基于MATLAB的微波传输状态仿真应用设计

王梦瑶

摘 要：微波指的是频率在300MHz至3000GHz的电磁波，最重要应用是雷达和通信。雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气象测量、工业检测和交通管理等方面。通信应用主要是现代的卫星通信和常规的中继通信。微波的三种传输状态，是微波传输理论分析的基础。本文将针对微波传输的特性，利用MATLAB的RF模块设计出微波传输状态的仿真分析软件。

关键词：微波，仿真，matlab，传输状态

一、微波简介

微波是指频率在300MHz至3000GHz的电磁波。由于特殊的频率，微波又被称为超高频电磁波，其对应波长为0.1mm到1米之间，是分米波、厘米波、毫米波与亚毫米波的统称。微波凭借着独特的波长和频率，其波长范围和人类基本几何尺寸在同一个数量级，所以微波在通信和生活方面都有非常巨大的研究和应用的意义。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。其中，穿透性指的是微波相较于其他红外，远红外等用于加热的电磁波具有更长的波长，可以使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间[1];反射性指的是对于金属类的物质，微波不会穿透或者吸收，则是反射，故而，大量的波导结构均为金属波导;吸收特性则指的是对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热[2]

微波在通信中的应用主要体现在无线通信中。微波作为无线通信的一个重要波段，其波长的长度决定了微波元器件的几何尺寸可以做到毫米级别，符合当前继承设备的要求。

在研究微波的过程中，主要有传统场论方法，化场为路的方法，以及网络化的方法。其中，场论的方法最为准确，但同时也由于其涉及大量的电磁学理论，研究起来具有一定的难度;网络化的分析方法，则是利用黑盒理论，忽略微波元器件的几何结构以及内部场的变化，关注输入和输出的变化;化场为路的方法，则是将抽象的难以捕捉的微波传输过程等效为基本电路结构，通过路的理论和方法，对其进行研究。但化场为路的方法具有一定的局限性，首先只适用于TEM波，其次，化场为路的方法关注电压和电流，但实际应用當中，微波传输的电压电流无法直观的测量到。

尽管化场为路的方法存在一定的局限性，但在微波的研究中，该方法凭借其容易理解，和等效的思路，在微波研究的理论上具有相当的意义，并且大量的微波参数也可以在化场为路的方法中得到体现。

二、微波传输状态分析

微波传输主要是存在三种传输状态：行波状态，驻波状态，行驻波状态。

1、行波状态。行波状态是微波传输的主要状态。指的是只有入射波，没有任何反射波的状态，即反射系数Γ为0的状态。

在微波的实际应用中，只有两种情况能够实现行波状态，无限长传播线或者是匹配状态。其中匹配状态指的是等效负载和特性阻抗相同，见公式（2-1）。

2、驻波状态。驻波状态指的是，反射波等于入射波，即全反射状态，即反射系数Γ为1的状态，该状态不能实现传输。

在微波的实际应用中，有三种情况能够实现驻波状态，短路开路和负责为纯电抗。其中负载为短路时，等效输入阻抗和传输线位置的关系，见公式（2-2）

如式（2-2）所示，短路微波传输线等效输入阻抗与距离负载的位置成正切关系。

其中负载为开路时，等效输入阻抗和传输线位置的关系，见公式（2-3）

如式（2-3）所示，开路微波传输线等效输入阻抗与距离负载的位置成余切关系。

实际上，在实际工程运用当中，开路状态时没有办法能够实现的。例如，在平行传输线系统中，微波是在传输线间传输，如果负载为开路，则微波会从负载端直接泄露出去。但观察式（2-2）和（2-3）可以发现，短路和开路的等效输入阻抗相差，以及存在阻抗变换，考虑。则可以发现，在实际工程应用中，可以通过在开路点后面短接的短路传输线来实现开路的效果。

最后负载为纯电抗时，考虑负载端与短路同理，没有任何电阻或者是电导能够吸收能量，故也实现全反射。

3、行驻波状态。行驻波状态指的是，除了上文提到的五种负载情况以外，其他所有的负载所导致的的传输状态。在行驻波状态时，同时存在入射波和反射波，茄反射波小于入射波，属于部分反射的范畴。

三、MATLAB仿真设计

本文采用MATLAB来对微波传输状态进行仿真研究，通过GUI的用户界面设计，设计出一款操作容易的面向用户的微波传输状态的分析软件。

MATLAB自带的RF射频工作箱子。RF射频工作箱本身提供一个可视化的用户操作界面，但是操作相对复杂，且只能结合SMITH圆图进行结果分析，对于没有掌握SMITH圆图的用户并不友好。除此以外，RF工具箱还提供了大量的封装函数和对象，用于对微波信号进行分析。其中包括对反射系数的测量函数GAMMAIN，电路对象的分析函数ANALYZE..。

本文除了使用RF工作箱的封装函数开发出可以用于分析微波信号的脚本文件，同时，使用MATLAB的GUI设计，设计出一个良好的用户界面，并且与脚本文件进行关联，形成完整的可视化软件。

图3.1软件界面

如图3.1所示，用户可以自行输入信号的频率范围，通过点击短路和开路按钮，即可以显示出等效输入阻抗和频率之间的关系。

四、总结

在微波的研究当中，想要实现传输，即希望能够实现行波状态。化场为路的方法是相对简单且直观的研究方法。使用化场为路的方法把传输状态与电压电流入射和电压电流反射联系在一起。研究传输状态以及传输特性，是微波传输匹配的基础。本文通过对微波传输理论的分析以，应用MATLAB的RF工具箱开发出一个微波传输状态的分析软件，通过简单的用户界面操作，能够直观的看出信号频率和等效输入阻抗之间的关系，从而寻找到适合的传播信号。

参考文献

[1] 数字微波传输系统及其维护方法[J]. 陈金龙.  西部广播电视. 2017（03）

[2] 微波传输中信号衰落问题的分析与解决[J]. 张斌.  新闻研究导刊. 2016（21）