微波工程(第4版)

 

本书是微波工程领域的一本优秀教材，其内容既有深度又有广度，主要包括电磁理论、传输线理论、传输线和波导、微波网络分析、阻抗匹配和调谐、微波谐振器、功率分配器和定向耦合器、微波滤波器、铁氧体元件理论与设计、噪声与非线性失真、有源射频及微波器件、微波放大器设计、振荡器和混频器、微波系统导论。在基本理论方面，既介绍了经典的电磁场理论，又叙述了现代微波工程中常用的分布电路和网络分析方法。在微波电路和器件方面，除介绍传统的线性微波电路及波导器件外，还增加了平面结构元件和集成电路的设计、振荡器的相位噪声、晶体管功率放大器、非线性效应以及当今微波工程师经常使用的工具，如微波CAD软件包和网络分析仪等内容。每章结尾提供了习题，书末提供了部分习题的答案，可供教师选用和学生自测。本书的特点是从基本概念出发，介绍专用电路和器件的设计，以便读者理解如何应用基本概念得出有用的结果，提高读者运用理论解决实际问题的能力。本书可作为高年级本科生或研究生的微波工程教材，也可作为微波电路及器件研制和开发的工程技术人员的参考书。

戴维·M.波扎（David M.Pozar），美国马萨诸塞大学电气与计算机工程教授，IEEE会士，多个期刊的主编、副主编。在天线与射频领域出版专著、教材多本，发表论文多篇，同时在教学与科研领域多次获奖。目前的研究方向为天线与射频电路设计、超宽带无线通信、微带天线与相控阵天线等。
谭云华，清华大学副教授，长期从事微波领域的教学与研究工作，发表论文多篇，完成纵向和横向项目多项，多次获得优秀老师荣誉称号。

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Q221
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Q227
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Q232
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Q243
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T296
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 优选增益设计（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/T534
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