第一章射频微波工程介绍

1、 电磁波通常按频率高低来划分波段。电磁波通常按频率高低来划分波段。微波微波通常通常是指波长从是指波长从1m1m到到0.1mm0.1mm范围内的电磁波，其低频端范围内的电磁波，其低频端接近于超短波，高频端接近于红外线。根据波长与接近于超短波，高频端接近于红外线。根据波长与频率的关系可知，微波所对应的频率应处于频率的关系可知，微波所对应的频率应处于300300兆兆赫赫(MHz)(MHz)至至30003000千兆赫千兆赫(GHz)(GHz)范围内，所以微波是一范围内，所以微波是一种频率极高的电磁波，因而也叫超高频。种频率极高的电磁波，因而也叫超高频。 在使用中，为了方便，将微波波段分为分米波在使用中

2、，为了方便，将微波波段分为分米波（300MHz300MHz3000MHz3000MHz）、厘米波（）、厘米波（3GHz3GHz30GHz30GHz）及）及毫米波（毫米波（30GHz30GHz300GHz300GHz）和亚毫米波（）和亚毫米波（300GHz300GHz3000GH3000GH）四个波段。）四个波段。 在微波波段范围内，也使用着一些更为狭窄的在微波波段范围内，也使用着一些更为狭窄的具体波段名称，例如具体波段名称，例如1010厘米波段、厘米波段、5 5厘米波段、厘米波段、3 3厘厘米波段等等。在工程应用上，还习惯上用拉丁字母米波段等等。在工程应用上，还习惯上用拉丁字母来代表某特定波段

3、，例如来代表某特定波段，例如S S波段代表波段代表1010厘米波段，厘米波段，X X波段代表波段代表3 3厘米波段等。如表厘米波段等。如表1.1-1(a)1.1-1(a) 1.1. 似光性和似声性（短波特性）似光性和似声性（短波特性） 微波的波长极短，比地球上一般宏观物体（如飞机、微波的波长极短，比地球上一般宏观物体（如飞机、舰船、导弹、建筑物等）的尺寸相对小得，多或在同一舰船、导弹、建筑物等）的尺寸相对小得，多或在同一个数量级。因此当微波照射在这些物体上时，将产生显个数量级。因此当微波照射在这些物体上时，将产生显著的反射。其传播特性与几何光学相似，即具有所谓的著的反射。其传播特性与几何光学相

4、似，即具有所谓的“似光性似光性”，直线传播的特点。因此能制成体积小，方，直线传播的特点。因此能制成体积小，方向性强，增益极高的天线系统，接收来自地面或宇宙空向性强，增益极高的天线系统，接收来自地面或宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方向间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方向和距离。和距离。微波的两重性微波的两重性 微波的两重性指的是对于尺寸大的物体，如建筑物火箭、导弹微波的两重性指的是对于尺寸大的物体，如建筑物火箭、导弹它显示出粒子的特点它显示出粒子的特点即似光性或直线性而对于相对尺寸小即似光性或直线性而对于相对尺寸小的物体，又显示出的物体，又显示出波动性。波动性。微

5、波与微波与“左邻右舍左邻右舍”的比较的比较微波的微波的“左邻左邻”是超短波和短波，而它的是超短波和短波，而它的“右舍右舍”又是红外光波。又是红外光波。 微波与超短波和短波相微波与超短波和短波相比较，大大扩展了通比较，大大扩展了通信通道，开辟了微波信通道，开辟了微波通信与卫星通信通信与卫星通信微波与光波段比较光通过雨微波与光波段比较光通过雨雾衰减很大，特别是雾天，雾衰减很大，特别是雾天，兰光和紫光几乎看不见，兰光和紫光几乎看不见，这正是采用红光作警戒的这正是采用红光作警戒的原因。而微波波段穿透力原因。而微波波段穿透力强。强。1.1. 似光性和似声性（波长极短）似光性和似声性（波长极短）2.2.

6、信息性（频率极高）信息性（频率极高） 由于微波频率极高，故它的实际可用频带由于微波频率极高，故它的实际可用频带很宽，可达很宽，可达109Hz数量级，这是低频无线电波无数量级，这是低频无线电波无法比拟的。频带宽意味着信息容量大，这就使法比拟的。频带宽意味着信息容量大，这就使微波得到了更广泛的应用。微波得到了更广泛的应用。 如现代多路通信系统（卫星通信）；微波如现代多路通信系统（卫星通信）；微波信号可提供相位信息、极化信息，多普勒频率信号可提供相位信息、极化信息，多普勒频率信息，故在探测、遥感，目标特征分析等应用信息，故在探测、遥感，目标特征分析等应用中十分重要。中十分重要。1.1. 似光性和似声

7、性（似光性和似声性（波长极短波长极短）2.2. 信息性（高频特性）信息性（高频特性） 振荡周期极短（振荡周期极短（1010-3-31010-9-9秒），与电真空器件秒），与电真空器件中电子渡越时间的数量级（中电子渡越时间的数量级（1010-9-9秒）相同。因此普通秒）相同。因此普通静电控制的电子管中的电子渡越时间和极间电容、静电控制的电子管中的电子渡越时间和极间电容、引线电感的影响就不能忽略，普通电子管不能用做引线电感的影响就不能忽略，普通电子管不能用做微波振荡器、放大器或检波器等。反之利用电子渡微波振荡器、放大器或检波器等。反之利用电子渡越特性，却可制成微波电子器件，如速调管、磁控越特性，却

8、可制成微波电子器件，如速调管、磁控管、行波管和反波管等。它们在原理和构造上都与管、行波管和反波管等。它们在原理和构造上都与普通真空管有很大差别。普通真空管有很大差别。1.1. 似光性和似声性（波长极短）似光性和似声性（波长极短）2.2. 信息性（频率极高）信息性（频率极高）3.3. 穿透性穿透性 微波可以毫无阻碍地穿透电离层。对微波可以毫无阻碍地穿透电离层。对于人类来说，它是无线电波谱中的一个于人类来说，它是无线电波谱中的一个“宇宙窗户宇宙窗户”，通信质量远高于短波，为，通信质量远高于短波，为宇宙通信、导航、定位以及射电天文学的宇宙通信、导航、定位以及射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。研

9、究和发展提供了广阔的前途。 地球的外层空间由于日光等繁复的原因形成独特的地球的外层空间由于日光等繁复的原因形成独特的电离层，它对于短波几乎全反射，这就是短波的天波通电离层，它对于短波几乎全反射，这就是短波的天波通讯方式。而在微波波段则有若干个可以通过电离层的讯方式。而在微波波段则有若干个可以通过电离层的“宇宙窗口宇宙窗口”。因而微波是独特的宇宙通讯手段。因而微波是独特的宇宙通讯手段。1.1. 似光性和似声性（波长极短）似光性和似声性（波长极短）2.2. 信息性（频率极高）信息性（频率极高）3.3. 穿透性穿透性4.4. 非电离性（量子性）非电离性（量子性） 微波波段的电磁波，单个量子的能量为微

10、波波段的电磁波，单个量子的能量为10-610-3eV。而一般顺。而一般顺磁物质在外磁场中所产生的能级间的能量差额介于磁物质在外磁场中所产生的能级间的能量差额介于10-510-4eV之间，之间，因而电子在这些能级间跃迁时所释放或吸收的量子的频率是属于微因而电子在这些能级间跃迁时所释放或吸收的量子的频率是属于微波范畴的，因此，微波可用来研究分子和原子的精细结构。波范畴的，因此，微波可用来研究分子和原子的精细结构。 同样地，在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显著反应。同样地，在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显著反应。上述两点对近代尖端科学，如微波波谱学、量子无线电物理的发展上述两点对近代尖

11、端科学，如微波波谱学、量子无线电物理的发展都起着重要作用。都起着重要作用。 由于微波量子能量还不够大，可利用其探索物质的内部结构和由于微波量子能量还不够大，可利用其探索物质的内部结构和基本特征。利用这一特性和原理，可设计适用于微波波段的器件！基本特征。利用这一特性和原理，可设计适用于微波波段的器件！ 不少物质的能级跃迁频率恰好落在微波的短波段，不少物质的能级跃迁频率恰好落在微波的短波段，因此近年来微波生物医疗和微波催化等领域已是前因此近年来微波生物医疗和微波催化等领域已是前沿课题。沿课题。 计算机的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频计算机的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频率。超高速集成电

12、路的互耦也是微波互耦问题因此，率。超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题因此，微波的研究已进入集成电路和计算机。微波的研究已进入集成电路和计算机。 6. 微波研究方法主要有两种：场论的研究方法和网络微波研究方法主要有两种：场论的研究方法和网络的研究方法。这也是本门课程要学习的重要方法。的研究方法。这也是本门课程要学习的重要方法。其中场论方法的基础是本征模理论。网络方法的基其中场论方法的基础是本征模理论。网络方法的基础是广义传输线理论。础是广义传输线理论。& 研究的方法与低频不同。研究的方法与低频不同。 在低频线路中是采用在低频线路中是采用路路的概念和方法，而在微波电的概念和方法，而在微波电路中需

13、要采用路中需要采用场场的概念和方法。的概念和方法。 在低频电路中，电路的尺寸比波长要小得多，可以在低频电路中，电路的尺寸比波长要小得多，可以认为稳定状态的电压和电流的效应在整个电路系统各认为稳定状态的电压和电流的效应在整个电路系统各处是同时建立起来的，而电压、电流有完全确定的意处是同时建立起来的，而电压、电流有完全确定的意义，义，能对系统作完全的描述，这就是以能对系统作完全的描述，这就是以基尔霍夫方程基尔霍夫方程为核心的低频电路理论。为核心的低频电路理论。 在微波电路中，工作波长与电路尺寸可相比拟，甚在微波电路中，工作波长与电路尺寸可相比拟，甚至更小，因而在整个系统中，从源端起直至负载端，至更

14、小，因而在整个系统中，从源端起直至负载端，波已变化了若干个周期，这样，电磁场的相位滞后现波已变化了若干个周期，这样，电磁场的相位滞后现象（延时效应）不能再忽视了。此时，电压、电流等象（延时效应）不能再忽视了。此时，电压、电流等概念已失去明确的物理意义，只有用电磁场和电磁波概念已失去明确的物理意义，只有用电磁场和电磁波的概念和方法才能对系统作完全的描述。这就是以的概念和方法才能对系统作完全的描述。这就是以麦麦克斯韦方程克斯韦方程为核心的场与波的理论。为核心的场与波的理论。 微波的测量也以微波的测量也以功率功率、波长波长和和驻波比驻波比的测量代替了的测量代替了低频电路中的电压、电流的测量。低频电路中的电压、电流的测量。频率功率阻抗 振荡器、压控振荡器、频率合 成器、分频器、变频器、倍频 器、混频器、滤波器等频率计数器/功率计、频谱分析仪标量/矢量网络分析仪阻抗测量仪、网络分析仪阻抗变换、阻抗匹配、天线等 衰减器、功分器、耦