微波技术第1章-绪论课件

1、 微波技术是20世纪初发展起来的，特别是第二次世界大战中雷达的研制加速了微波技术的发展，使其成为一门独立的学科。它是高等工科院校电子类专业的一门重要技术基础课。第一章 绪 论 自由空间中，电磁波的波长与频率 f 的关系为 : = c/ f 其中, c 为光速 c =3 108 m/s电 磁 波 谱 (参见表1-1)普通无线电波 (从超长波到超短波) 微 波红 外 线可 见 光x 射 线 射 线 长 短第一节 微波及其特性 一、微波的概念及波段的划分 微波:频率为300MHz3000GHz的电磁波, 对应的波长1m0.1mm。（ 1T =103 G， 1G =103 M，1M=106 ）微 波

2、波 段 划 分波段名称波长范围频率范围频段名称分米波10010cm0.33GHz超高频(UHF)厘米波101cm330GHz特高频(SHF)毫米波101mm30300GHz极高频(EHF)亚毫米波10.1mm3003000GHz超极高频一般将微波分为四个波段: 分米波、厘米波、 毫米波、亚毫米波。表1-2 微波波段的代号及对应的频率范围波 段频率范围(GHz)波 段频率范围(GHz)UHF0.301.12L1.121.70LS1.702.60S2.603.95C3.955.85XC5.858.20X8.2012.40Ku12.4018.00K18.0026.50Ka26.5040.00Q33.

3、0050.00U40.0060.00M50.0075.00E60.0090.00F90.00140.00G140.00220.00R220.00325.00 为了工程应用的方便，国际上 又把微波波段更细地划分并给予相应的表示符号。如表1-2所示。 S 波段 10 cm波段， C 波段 5 cm 波段， X 波段 3 cm 波段， Ku 波段 2 cm 波段， K 波段 1.3cm波段， Ka 波段 8 mm 波段， U 波段 6 mm 波段， F 波段 3 mm 波段等等。 某些波段习惯上的称谓：二、微波的特点1. 似光性 微波的波长很短 ，其传播特性与光相似 ： 直线传播，有反射、折射、绕射

4、、干涉等现象，某些几何光学原理仍适用于微波。似光性是微波雷达、微波多路接力通信的应用基础。 利用几何光学原理，构成各种微波天线，可形成很强的窄波定向辐射( /l )。2. 穿越电离层的透射特性 地球外围有对流层、同温层、电离层和外层大气等。60 300km高空的电离层对 l 较长的电磁波产生强烈的折射和吸收。 微波利用本身的高频震荡，可穿越电离层直至外层空间，从而开辟了无电线波谱中的一个“ 宇宙窗口 ”。微波的频率很高、波长很短，主要有以下特点：电离层微 波(空间波)天波地波 微波能穿越电离层的透射特性,给空间通信、星际通信、卫星导航、卫星通讯、遥感遥测和射电天文学的研究提供了难得的无线电通道

5、；可将太空中的太阳能发电站的电能传送到地面以供利用。还可用它来测量受控热核反应中的等离子体的参数。3. 频率高 (1) 微波波段频率高，频带宽，信息容量大。 微波波段：300MHz3000GHz，频带宽为 f1 ， 普通无线电波：3KHz300MHz，总的频带宽 f2 ；f1 /f2 =10,000 一般, 通信系统所传输的信息量与系统的 f 成正比。仅此，微波的通信容量是超长波到超短波总和的一万倍。 要解决由于广播、电视、电讯高速发展而引起的无线电波段日益拥挤、相互干扰严重的问题, 唯一的办法是向高频段发展。 要求信息高速传输, 需用更高频率的电磁波作为载波, 因此，微波通讯得到高速发展。

6、电子计算机正向更高的运算速度飞跃，P 的主频达 3 GHz (微波波段)，这就必须用微波技术的概念解决芯片之间的脉冲反射(失配引起)和串扰(互耦引起)等问题。 地球周围充斥着各种各样的噪声和干扰。大多数干扰的电磁能量的频谱集中在数兆、数十兆赫低、中频域内。 在微波频段, 信号与干扰的频率成分差别很大, 低频干扰易被微波滤波器阻隔。因微波受外界干扰小, 且不受电离层变化的影响，其通信质量高于普通无线电波。(2) 微波频率高，抗低频干扰能力强。(3) 传输微波的电路是分布参数电路。 微波频率高, 振荡周期(10-9 10-12 s)与低频器件电子的渡越时间 ( 一般为10-9 s ) 属同一数量级

7、。低频电路可忽略的一些物理现象如极间电容、引线电感、趋肤效应和辐射效应等, 在微波段则特别明显，必须考虑。因此，传输微波的电路是分布参数电路，使用的器件是特殊的微波器件。4. 散射特性 当电磁波入射到某物体上, 除了产生部分反射外, 入射波还会在物体上激起感应电流，而引起向各个方向的二次辐射，称为散射。 散射是入射波和散射体相互作用的结果，故散射波携带有关于散射体的频域、时域、幅度、相位、极化等多种信息。可以通过对不同物体的散射特性的检测，从中提取目标特征信息，进行目标识别，这是实现微波遥感、雷达成像、微波散射通信等的基础。5. 量子特性微波具有波粒二重性。 根据量子学理论, 电磁辐射的能量不

8、是连续的，而是由一个个“能量子”组成, 每个量子的能量 E = h f (其中, f 为频率，普朗克常数 h = 6.62610-34 Js )。 微波的频率很高, 其量子能量范围约在10-5 10-2 eV，低功率电平下，微波的量子特性才明显地表现出来。 一些分子和原子的超精细结构能级落在微波波段，顺磁物质在磁场作用下的能级差也落在这一波段。因此，微波可用来研究物质的结构，从而形成近代尖端科学，如“微波波谱学”、“量子无线电物理”等。第二节 微波技术的发展和应用一、微波技术的发展 微波技术在日益广泛的应用中不断发展与完善。目前，就其发展方向来看，有以下几个特点：二战期间雷达的研制推动了微波技

9、术的飞速发展。 上世纪60年代以后， 微波通信、卫星通信兴起；上世纪70年代以来, 扩大到遥感、医疗、无损检测和能源等领域，并相继形成微波波谱、微波生物、微波超导等交叉学科。80年代开展了对目标反射特性的深入研究，已能利用反射回波的差异来识别地形地物，识别金星上的山脉，甚至能识别飞机的型号。还有隐身、反隐身技术等等。上世纪90年代初，微波技术在海湾战争的电子战中大显身手。 1. 工作频段不断向高频段扩展。分米波厘米波毫米波亚毫米波, 进而迈入光波。2. 微波元器件及整机不断向小型化、宽频带发展。 微波元器件经历了从电真空器件到半导体微波器件、从分离元件到集成电路的发展过程; 目前正开发研究超导

10、微波元器件。 整机设备不断向体积小(微微波技术)、重量轻、宽频带、可靠性高和寿命长方向发展。3. 微波系统日趋向自动化、智能化和多功能化和集成电路化。 随着科学技术、特别是计算机技术的普及，各学科之间的相互渗透，促使微波设备、系统和测试仪器系统也逐步实现自动化、智能化、多功能和集成电路一体化。二、微波的应用微波应用广泛，主要有： 雷达发现目标 利用微波信号准确地测定目标的方向、距离和速度, 以实现对运动目标的定位、 跟踪和识别。 军用的有制导雷达、跟踪雷达、警戒雷达、炮瞄雷达等；民用的有导航雷达、遥感雷达、气象探测雷达、医用雷达、盲人雷达、防盗雷达、汽车防撞雷达、以及机场交通管制雷达等。1.

11、雷达 ( Radar : Radio detection & ranging )我国对空警戒引导雷达REL-1我国大型三坐标雷达JY-14相控阵雷达 控阵天线是由数行数列天线单元组成的阵列天线。这些天线单元辐射波束都是相干的，控制各天线单元辐射波束的相位，可以改变整个阵列天线辐射的雷达波的指向，达到雷达波束空间扫描的目的。采用相控阵天线的雷达称为相控阵雷达。 相控阵天线的波束进行扫描时，天线不动，通过电子计算机控制各辐射单元的相位，可使波束指向在数十微秒内变换到天线搜索范围内的任意方向 ( 实际使用的平面天线阵的最大扫描角为 45 60), 具有机械扫描雷达无法实现的扫描速度和变换灵活性。 我

12、国在上世纪70年代已研制出方位、仰角两维相位扫描的相控阵雷达。 雷达技术军事运用的进一步发展就是电子对抗技术，又称电子战。 束能武器“三兄弟”：激光武器、粒子武器和微波武器。它们的共同特点是将激光、粒子和微波等高能粒子集束而定向发射出去，又称定向能武器，是目前最主要的新概念武器。 号称 “神鞭”的微波武器在现代战争中具有多种用途，即是摧毁电子系统的杀手，又是攻击隐形武器的“利器” 。 微波武器能够攻击所有带电子部件的武器系统，如军用雷达、精确制导武器、各种武器平台、自动化指挥台等，特别是其中的计算机系统，是它重点攻击对象。 目前，武器隐形的主要手段是靠吸波材料和外表面的吸波涂料来吸收雷达波。对

13、于普通探测雷达发射的低能量电磁波，隐形武器的吸波材料完全可以将其吸收掉；而对于微波武器发射的高能量电磁波，隐形武器的吸波材料无疑于“引火烧身”。 最初是干扰敌方的雷达回波，进而要求测定敌方雷达位置、工作频率以及其它工作参数等以提供重要的军事情报，并设法摧毁之。敌方在不断改进其技术以进行反对抗。 电子对抗所应用的主要的技术是微波技术。其中，微波武器是现代电子战、电磁战、信息战不可或缺的基本武器。图1-2 微波中继通信示意图 中继站 50公里(1) 有线通信 利用同轴电缆同时传送几千路电话和几路电视。(2) 无线通信2. 通信1) 微波多路接力通信 利用微波中继站(图1-2)来实现高效率、大容量的

14、远程通信。 2) 卫星通信 微波能穿透电离层，可用于卫星通信和宇航通信 。微波频带宽，信息容量大，可用于多路通信。图1-3 卫星通信示意图 微波卫星通信(图1-3)，实际上是将中继站设立在人造地球卫星上微波中继通信。 通信卫星里有微波转发设备，它把卫星地面站发射的微波信号用天线接收下来，经过变频放大再转发给另一个地面站，完成微波通信任务。 除了大型的卫星地面站，还有许多种移动地面站，如飞机、船舶、舰、艇、车辆等都能装置中小型移动地面站。无论何时何地，这些移动中的物体都可以通过通信卫星对世界各地进行通信。通信卫星大型站机载站艇载站舰载站车载站中小型站各 种 卫 星 地 面 站图1-1 利用地球同

15、步卫星实现全球通信 目前广泛使用的是赤道上空距地面约36000km的同步轨道上的同步卫星(图1-1)，利用外层空间三个互成 120 的地球同步卫星，就能实现全球通信和电视实况转播。3) 散射通信利用对流层对微波的散射作用进行远距离通讯。 微波遥感器是一种先进的遥感器，被称为巡天遥看的神眼，其原理是根据物体对微波的反射和辐射特性，对物体进行探测鉴别。3. 遥感遥感技术是指各种非接触的、远距离的探测技术。 利用微波进行遥感，有其独特的优点： (1) 具有全天候的工作能力, 不受昼夜、阴晴等天气的影响； (2) 微波对地表植被、干燥冰雪有一定的穿透能力； (3) 收集资料受地理条件的限制较小，而且能

16、及时反映地面的动态情况。 利用微波遥感器，在当今世界里，地球表面再也没有神秘的禁区可言。 卫星微波探测 的北极地图4. 科学研究 各种物质对微波的吸收不同，可用来研究物质的内部结构； 利用大气对微波的吸收和反射特性，来观察气象的变化； 在射电天文学中，利用微波作为一种观测手段，可发现星体，研究宇宙的演变。 5. 生物医学 用微波进行疾病诊断和治疗, 如用微波理疗仪对病灶进行局部辐射以杀死病变细胞, 治疗癌症等; 用微波针灸治疗风湿、关节炎等疾病。 6. 微波能 微波除被用作传递信息的载波外, 其自身携带的能量作为一种能源被加以利用。如利用微波与水分子相互作用产生热效应, 用大功率微波辐射使木材

17、、橡胶、烟草、织物等快速烘干；农业上用于杀菌、除虫及处理种子等；家用微波炉的能量利用率高、烹调食物快而且干净。 在未来的能源开发方面，利用空间站将太阳能转变为直流电流，再转换成微波能量发射回地面接收站，最后将接收的微波能转换成直流电能，供人类使用。图1-5 利用微波把卫星功率站的能量传递到地面 近年来，由于因特网的飞速发展，人们已广泛地用到双绞线(双导线的特例)、同轴线和光纤；而CPU的工作频率也已高达3GHz。这些都和微波技术密切相关。 大功率 、 长时间的微波辐射对人体有损害，人体最易受微波伤害的器官是眼睛和神经系统等，一般，微波对人体的辐射强度不应超过 5mW/cm2 ，大于这个标准应采

18、取保护措施。 同时，微波又与其它学科互相渗透而形成许多边缘学科，如微波天文学、微波生物学、微波波谱学、微波超导电子学、微波成像学、微波光学和微波声学等。所以，微波有信息“公共汽车”之称。第三节 微波技术的研究方法和基本内容一、研究方法 研究微波的传输特性有 “场” 的分析方法和 “路” 的分析方法，二者紧密相关、相互补充。 “场”的分析方法: 研究、解决不同边界条件下的麦克斯韦方程组的求解问题。 “路”的分析方法：把微波传输线作为分布参数电路处理 ，用基尔霍夫定律建立传输线方程，分析电压电流的时空变化规律及各种传输特性。 此外，在基本理论指导下的实验研究具有十分重要的意义。二、本课程的基本内容 微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科。 1. 微波技术基础部分： 主要研究微波传输方面的基本理论 ，解决该学科中的主要概念和方法。 “