《微波技术与天线（含实验）》课程教学大纲.docx

《微波技术与天线》课程教学大纲

一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）

课程性质：微波技术与天线是电子信息类本科专业重要的专业课程，它包括微波技术、天线设计两个部分。微波技术部分主要讨论均匀传输线理论、规则金属波导、微波集成传输线、微波网络基础和微波元器件，其中在微波集成传输线部分主要讨论了带状线、微带线、耦合微带线及介质波导的传输特性，并对光纤传输原理及特性做了介绍；在微波元器件一章中从工程应用的角度出发，重点介绍了具有代表性的几组微波无源元器件，主要包括连接匹配元件、功率分配元器件、微波谐振元件和微波铁氧体器件。天线设计部分，主要讨论天线辐射与接收的基本理论以及天线结构与设计。与此同时将仿真软件介绍给学生，让同学亲自设计相关微波部件或天线，实现理论与工程设计的结合。本课程为成为优秀的射频（RF）与微波工程师打下坚实的基础。

教学目标：《微波技术与天线》主要论述微波技术与天线的基本原理、基本技术及其典型的应用系统，它为电子信息类本科生的专业课。通过本课程的学习，使学生了解微波技术与天线在现代通信中所处的位置及作用，掌握微波信号的产生、处理、传输、辐射及接收等微波通信的基本理论，熟悉微波部件或天线的设计过程。为使学生更好的掌握本课程，还配合了18学时的实验（9学时验证实验+9学时微波部件设计）。

本课程的具体教学目标如下：

1、了解微波技术与天线在现代通信中所处的位置及作用，掌握微波信号的产生、处理、传输、辐射及接收等微波通信的基本理论，掌握各种微波传输线的传输机理，常见微波部件和天线的基本结构和工作原理，能表达各部件在通信系统中的作用；【2.2】

2、熟悉微波部件和天线设计方法和设计过程，能针对具体指标要求在给定的约束条件下进行需求分析、提出微波部件和天线的设计方案；【3.2】

3、能根据微波部件和天线的性能测量要求选择可行的研究和实验方案；【4.2】

4、能利用电磁仿真工具为微波部件和天线建模，计算分析微波部件和天线的性能参数，优化微波部件和天线的结构。【5.2】

二、课程目标与毕业要求的对应关系（明确本课程知识与能力重点符合标准哪几条毕业要求指标点）

三、课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容）（重点内容：«；难点内容：D）

1、绪论（3学时、支撑课程目标1）

1.1微波及其特点

1.2本课程在专业中的位置及本课程的体系结构

²  目标及要求：

1）  通过绪论的介绍，使得学生掌握微波技术与天线的课程地位、主要内容、学习目的、基础和主要特点；

2）  重点把握微波的特点（«）

²  作业内容：

微波波长在电磁波谱中位置，微波的特点，分析方法特点

²  讨论内容：

微波与无处不在的无线通信的关系

²  自学拓展：

微波技术在通信系统中的作用 

2、均匀传输线理论（12学时、支撑课程目标1，2）

2.1均匀传输线方程及其解

2.2传输线的阻抗与状态参量

2.3无耗传输线的状态分析

2.4传输线的传输功率、效率和损耗

2.5阻抗匹配

2.6同轴线的特性阻抗

²  目标及要求：

1）  了解均匀传输线上波传输的一般规律，重点掌握传输线的特性阻抗、输入阻抗、驻波比、反射系数等核心参数之间的基本关系；（«）

2）  了解传输线的三种基本状态，掌握负载与状态的关系；

3）  了解传输线产生损耗的激励，熟悉工程上常用的回波损耗、插入损耗的含义及分析方法。（D）

4）  掌握阻抗匹配的原理以及阻抗匹配的方法，重点掌握四分之一阻抗匹配法和枝节匹配法，针对不同负载特点选择不同匹配实现方案（«）

5）  熟悉同轴线的结构、特征参数以及工程应用。

²  作业内容：

传输线阻抗与状态参量的分析与计算；传输线传输效率分析；学会针对不同负载特点选择不同匹配实现方案；同轴线参数分析及工程设计。

²  讨论内容：

同轴线的特性阻抗与工程应用

²  自学拓展：

  阻抗匹配的意义及工程应用

3. 规则金属波导（9学时，支撑课程目标1，2）

3.1导波原理

3.2 矩形波导

3.3圆形波导

3.4 波导的激励与耦合

²  目标及要求：

1）  了解规则金属管内场的特点及其一般表达式；掌握相移常数和截止波数、相速和波导波长、波阻抗、传输功率的含义及工程应用；了解波导中不存在TEM波的原因，熟悉TE和TM波特点及其边界条件（D）

2）  了解矩形波导中TE和TM波场的表达式；模式（主模、高次模）的概念；掌握矩形波导的传输特性，包括：截止波数和截止波长、模式传输条件、主模的场分布及其工作特性等；了解工程上矩形波导尺寸的选择原则（综合考虑带宽问题、功率容量和衰减等）（«）

3）  了解圆波导中的场圆波导中TE和TM波场的表达式；掌握模式简并及圆波导的常用几种常用模式的特点及其工程应用。

4）  了解波导的激励原理及方法，掌握电激励、磁激励、电流激励三种典型激励的特点及工程应用。

²  作业内容：

  波导参数的分析与计算；矩形波导模式存在分析；主模参数的分析；圆形波导模式分析；激励与耦合机理。

²  讨论内容：

矩形波导的结构特点与工程应用

²  自学拓展：

  波导与其他传输线的连接方法及工程应用

4. 微波集成传输线（6学时，支撑课程目标1，2）

4.1平面传输线

4.2 介质波导

4.3光纤

²  目标及要求：

1）了解平面传输线的特点及工程应用

2）了解带状线的结构、特点、场分布、主模和传输特性

3）掌握微带线的结构、特点、场分布、主模和传输特性，工程设计方法（«）

4）了解耦合微带线传输特性（D）

5）掌握介质波导的传输原理，圆形介质波导的结构、特点、场分布、主模和传输特性

6）了解介质镜像线、H型波导的结构与传输特性

7）熟悉光纤的传输原理，了解单模光纤、多模光纤异同点；掌握光纤的而主要参数：光波波长、相对折射率、折射率分布因子和数值孔径等；了解光纤的损耗、色散、零色散单模光纤的原理、光纤的应用领域（«）

²  作业内容：

  带状线模式的分析，微带线有效介电常数的计算，微带线的设计，耦合微带线的分析计算；光纤单模工作范围的计算；零色散光纤的原理分析

²  讨论内容：

如何利用仿真软件，实现微带线的设计

²  自学拓展：

  微带线与同轴接头的连接方法及工程应用

5. 微波网络基础（9学时，支撑课程目标1，2）

5.1等效传输线

5.2 单口网络

5.3双口网络的阻抗与传输矩阵

5.4散射矩阵与传输矩阵

5.5 多口网络的散射矩阵

5.6 网络参数的测量

²  目标及要求：

1）  了解等效电压和等效电流的概念及其应用

2）  掌握模式等效传输线的概念与等效传输线

3）  熟悉单口网络的定义及其分析；归一化电压与电流定义及意义（D）

4）  了解阻抗和导纳各参数的定义及其与网络性质的关系；转移矩阵各参数的定义及其与网络性质的关系、三种参数之间的相互转换

5）  掌握散射矩阵各参数的定义、意义及其与网络性质的关系；传输矩阵各参数的定义及其与网络性质的关系；熟悉各种参数之间的相互转换；工程上的插入损耗、回波损耗、隔离度等参数与散射参数的关系（«）

6）  了解多端口网络散射参数的定义、性质；掌握无耗网络幺正性（«）

7）  了解网络参数的测量方法

²  作业内容：

给定网络计算阻抗矩阵或导纳矩阵、散射矩阵；利用A矩阵的级联特性计算多网络级联后的网络参数；利用网络参数计算输入阻抗、反射系数以及满足无反射条件等；证明无耗网络的幺正性。

²  讨论内容：

如何用网络参数理论来理解枝节匹配的原理

²  自学拓展：

  网络参数测量及工程应用

 6. 微波无源器件（9学时，支撑课程目标1，2）

6.1连接匹配元件等效传输线

6.2功率分配器件

6.3微波谐振器件

6.4微波铁氧体器件

6.5 多口网络的散射矩阵

6.6 网络参数的测量

²  目标及要求：

1）了解短路负载、匹配负载、失配负载；波导接头、衰减元件和相移元件、转换接头；螺钉调配器、多阶梯阻抗变换器、渐变型阻抗变换器等器件的结构及工作原理

2）了解定向耦合器的定义及性能参数;熟悉波导双孔定向耦合器、双分支定向耦合器、平行耦合微带定向耦合器等的结构和工作原理

3）掌握功率分配器的定义；学会两路微带功率分配器、微带环行电桥等结构、工作原理以及设计方法（«）

4） 了解E-T分支、 H-T分支和匹配双T（魔T）的结构和工作原理（D）

5）了解微波谐振器件的演化过程以及相关参数如谐振频率、品质因数、等效电导等

6）掌握矩形空腔谐振器的结构、工作原理和性能参数（«）

7）了解微带谐振器的结构、工作原理和性能参数

8）熟悉谐振器的耦合和激励的形式及其对谐振器性能的影响（D）

9）了解隔离器的结构和工作原理及其性能参数

10）  铁氧体环行器的结构和工作原理及其性能参数 

11）  了解LTCC器件特点及工艺过程 

²  作业内容：

波导调配机理；渐变阻抗变换器原理与应用；微波器件的网络参数及器件特点；微带型功率分配器的设计与实现

²  讨论内容：

         不同器件性能设计参数表述方法

²  自学拓展：

微波器件在通信领域中的应用

7.天线的基础知识（6课时，支撑课程目标1，2）

     7.1天线概论

     7.2天线的电参数

     7.3 典型天线介绍

     7.4天线的设计过程

²  目标及要求：

1）天线的定义、性能及其作用，天线的分类及分析方法

2）天线输入阻抗、驻波比、方向图、增益、极化、带宽

3）单极子天线、偶极子天线、微带天线

4）掌握利用HFSS仿真设计天线

²  作业内容：

 天线性能参数；单极子天线的仿真设计

²  讨论内容：

    天线馈电点的重要性

²  自学拓展：

  仿真软件中参数优化的实现

8、实验（18学时，支撑课程目标2，3，4）实验内容：必开实验9学时。

四、教学方法

1、           授课方式：

a.理论课（讲授核心内容、总结、按顺序提示今后内容、答疑、公布习题和课外拓展学习等）；

b. 讨论课（根据布置内容安排学生进行讨论）；

c.课后练习（按照理论内容进行）；

d.实验环节（①根据理论课教学内容，要求学生学会根据所学微波技术基本概念进行验证实验，并与理论分析进行比较，分析产生误差的原因；②根据技术指标，分组设计一款微波器件或天线，从结构方案选型、材料的选择、仿真设计、电路制作、测试，完成设计报告并口头表达汇报）；

e.办公室时间（每周安排固定的办公室时间，学生无需预约，可来教师办公室就课程内、外内容进行讨论）；

f.答疑（全部理论课程和实验课程完成后安排1～2次集中答疑，答疑时间不包括在课程学时内，答疑内容包括讲授内容、习题、实验等，课程研究生助理负责作品设计制作的答疑）；

g.课堂小测验2次、期中闭卷考试、期末半开卷（允许带A4大小自己总结的课程复习要点）。

2、           课程要求：

a.理论课：在理论课讲授环节中，应注意概念、工程背景讲清讲透，着力培养分析与解决问题能力。

b.实验环节：①验证实验要求学生学会在微波测量线上完成波导波长、传输线状态分析、传输线参数以及网络参数的测量，会应用所学知识进行实验现象分析，培养学生独立思考和分析问题的能力，正确地读取和记录实验数据、绘制图表，培养学生良好的实验习惯，树立实事求是和严肃认真的科学作风，根据实验数据和实验结果撰写实验报告，具有对实验结果进行分析和解释的能力。②设计实验要求按技术指标要求分组完成一款微波器件、天线的设计，从结构方案选型、材料的选择，到仿真设计、电路制作、测试，最后完成设计报告并口头表达汇报，达到提高团队合作、沟通与交流能力、现代信息技术工具使用能力的目的，设计中还要充分考虑项目管理策略以及成本核算等非技术因素。

五、考核及成绩评定方式

考核方式：平时作业；验证性实验；微波部件或天线设计实验；期中笔试；期末笔试。

成绩评定方式：平时作业5%；验证性实验20%；微波部件或天线设计实验25%；期中笔试20%；期末笔试30%。

课程目标达成情况及考试成绩评定占比（%）

实验成绩评价标准：

注：该表格中比例为实验成绩的比例。

期中考试考核评价标准

注：该表格中比例为期中考试卷各教学目标所占成绩比例。

期末考试考核评价标准

注：该表格中比例为期末考试卷各教学目标所占成绩比例。

六、教材及参考书目

教材：

1、《微波技术与天线》（第5版）刘学观/郭辉萍编，西安电子科技大学出版社，2016年7月

2、《微波技术与天线学习指导与实验教程》（第5版），郭辉萍等编，西安电子科技大学出版社，2016年8月

参考书：

[1] 廖承恩，微波技术基础，西安电子科技大学出版社，1994

[2] David M. Pozar, Microwave Engineering, Addison-Wesley  Publishing Company, Inc.,1990

[3] Edward A. Wolff and Roger Kaul, Microwave Engineering and Systems Applications, Jon Wiley & sons , 1988

[4] 李宗谦、佘京兆，高葆新，微波工程基础，清华大学出版社，2004年