基于MATLAB的微波傳輸狀態(tài)仿真應用設(shè)計

王夢瑤

摘 要：微波指的是頻率在300MHz至3000GHz的電磁波，最重要應用是雷達和通信。雷達不僅用于國防，同時也用于導航、氣象測量、工業(yè)檢測和交通管理等方面。通信應用主要是現(xiàn)代的衛(wèi)星通信和常規(guī)的中繼通信。微波的三種傳輸狀態(tài)，是微波傳輸理論分析的基礎(chǔ)。本文將針對微波傳輸?shù)奶匦?，利用MATLAB的RF模塊設(shè)計出微波傳輸狀態(tài)的仿真分析軟件。

關(guān)鍵詞：微波，仿真，matlab，傳輸狀態(tài)

一、微波簡介

微波是指頻率在300MHz至3000GHz的電磁波。由于特殊的頻率，微波又被稱為超高頻電磁波，其對應波長為0.1mm到1米之間，是分米波、厘米波、毫米波與亞毫米波的統(tǒng)稱。微波憑借著獨特的波長和頻率，其波長范圍和人類基本幾何尺寸在同一個數(shù)量級，所以微波在通信和生活方面都有非常巨大的研究和應用的意義。

微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。其中，穿透性指的是微波相較于其他紅外，遠紅外等用于加熱的電磁波具有更長的波長，可以使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導時間[1];反射性指的是對于金屬類的物質(zhì)，微波不會穿透或者吸收，則是反射，故而，大量的波導結(jié)構(gòu)均為金屬波導;吸收特性則指的是對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱[2]

微波在通信中的應用主要體現(xiàn)在無線通信中。微波作為無線通信的一個重要波段，其波長的長度決定了微波元器件的幾何尺寸可以做到毫米級別，符合當前繼承設(shè)備的要求。

在研究微波的過程中，主要有傳統(tǒng)場論方法，化場為路的方法，以及網(wǎng)絡(luò)化的方法。其中，場論的方法最為準確，但同時也由于其涉及大量的電磁學理論，研究起來具有一定的難度;網(wǎng)絡(luò)化的分析方法，則是利用黑盒理論，忽略微波元器件的幾何結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部場的變化，關(guān)注輸入和輸出的變化;化場為路的方法，則是將抽象的難以捕捉的微波傳輸過程等效為基本電路結(jié)構(gòu)，通過路的理論和方法，對其進行研究。但化場為路的方法具有一定的局限性，首先只適用于TEM波，其次，化場為路的方法關(guān)注電壓和電流，但實際應用當中，微波傳輸?shù)碾妷弘娏鳠o法直觀的測量到。

盡管化場為路的方法存在一定的局限性，但在微波的研究中，該方法憑借其容易理解，和等效的思路，在微波研究的理論上具有相當?shù)囊饬x，并且大量的微波參數(shù)也可以在化場為路的方法中得到體現(xiàn)。

二、微波傳輸狀態(tài)分析

微波傳輸主要是存在三種傳輸狀態(tài)：行波狀態(tài)，駐波狀態(tài)，行駐波狀態(tài)。

1、行波狀態(tài)。行波狀態(tài)是微波傳輸?shù)闹饕獱顟B(tài)。指的是只有入射波，沒有任何反射波的狀態(tài)，即反射系數(shù)Γ為0的狀態(tài)。

在微波的實際應用中，只有兩種情況能夠?qū)崿F(xiàn)行波狀態(tài)，無限長傳播線或者是匹配狀態(tài)。其中匹配狀態(tài)指的是等效負載和特性阻抗相同，見公式（2-1）。

2、駐波狀態(tài)。駐波狀態(tài)指的是，反射波等于入射波，即全反射狀態(tài)，即反射系數(shù)Γ為1的狀態(tài)，該狀態(tài)不能實現(xiàn)傳輸。

在微波的實際應用中，有三種情況能夠?qū)崿F(xiàn)駐波狀態(tài)，短路開路和負責為純電抗。其中負載為短路時，等效輸入阻抗和傳輸線位置的關(guān)系，見公式（2-2）

如式（2-2）所示，短路微波傳輸線等效輸入阻抗與距離負載的位置成正切關(guān)系。

其中負載為開路時，等效輸入阻抗和傳輸線位置的關(guān)系，見公式（2-3）

如式（2-3）所示，開路微波傳輸線等效輸入阻抗與距離負載的位置成余切關(guān)系。

實際上，在實際工程運用當中，開路狀態(tài)時沒有辦法能夠?qū)崿F(xiàn)的。例如，在平行傳輸線系統(tǒng)中，微波是在傳輸線間傳輸，如果負載為開路，則微波會從負載端直接泄露出去。但觀察式（2-2）和（2-3）可以發(fā)現(xiàn)，短路和開路的等效輸入阻抗相差，以及存在阻抗變換，考慮。則可以發(fā)現(xiàn)，在實際工程應用中，可以通過在開路點后面短接的短路傳輸線來實現(xiàn)開路的效果。

最后負載為純電抗時，考慮負載端與短路同理，沒有任何電阻或者是電導能夠吸收能量，故也實現(xiàn)全反射。

3、行駐波狀態(tài)。行駐波狀態(tài)指的是，除了上文提到的五種負載情況以外，其他所有的負載所導致的的傳輸狀態(tài)。在行駐波狀態(tài)時，同時存在入射波和反射波，茄反射波小于入射波，屬于部分反射的范疇。

三、MATLAB仿真設(shè)計

本文采用MATLAB來對微波傳輸狀態(tài)進行仿真研究，通過GUI的用戶界面設(shè)計，設(shè)計出一款操作容易的面向用戶的微波傳輸狀態(tài)的分析軟件。

MATLAB自帶的RF射頻工作箱子。RF射頻工作箱本身提供一個可視化的用戶操作界面，但是操作相對復雜，且只能結(jié)合SMITH圓圖進行結(jié)果分析，對于沒有掌握SMITH圓圖的用戶并不友好。除此以外，RF工具箱還提供了大量的封裝函數(shù)和對象，用于對微波信號進行分析。其中包括對反射系數(shù)的測量函數(shù)GAMMAIN，電路對象的分析函數(shù)ANALYZE..。

本文除了使用RF工作箱的封裝函數(shù)開發(fā)出可以用于分析微波信號的腳本文件，同時，使用MATLAB的GUI設(shè)計，設(shè)計出一個良好的用戶界面，并且與腳本文件進行關(guān)聯(lián)，形成完整的可視化軟件。

圖3.1軟件界面

如圖3.1所示，用戶可以自行輸入信號的頻率范圍，通過點擊短路和開路按鈕，即可以顯示出等效輸入阻抗和頻率之間的關(guān)系。

四、總結(jié)

在微波的研究當中，想要實現(xiàn)傳輸，即希望能夠?qū)崿F(xiàn)行波狀態(tài)?；瘓鰹槁返姆椒ㄊ窍鄬唵吻抑庇^的研究方法。使用化場為路的方法把傳輸狀態(tài)與電壓電流入射和電壓電流反射聯(lián)系在一起。研究傳輸狀態(tài)以及傳輸特性，是微波傳輸匹配的基礎(chǔ)。本文通過對微波傳輸理論的分析以，應用MATLAB的RF工具箱開發(fā)出一個微波傳輸狀態(tài)的分析軟件，通過簡單的用戶界面操作，能夠直觀的看出信號頻率和等效輸入阻抗之間的關(guān)系，從而尋找到適合的傳播信號。

參考文獻

[1] 數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)及其維護方法[J]. 陳金龍.? 西部廣播電視. 2017（03）

[2] 微波傳輸中信號衰落問題的分析與解決[J]. 張斌.? 新聞研究導刊. 2016（21）