电磁场微波技术与天线-绪论

1、电磁场微波技术与天线电子信息与机电工程学院：戴宏跃TelQ:第0章 绪 论1、电磁频谱2、微波及其特点3、微波的应用微波技术已有几十年的发展历史，现已成为一门比较成熟的学科。在雷达、通信、导航、遥感、电子对抗以及工农业和科学研究等方面，微波技术都得到了广泛的应用。微波技术是无线电电子学中一门相当重要的学科，对科学技术的发展起着重要的作用。 第一章 绪论 微波是一种频率非常高的电磁波。把波长从1m到0.1mm范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3108Hz31012Hz。如下图所示。一、电磁频谱纵观“左邻右舍”它处于超短波和红外光波之间。电磁波谱中介于无

2、线电波与红外线之间的波段。属于无线电波中波长最短即频率最高的波段。微波的波长远远小于普通无线电波的波长。通常：波长1米1毫米，频率300MHz 300GHz。(中国:1米-1毫米, 美国:30厘米-0.3毫米)分为：米波、厘米波和毫米波。有时用一些特定字母来代表微波中的某一波段。二、微波及其特点波长范围频率范围（GHz）波段名称按波长按频率代号1m10cm0.33分米波特高频UHF普通无线电波与微波的过渡10cm1cm330厘米波超高频SHF1cm1mm30300毫米波极高频EHF微波（超高频）1mm 0.1mm3003000亚毫米波特高频UHF微波与红外的过渡微波波段划分如下:微波波段的代号

3、及对应的频率范围 波段代号标 称波长cm频率范围GHz波段代号标 称波长cm频率范围GHzL221.121.70Ka0.826.5040.00LS141.702.60Q0.7233.0050.00S102.603.95U0.6040.0060.00C53.955.85M0.4850.0075.00XC4.25.858.20E0.4060.0090.00X38.2012.40F0.2690.00140.0Ku212.4018.00G0.17140.0220.0K1.2518.0026.50R0.11220.0325.0其中：S、C、X：分别代表10cm、5cm、3cm波段。U、Ka ：68mm为

4、80s中期用得较多的通信频段.W(3mm)：实际上是卫星通信的主流频段。CK ：为早期的微波通信频段，80s 后较少用。家用电器、通信频率相对较低：KHz3G。名称频率范围调幅无线电5351605kHz短波无线电330MHz调频无线电88108MHz商用电视频率范围13频道48.572.5MHz45频道7692MHz612频道167223MHz1324频道470566MHz2568频道606968MHz微波炉2.45GHz家用电器的频段微波特点：1.似光性（波长短） 微波波长较短时： 当微波的波长比地球上的宏观物体(如飞机、舰船、导弹、卫星、建筑物等)的几何尺寸小得多时，微波照射到这些物体上时

5、将产生强烈的反射。 此直线传播的特点与几何光学相似，故可以说微波具有“似光性”。利用这一特殊，可以制成体积小、方向性很强的微波天线，用来发射或接收微弱的微波信号，从而为雷达、微波中继通信、卫星通信和导弹等提供必要条件。 微波最早的应用实例雷达。微波波长较长时： 当微波的波长与实验设备（比如波导、微带、谐振腔呈其它微波元件）的尺寸相比在同数量级时，使得电磁能量分布于整个微波电路之中，形成所谓“分布参数”系统。 这与低频电路有原则区别，因为低频时电场和磁场能量是分别集中于所谓“集总参数”的各个元件中。 因为微波波段的振荡周期在10-910-13s数量级，而普通电真空器件中电子的渡越时间一般为10-

6、9s数量级，就是说二者属于同一数量级。于是，在低频时被忽略了的电子惯性，亦即电磁波与电子间的相互作用、极间电容和引线电感等的影响就不能再忽视了。普通电子管已不能用做微波振荡器、放大器或检波器了，代之而来的则是建立在新的原理基础上的微波电子管、微波固体器件和量子器件，同时伴随频率的升高、高频电流的趋肤效应、传输系统的辐射效应以及电路的延时效应（相位滞后）等明显地表露出来。 由于微波频率极高，它的实际可用频带很宽，可达109Hz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，因而微波可作为多路通信的载频。另外，微波受外界干扰小，且不受电离层变化影响，通信质量高于低频无线电波。2. 频率

7、高3. 具有穿透性利用微波本身的高频振荡，微波可以穿透电离层。由于微波不能被电离层所反射，所以微波的地面通信只限于天线的视距范围之内，远距离微波通信需要用中继站接力。另一方面，利用微波能穿透电离层，可以利用微波进行宇航通信、卫星通信和射电天文学研究等，因此微波开辟了电磁波谱中的一个的“宇宙窗口”。 微波还可以穿过生物体，即能够深入物质（介质）内部，研究分子和原子核的结构， 是近代微波波谱学和量子电子学所依据的基本物理基础。宇宙窗口 在微波波段有若干个可以通过电离层的“宇宙窗口”，因而微波是独特的宇宙通讯手段。4. 量子特性由于低频电波的频率很低，量子能量很小，不足以改变物质分子的内部结构或破坏

8、分子间的键，量子特性不明显。微波波段的电磁波，单个量子的能量为10-6 10-3eV。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10-510-4eV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都起着重要作用。 利用此特性和原理，可研制适用于许多微波波段的器件。微波似光性定位天线 频率高 多路通信 穿透电离层 天文学研究 量子特性 微波波谱学 微波的特点归纳起来主要为以下几方面：（a）雷达：军用、民用（防撞

9、、测速、气象）（b）电子战( EW )：侦察、欺骗、干扰、摧毁（c）无线通信：卫星通信与导航、微波中继通信（d）微波能： 和平利用 三、微波的应用 军事应用：雷达目标跟踪、导弹制导、火炮瞄准、测量、预警通讯点对点（保密）电子对抗干扰和抗干扰 微波武器微波炮、微波弹、微波武器平台(集雷达侦察与火控制导、超强干扰和定向能攻击于一体的多功能电子对抗平台) 三、微波的应用 民用 雷达气象、导航、汽车防撞、遥感 通讯中继通信、多路通信、卫星通信、 广播电视 微波加热应用食物制作（微波炉）、材料烘干（干燥机）、消毒（牛奶、医用）、微波治疗（癌症、前列腺疾病和理疗等）三、微波的应用 科学研究： 加速器核医学

10、、对撞机等 等离子体加热核聚变能源 射电天文观测 微波与物质相互作用材料的微波处理烧结、合成、改性微波化学加速反应过程微波生物效应改变生物成长过程三、微波的应用历史的脚步最早的微波传输实验-1931Hertz1913 Marconi1901 电真空管1908最早的火控雷达最早的微波集成电路（64-68， TI公司研制）2022/9/21单极天线 2022/9/21八木天线产品名称:八木天线HD-1920YAGI10极化:H/V水平波未宽度:50垂直波未宽度:60增益:10.0dBCONNECTOR:N-50KVSWR:1.52022/9/21对数周期天线产品名称：偶极子天线产品型号：HD-18

11、22频率(GHz):1.8-2.2材料:铝VSWR Max. 1.52022/9/21双锥天线 对数螺旋天线 盘锥天线 对称振子天线环天线对数周期天线 波纹喇叭天线 宽带喇叭天线双极化喇叭天线 圆极化喇叭天线 高增益栅状抛物面天线扩频天线 背射天线 产品型号：HD-22RA1200频率(GHz):1.82.6直径（mm）:1200带宽（GHz）:12增益(dB)27.5波未宽度:6.7VSWR Max. 1.5旁瓣电平（dB）-18极化方式: V，H，LR，R 抛物面天线 2022/9/21DH8910宽带全向天线 频率范围：100MHz1300MHz。 增 益： 2dB （典型值 电压驻波比

12、： 接头形式： N(K) 外型R寸： 用 途 ：适合于电磁兼容测量和移动通信使用 ，尤其适合舰船和固定监测站使用2022/9/21全向天线2022/9/21定向双极化天线2022/9/212022/9/21比较好的65度振子比较差的65度振子2、天线类型及各部件材质介绍-天线振子2022/9/21比较好的90度振子比较差的90度振子2、天线类型及各部件材质介绍-天线振子2022/9/21室内用的吸顶天线GJL-861交通管制雷达精密跟踪雷达J-231中程警戒雷达 具有良好的反隐身能力和抗反 辐射导弹能力；工作可靠性高，集成化和固态化程度高；自动化程度高，操作简单，环境舒适及机动性强；雷达录取数

13、据可通过数据通讯进入雷达情报网。技术指标距离探测方位 大于等于260KM 方位探测距离 0度-360度连续工作时间 大于12小时环境温度 零下40度-50度 相对湿度 95-98%(30度）接收机噪声系数 小于等于3dB接收机中频带宽 15050kHz天线转速 0.5-4r/minSMART-L is a 3-D, D-Band, fully automatic volume search radar.LW 08 2D, L-Band Radar for long range air and surface surveillance. 2022/9/212022/9/21岸防侦校雷达 防空火控

14、雷达 超低空搜索雷达 自行搜索雷达 中程侦校雷达雄蜂2反舰导弹雷达导引头炮瞄雷达炮瞄雷达是用于自动跟踪空中目标，测定其坐标，并通过指挥仪控制高射炮瞄准射击的雷达。又称火炮控制雷达。世界上第一部炮瞄雷达是美国陆军通信队于1938年研制成功的SCR268型雷达。它用于控制探照灯在夜间照射目标，引导高射炮对目标射击，但还需手动控制高射炮跟踪目标。1943年，美国又研制成功微波炮瞄雷达SCR584，这是第一部自动跟踪炮瞄雷达。它与指挥仪配合，大大提高了高炮射击的命中率。1944年德国发射V1导弹袭击伦敦时，最初英国击落1枚V1平均需发射上千发炮弹，而使用SCR584后，平均仅需50余发炮弹。今天几乎所

15、有高射炮都装备了炮瞄雷达。在速度快、机动性好的的现代作战飞机面前，没有炮瞄雷达的高炮就如同瞎子一般。电子战 电子侦察机美军EP3白羊座电子情报侦察机EP-3E乘员24名，典型情况下，EP-3E有3个飞行员（EP-3E长达12小时的滞空时间需要两组飞行员换班），1个领航员，3名战术评估人员和1个飞行工程师。剩余的人员是电子战装备操作员，技术专家和机械师。EP-3E的电子战人员由有以下几部分组成：电子战任务指挥官Electronic Warfare Mission Commander (EWMC)电子战机长Electronic Warfare Aircraft Commander (EWAC)资深

16、评估员 Senior Electronic Warfare Tactical Evaluator (SEVAL)电子战操作员Electronic Warfare Operator (EWOP) 技术参数：4台艾利逊T56-A-15涡轮螺旋桨发动机，每台功率3,661Kw；机长35.61m、机高10.27m、翼展30.38m；最大起飞重量64,410Kg；最大时速701Km/h4,570m；巡航速度333Km/h。 EP-3电子情报侦察机是在P-3奥立安反潜巡逻机基础上改进的，用于取代洛克希德EC-121星座电子情报侦察机。首批EP-3A白羊座使用P-3A改装，去掉尾部的磁异常探测针，安装了一些

17、电子分析装置和附加的雷达天线罩，但还没有安装机腹下的圆形雷达。1969年，又使用P-3B改装了两架EP-3B，在1975年，在P-3C基础上又改装了10架EP-3E白羊座II，原先的两架EP-3B也升级到EP-3E标准。这12架EP-3E都交付到部署在关岛的VQ-1特种航空侦察中队和西班牙洛塔航空站的VQ-2特种航空侦察中队。日本川崎也用P-3C改装成EP-3装备日本海上自卫队。EP-3E与原来的P-3C相比，机上的反潜设备统统拆除，取而代之的是分析雷达信号的电子设备安装在EP-3E飞机上新型电干设备包括：联合技术实验室的ALQ-110信号收集系统、ALD-8无线电方向探测器、ALR-52自动

18、频率测量接收机、ALR-60多路无线电通讯录音装置。 在外观上EP-3E飞机和P-3飞机的不同之处是前机身下有1个圆形雷达罩，机身上、下各有1个长方形黑色天线罩。这些飞机的任务是搜集、储存和分析由雷达和无线电设备发出的信号。美国海军VQ-1特种航空侦察中队的EP-3E经常从日本起飞，沿我国海岸线飞行，搜集我国防空雷达和通讯系统的电磁波频率、信号特征，获得这些情报后，便可以利用在识别、干扰、破译等用途中。 电子战 空中预警机“预警机”又叫“空中指挥预警飞机”，被誉为“信息化条件下空军战斗力的倍增器”，是一种集指挥、控制、通信和情报功能于一体的高技术装备。在现代条件下，如果没有预警机就很难有效地组

19、织大规模空战。因此，有人形象地把预警机称为信息化条件下作战的“空中领袖”。 美军E2C预警机美国诺斯罗普公司推出最新型E-2D预警机美军E-3“望楼/哨兵”远程空中预警机波音公司据美国空军“空中警戒和控制系统”计划研制的全天候远程空中预警机。共有84架，美空军定货34架，向北约出口18架，向英国出口7架，向法国出口5架，向沙特阿拉伯出5架。E-3A型主要机载设备：雷达、敌我识别、数据处理、通信、导航与导引、数据显示与控制六个分系统；空重78000千克，最大起飞总重147000千克，最大平飞速度853公里/小时，实用升限12200米，执勤巡航速度M0.6，执勤续航时间68小时。美军E2系列“ 鹰

20、眼”预警机A50预警机（A50+费尔康）俄罗斯A-50“中坚”预警机70年代末开始研制，雷达探测距离400-600公里），在飞机头部有空中加油受油管，头部整流罩内有气象雷达，头锥下后方雷达罩内估计是地形测绘雷达，机翼上突起的天线罩内为卫星天线，机身腹部前后两侧的天线罩内为电子对抗监视天线。垂尾根部有辅助动力装置进气口，尾部有天线罩。翼尖有电子侦察舱，舱的外侧有大气采样口用于监测核、生、化污染。 台湾空军目前拥有6架E-2C预警机中国海上霸王预警机改型运八双机编队在运八机体上改进而成的KJ200预警机中国平衡木预警机 电子战 雷达克星“百舌鸟”空对地反辐射导弹 (AGM-45A)世界上第一种实战

21、使用的空对地反辐射导弹，利用地面跟踪雷达波束进行制导，专门用来对付跟踪飞机的地面雷达，如高炮用炮瞄雷达等。年代末在越南战场上曾广泛使用，共发射了枚以上，中东战争中也曾广泛使用。最大射程为千米，最大速度倍音速，弹长.米，弹径.米，全弹质量千克。哈姆（HARM AGM88）反雷达导弹研制国家: 美国使用国家: 美国和另外12个国家服役时间: 1985长： 4.17米体直径： 25.4厘米翼展： 1.13米发射重量： 361千克 弹头： 66千克爆破碎裂弹头 制导： 被动雷达引导推进： 聚硫橡胶固体推进器射程： 25公里单价：28.4万美元速度：1216公里/小时 反雷达导弹由弹体、战斗部、动力装置

22、、制导装置等组成。战斗部重量一般在200千克以内，常用普通装药，由触发或近炸引信起爆。动力装置一般采用固体火箭发动机。制导方式多采用被动式雷达寻的制导或复合制导。多数反雷达导弹的发射重量为数百千克，射程在100千米以内。 空地反雷达导弹，通常用于攻击选定的目标。发射前要对目标进行侦察，测定其坐标和辐射参数,并用机上侦察和指示设备进一步测定目标的准确坐标，当目标处于导弹有效发射区内时即可发射。最早的反雷达导弹是美军1964年装备的“百舌鸟”（AGM-45A）。美国也是研制和装备反雷达导弹最多的国家，20世纪60年代末装备了“标准”（AGM-78），80年代初装备了“高速反雷达导弹”（AGM-88

23、A）；英、法联合研制的“战槌”（AS.37）反雷达导弹于70年代初开始装备部队；法国研制的“阿玛特”反雷达导弹于80年代初开始装备部队；前苏联研制的AS-5、AS-9分别于60年代和70年代中期开始装备部队。除上述空地反雷达导弹外，美国还研制了舰舰、空空等类型的反雷达导弹。国产飞腾2000（FT2000，H9变种之一）反辐射地空导弹简介：车载4联装垂直发射，作战斜距12-100公里，射高3-20公里。主要用于反空中辐射飞机（空中干扰机、预警机和空中控制系统飞机）。一个宽频被动雷达导引头，采用被动方式跟踪目标，探测源频率范围218千兆赫(即S-Ku波段)，可同时攻击多个空中目标。弹径466毫米，

24、弹重1300千克，弹长6.8米，外观与俄S300导弹相似。（北京长峰机电技术研究设计院（著名的航天机电集团二院）代表作：H9家族。）鹰击91超音速反辐射导弹（仿俄罗斯KR1,计划由SU30K、JH7携带。射程150公里 , 发射重量700公斤,弹头重量110公斤,长度4.7米,直径0.36米)航天部三院：拳头产品是鹰击系列反舰导弹和红鸟系列巡航导弹，包揽除上游 系列外所有反舰导弹的研制。中国重装甲部队电子战装甲车2022/9/21电子战 高能微波摧毁军用高功率微波武器 - HPM可选择：在不杀伤敌人和平民操作者的情况下破坏计算机、军事设备以及其它电子设备，提供了一种新的干扰手段；彻底摧毁！宽波

25、束，有效距离较短，近期还不能在天基武器系统中使用。频率可高达100GHz，能同时具有热和电子学的效应，是激光武器的很好补充，与各种材料发生作用时产生不同类型的破坏。 无线通信 卫星通信与导航 微波接力通信 移动通信一般由6个分系统组成：（1）天线分系统。地面站的天线面向通信卫星，其直径一般是10.3米，由天线本身，馈电部分，跟踪部分和驱动部分组成。（2）发射分系统。将音频和视频信号调制到工作波段的载波上，经大功率放大后，经天线发向卫星。（3）接收分系统。接收来自卫星的信号，经放大和检波后，再发送到终端系统。（4）终端分系统。由载波电话、电视终端、传真终端和数据终端组成。（5）通信监控分系统。负

26、责对地面站内的各种设备进行监视、控制和定期测试。（6）电源分系统。为地面站设备提供电源。卫星通信上行站散射通信（战略后备通信系统）通信卫星地面站 卫星移动通信系统是为舰船、车辆、飞机、边远地区用户提供通信手段的一种卫星通信系统，对解决大量稀路由通信地区的通信、客运、货运、海运、旅游、航空、抢险救灾、野外勘探、公安侦察、部队调动等等移动载体的“动中通”业务，甚至个人全球通信业均具有举足轻重的作用和灵活独到的优势。同一般的地面移动通信系统如蜂窝电话、专业化移动无线电装置、第二代无绳电话和未来的个人网络相比，卫星移动通信系统在覆盖范围方面存在着截然不同的特点。行进中的移动用户可能穿越若干个地面蜂窝单

27、元，但它不可能跨出一个卫星单元；另外，地面系统非常适合于城市及主要公路沿线的移动系统，而卫星移动通信不仅包容了地面系统的有效覆盖范围，又把触角延伸到海陆空的任何地区。 自从国际海事卫星组织开发卫星移动通信系统以来，经过20年的发展，它与卫星通信的其它业务相辅相成，已经延伸到海洋、陆地和空中的许多地方。 目前，高轨道同步卫星在区域性移动通信中扮演了很好的角色，五花八门的中低轨道卫星移动通信方案相继问世，有些方案已经或正在变成现实。一个卫星移动通信业务遍及全球的时代不再是遥远的事情。卫星移动通信GPS系统的特点1、 全球，全天候工作。 能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。2、 定位精度高。 单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3、 功能多，应用广。 随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 GPS 简介全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从历时20年，耗资200亿美元于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航