电波与光波传输技术

目　录

绪论　1

第1章　传输线理论　9

1.1　微波传输线　9

1.1.1　导波的分类　10

1.1.2　传输线的分布参数和等效电路　11

1.2　均匀传输线方程及其解　12

1.2.1　均匀传输线方程　12

1.2.2　均匀传输线方程解　13

1.3　均匀传输线的传输特性和特性参数　15

1.3.1　均匀传输线上行波的传输特性　15

1.3.2　均匀传输线的3个重要参数　17

1.4　传输线的传输功率、效率和损耗　21

1.4.1　传输功率与效率　21

1.4.2　传输线损耗　22

1.5　无耗传输线的3种工作状态　22

1.5.1　行波状态　23

1.5.2　驻波状态　24

1.5.3　行驻波状态　27

1.6　史密斯(SMITH)圆图　29

1.6.1　阻抗圆图　29

1.6.2　导纳圆图　35

1.7　无耗传输线的阻抗匹配　38

1.7.1　阻抗匹配概念　38

1.7.2　四分之一波长阻抗变换器　40

1.7.3　单支节调配器　40

1.7.4　双支节调配器　45

习题　47

第2章　金属波导与微带线　51

2.1　分析规则金属波导的纵向场方法　51

2.1.1　TE模　53

2.1.2　TM模　54

2.1.3　纵向场法分析步骤　54

2.1.4　空腔金属波导内不存在TEM模　55

2.2　波导中电磁波的传输特性　55

2.2.1　波导的截止现象和截止波长　55

2.2.2　TE模和TM模的相速、群速、波导波长　56

2.3　矩形波导　58

2.3.1　矩形波导中的TE模和TM模　58

2.3.2　矩形波导中电磁波的传输特性　62

2.3.3　矩形波导中的主模TE10模　63

2.3.4　波导的衰减　65

2.3.5　TE10模的激励方法　67

2.4　圆形波导　68

2.4.1　圆波导中的TE模和TM模　68

2.4.2　圆波导中电磁波的传输特性　72

2.4.3　圆波导中的3种常用波型　73

2.5　同轴线的高阶模及单模传输条件　74

2.5.1　同轴线中的高次模　74

2.5.2　同轴线单模传输条件　76

2.6　微带线　77

2.6.1　带状线　79

2.6.2　微带线　81

2.7　新型微波毫米波传输线　86

习题　88

第3章　介质波导和光波导　90

3.1　介质波导　90

3.1.1　圆形介质波导　90

3.1.2　介质镜像线　97

3.2　薄膜光波导　98

3.2.1　薄膜光波导的几何光学分析　98

3.2.2　薄膜光波导的模式理论　100

3.3　光纤中光线的传播　105

3.3.1　阶跃光纤和梯度光纤　105

3.3.2　阶跃光纤中光线的传播　106

3.3.3　梯度光纤中光线的传播　109

3.4　光纤中的传输模式　112

3.4.1　光纤中的电磁场解　112

3.4.2　特征方程　114

3.4.3　模式的传播条件及截止参数　114

3.4.4　LPmn模的场分布及功率分布　115

3.4.5　理想光纤中模式的正交性和完备性　116

3.5　单模光纤　117

3.5.1　单模传输条件和截止波长　117

3.5.2　工作模特性　118

3.5.3　单模光纤中的双折射　119

3.6　光纤的传输损耗　121

3.6.1　石英玻璃光纤的损耗　121

3.6.2　其他类型光纤的损耗　123

3.6.3　弯曲损耗　123

3.7　光纤的色散　124

3.7.1　色散概念与色散分类　124

3.7.2　波长色散　124

3.7.3　模式色散　125

3.7.4　色散对通信的影响　126

3.7.5　单模光纤的色散及单模光纤的分类　127

3.8　光纤的制作和光缆　129

3.8.1　预制棒的制备　129

3.8.2　光纤的拉制　130

3.8.3　光缆　131

习题　132

第4章　天线基础知识　134

4.1　概述　134

4.2　电基本振子　136

4.2.1　近区场　138

4.2.2　远区场　139

4.3　磁基本振子　141

4.3.1　对偶原理法　141

4.3.2　直接积分法　144

4.4　天线的方向性　147

4.4.1　方向函数　147

4.4.2　方向图　150

4.4.3　方向系数　154

4.5　天线的电参数　156

4.5.1　方向特性　157

4.5.2　阻抗特性　158

4.5.3　带宽特性　160

4.5.4　极化特性　161

4.5.5　最佳接收条件　163

4.6　接收天线理论　163

4.6.1　有效面积与有效长度　164

4.6.2　弗利斯传输公式　166

4.7　短振子与半波振子　167

4.7.1　短振子　168

4.7.2　半波振子　169

4.8　天线阵的方向特性　172

4.8.1　方向图乘积定理　172

4.8.2　远区条件　173

4.8.3　二元阵　174

4.8.4　均匀直线阵　180

4.8.5　非均匀直线边射阵　191

4.9　天线阵的辐射阻抗　194

4.9.1　二元阵的4端网络模型　195

4.9.2　感应电动势法简介　197

4.9.3　半波振子间的互阻抗曲线　198

4.9.4　互阻抗理论及其曲线的应用　200

4.10　理想导电地对天线的影响　206

4.10.1　镜像理论　206

4.10.2　单极天线　208

习题　210

第5章　线天线　214

5.1　双极天线　214

5.1.1　对称振子天线　214

5.1.2　理想导电平面地上的对称振子　222

5.2　折合振子　224

5.3　线天线的馈电　226

5.4　八木—宇田天线　229

5.5　行波线天线　233

5.6　双锥天线　237

5.6.1　无限双锥天线　237

5.6.2　有限双锥天线　239

5.7　非频变天线原理　240

5.8　平面螺线天线　242

5.8.1　等角螺线天线　242

5.8.2　阿基米德螺线天线　243

5.9　对数周期天线　245

习题　254

第6章　口径天线　255

6.1　口径天线的基本原理　256

6.1.1　惠更斯元的辐射　256

6.1.2　平面口径辐射积分公式　259

6.1.3　矩形、圆形口径的辐射特性　261

6.1.4　增益的计算　274

6.2　喇叭天线　278

6.2.1　H面扇形喇叭天线　279

6.2.2　E面扇形喇叭天线　284

6.2.3　角锥喇叭天线　287

6.2.4　最优喇叭天线的设计　289

6.3　反射面天线　290

6.3.1　抛物面天线　290

6.3.2　卡塞格伦天线　300

6.3.3　反射面天线的馈源　306

6.4　光学天线　308

6.4.1　光学天线增益　308

6.4.2　卫星间激光通信中的光学天线　308

习题　310

第7章　电波传播概论　311

7.1　基础知识　311

7.1.2　传输媒质对电波传播的影响　313

7.1.3　干扰与噪声　315

7.2　地波传播　317

7.2.1　地球表面的电特性　317

7.2.2　地波传播特性　318

7.3　天波传播　321

7.3.1　电离层　321

7.3.2　无线电波在电离层中的传播　324

7.3.3　短波天波传播　327

7.4　视距传播　333

7.4.1　自由空间电波传播的菲涅耳区　334

7.4.2　地面对电波传播的影响　337

7.4.3　低空大气层对电波传播的影响　343

7.5　移动通信中的电波传播　349

7.5.1　光滑地面上的亮区场　350

7.5.2　光滑球面地上的电波绕射　352

7.5.3　山峰绕射　353

7.5.4　地面移动通信电波传播的特点　355

7.6　卫星通信系统中的电波传播　356

7.6.1　传输损耗　357

7.6.2　去极化现象　360

7.6.3　大气折射与对流层闪烁　361

7.6.4　电离层闪烁　362

7.7　激光在大气信道中的传输　363

7.7.1　大气对激光束传播的影响　363

7.7.2　大气信道模型　366

7.8　激光在海水信道中的传输　369

7.8.1　海水的透射光谱特性　369

7.8.2　海水对激光束传播的影响　370

7.8.3　海水信道特性　371

7.9　复杂电磁环境的构成与特征　374

习题　380

参考文献　384

国家“十一五”规划教材军队院校“三精工程”精品教材立项适合少学时本书在电磁场理论的基础上，从传输信道的角度系统完整地阐述了电波与光波信道的传输规律。全书共分7章，内容包括：传输线理论，金属波导与微带线，介质波导和光波导，天线基础知识，线天线，口径天线，电波传播概论。书中主要介绍导行电磁波以及光纤中光波的传输规律，还介绍了天线转换辐射电磁波的基本原理以及自由电磁波传播的基本规律。鉴于近几年无线光通信技术的快速发展，本书还涉及到无线光通信知识。全书条理清晰，重点突出，抽象概念形象化，场分布图示形象直观，数学推导严谨。书中安排有较多例题，每章末配有适量的习题。　　本书可作为电子信息类和通信类专业的本科生教材，也可作为电磁场与微波技术学科研究生入学考试参考书，适当删减内容还适合相关专业不同教学层次的教学需求。