流图 153
4．5．1 信号流图的分解 154
4．5．2 TRL网络分析仪校正的应用 156
4．6 不连续性和模分析 160
4．6．1 矩形波导中H平面阶梯的模分析 162
4．7 波导的激励――电流和磁流 166
4．7．1 只激励一个波导模的电流片 166
4．7．2 任意电流源或磁流源的模激励 167
4．8 波导激励――小孔耦合 170
4．8．1 通过横向波导壁上的小孔耦合 172
4．8．2 通过波导宽壁上的小孔耦合 174
参考文献 175
习题 175
第5章 阻抗匹配和调谐 181
5．1 用集总元件匹配（L网络） 181
5．1．1 解析解法 182
5．1．2 Smith圆图解法 183
5．2 单短截线调谐 186
5．2．1 并联短截线 187
5．2．2 串联短截线 189
5．3 双短截线调谐 192
5．3．1 Smith圆图解法 193
5．3．2 解析解法 195
5．4 1/4波长变换器 196
5．5 小反射理论 199
5．5．1 单节变换器 199
5．5．2 多节变换器 200
5．6 二项式多节匹配变换器 201
5．7 切比雪夫多节匹配变换器 204
5．7．1 切比雪夫多项式 204
5．7．2 切比雪夫变换器的设计 206
5．8 渐变传输线 208
5．8．1 指数渐变 209
5．8．2 三角形渐变 210
5．8．3 Klopfenstein渐变 210
5．9 Bode?Fano约束条件 213
参考文献 215
习题 215
第6章 微波谐振器 217
6．1 串联和并联谐振电路 217
6．1．1 串联谐振电路 217
6．1．2 并联谐振电路 219
6．1．3 有载Q和无载Q 221
6．2 传输线谐振器 222
6．2．1 短路λ/2传输线 222
6．2．2 短路λ/4传输线 224
6．2．3 开路λ/2传输线 225
6．3 矩形波导腔谐振器 226
6．3．1 谐振频率 226
6．3．2 模的无载Q 227
6．4 圆波导腔谐振器 230
6．4．1 谐振频率 230
6．4．2 模的无载Q 232
6．5 介质谐振器 234
6．5．1 TE01δ模的谐振频率 234
6．6 谐振器的激励 237
6．6．1 耦合系数和临界耦合 238
6．6．2 缝隙耦合微带谐振器 239
6．6．3 小孔耦合腔 242
6．6．4 通过二端口测量求无载Q 243
6．7 腔的微扰 245
6．7．1 材料微扰 245
6．7．2 形状微扰 247
参考文献 249
习题 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 三端口网络（T形结） 253
7．1．2 四端口网络（定向耦合器） 256
7．2 T形结功率功率分配器 259
7．2．1 无耗功率分配器 259
7．2．2 电阻性功率分配器 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 波导定向耦合器 266
7．4．1 倍兹孔耦合器 266
7．4．2 多孔耦合器的设计 270
7．5 正交（90°）混合网络 274
7．5．1 偶?奇模分析 274
7．6 耦合线定向耦合器 277
7．6．1 耦合线理论 277
7．6．2 耦合线耦合器的设计 280
7．6．3 多节耦合线耦合器的设计 284
7．7 Lange耦合器 286
7．8 180°混合网络 289
7．8．1 环形混合网络的偶-奇模分析 290
7．8．2 渐变耦合线混合网络偶-奇模分析 294
7．8．3 波导魔T 296
7．9 其他耦合器 297
参考文献 299
习题 300
第8章 微波滤波器 304
8．1 周期结构 304
8．1．1 无限长周期结构的分析 305
8．1．2 有负载的周期结构 307
8．1．3 k?β图和波速 308
8．2 采用镜像参量法设计滤波器 310
8．2．1 二端口网络的镜像阻抗和传递函数 310
8．2．2 定k式滤波器节 313
8．2．3 m导出式滤波器节 314
8．2．4 复合滤波器 317
8．3 采用插入损耗法设计滤波器 319
8．3．1 用功率损耗比表征 319
8．3．2 最平坦低通滤波器原型 321
8．3．3 等纹波低通滤波器原型 324
8．3．4 线性相位低通滤波器原型 326
8．4 滤波器变换 327
8．4．1 阻抗和频率定标 327
8．4．2 带通和带阻变换 329
8．5 滤波器的实现 332
8．5．1 理查德变换 333
8．5．2 科洛达恒等关系 333
8．5．3 阻抗和导纳倒相器 337
8．6 阶跃阻抗低通滤波器 338
8．6．1 短传输线段近似等效电路 339
8．7 耦合线滤波器 341
8．7．1 耦合线段的滤波器特性 342
8．7．2 耦合线带通滤波器的设计 346
8．8 使用耦合谐振器的滤波器 351
8．8．1 使用1/4波长谐振器的带阻和带通滤波器 351
8．8．2 使用电容性耦合串联谐振器的带通滤波器 354
8．8．3 使用电容性耦合并联谐振器的带通滤波器 357
参考文献 360
习题 361
第9章 铁氧体元件理论与设计 363
9．1 亚铁磁性材料的基本性质 363
9．1．1 磁导率张量 363
9．1．2 圆极化场 367
9．1．3 损耗效应 369
9．1．4 退磁因子 371
9．2 铁氧体中的平面波传播 373
9．2．1 在偏置场方向的传播（法拉第旋转） 373
9．2．2 垂直于偏置场的波传播（双折射） 376
9．3 波在铁氧体加载的矩形波导中的传播 378
9．3．1 有单片铁氧体的波导的TEm0模 378
9．3．2 有两片对称铁氧体的波导的TEm0模 381
9．4 铁氧体隔离器 382
9．4．1 谐振隔离器 382
9．4．2 场位移隔离器 385
9．5 铁氧体相移器 387
9．5．1 非互易锁存相移器 387
9．5．2 其他类型的铁氧体相移器 389
9．5．3 回转器 390
9．6 铁氧体环形器 390
9．6．1 失配环形器的特性 391
9．6．2 结型环形器 392
参考文献 396
习题 396
第10章 噪声与非线性失真 399
10．1 微波电路中的噪声 399
10．1．1 动态范围和噪声源 399
10．1．2 噪声功率与等效噪声温度 400
10．1．3 噪声温度的测量 402
10．2 噪声系数 403
10．2．1 噪声系数的定义 403
10．2．2 级联系统的噪声系数 405
10．2．3 无源二端口网络的噪声系数 406
10．2．4 失配有耗传输线的噪声系数 407
10．2．5 失配放大器的噪声系数 409
10．3 非线性失真 410
10．3．1 增益压缩 411
10．3．2 谐波频率和交调失真 411
10．3．3 3阶截断点 413
10．3．4 级联系统的截断点 414
10．3．5 无源交调 415
10．4 动态范围 416
10．4．1 线性和无杂散动态范围 416
参考文献 417
习题 418
第11章 有源射频及微波器件 420
11．1 二极管及二极管电路 420
11．1．1 肖特基二极管和检波器 420
11．1．2 PIN二极管和控制电路 424
11．1．3 变容二极管 429
11．1．4 其他二极管 430
11．1．5 功率合成 431
11．2 双极结型晶体管 432
11．2．1 双极结型晶体管 432
11．2．2 异质结双极晶体管 434
11．3 场效应晶体管 434
11．3．1 金属半导体场效应晶体管 435
11．3．2 金属氧化物半导体场效应晶体管 436
11．3．3 高电子迁移率晶体管 437
11．4 微波集成电路 437
11．4．1 混合微波集成电路 438
11．4．2 单片微波集成电路 439
11．5 微波管 441
参考文献 444
习题 444
第12章 微波放大器设计 446
12．1 二端口功率增益 446
12．1．1 二端口功率增益的定义 446
12．1．2 二端口功率增益的深入探讨 449
12．2 稳定性 451
12．2．1 稳定性圆 451
12．2．2 无条件稳定的检验 453
12．3 单级晶体管放大器设计 456
12．3．1 最大增益设计（共轭匹配） 456
12．3．2 等增益圆和固定增益的设计 460
12．3．3 低噪声放大器设计 464
12．3．4 低噪声MOSFET放大器 467
12．4 宽带晶体管放大器设计 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类型 478
12．5．2 晶体管的大信号特性 479
12．5．3 A类功率放大器的设计 479
参考文献 481
习题 482
第13章 振荡器和混频器 484
13．1 射频振荡器 485
13．1．1 一般分析方法 485
13．1．2 使用共发射极的双极结型晶体管的振荡器 486
13．1．3 使用共栅极场效应晶体管的振荡器 487
13．1．4 实际考虑 488
13．1．5 晶体振荡器 490
13．2 微波振荡器 491
13．2．1 晶体管振荡器 492
13．2．2 介质谐振器振荡器 495
13．3 振荡器相位噪声 498
13．3．1 相位噪声的表示 498
13．3．2 振荡器相位噪声的Leeson模型 499
13．4 频率倍增器 502
13．4．1 电抗性二极管倍频器（Manley-Rowe关系） 502
13．4．2 电阻性二极管倍频器 504
13．4．3 晶体管倍频器 506
13．5 混频器 509
13．5．1 混频器特性 509
13．5．2 单端二极管混频器 513
13．5．3 单端FET混频器 514
13．5．4 平衡混频器 516
13．5．5 镜像抑制混频器 518
13．5．6 差分FET混频器和吉尔伯特单元混频器 520
13．5．7 其他混频器 521
参考文献 523
习题 524
第14章 微波系统导论 526
14．1 天线的系统特性 526
14．1．1 天线辐射的场和功率 527
14．1．2 天线辐射方向图特征 528
14．1．3 天线的增益和效率 530
14．1．4 孔径效率和有效面积 531
14．1．5 背景温度和亮度温度 532
14．1．6 天线的噪声温度和G/T 534
14．2 无线通信系统 536
14．2．1 Friis公式 537
14．2．2 链路预算和链路裕量 538
14．2．3 无线接收机结构 540
14．2．4 接收机的噪声特性 542
14．2．5 数字调制和误码率 544
14．2．6 无线通信系统 546
14．3 雷达系统 550
14．3．1 雷达方程 552
14．3．2 脉冲雷达 553
14．3．3 多普勒雷达 554
14．3．4 雷达散射截面 555
14．4 辐射计系统 556
14．4．1 辐射计理论和应用 556
14．4．2 全功率辐射计 558
14．4．3 迪克辐射计 559
14．5 微波传播 560
14．5．1 大气效应 560
14．5．2 地面效应 561
14．5．3 等离子体效应 562
14．6 其他应用和专题 563
14．6．1 微波加热 563
14．6．2 电能传输 563
14．6．3 生物效应和安全性 564
参考文献 565
习题 566
附录A 构成十进制倍数和分数单位的词头 569
附录B 向量分析 569
B．1 坐标变换 569
B．2 向量微分算符 570
附录C 贝塞尔函数 571
附录D 其他数学公式 573
D．1 有用的积分 573
D．2 泰勒级数 573
附录E 物理常数 574
附录F 某些材料的电导率 574
附录G 一些材料的介电常数和损耗角正切 575
附录H 一些微波铁氧体材料的特性 575
附录I 标准矩形波导数据 576
附录J 标准同轴线数据 577
部分习题答案 578
术语表 581