绪论-微波技术1分解课件

2011级通信工程专业微波技术与天线教材：《微波技术与天线》西安电子科技大学出版社

刘学观，郭辉萍

主编黄秋元huangqy@QQ:67330056通信技术研究所/ict/2011级通信工程专业微波技术与天线教材：《微波技术与天线》微波的范围.微波的应用.学习注意事项微波的特点

微波在我们的生活中有着广泛而重要的作用，首先让我们来认识一下微波。目录绪论1微波的范围.微波的应用.学习注意事项微波的特点什么是微波

微波是电磁波谱中介于普通无线电波与红外线之间的波段,在微波波段内部又可划分为分米波.厘米波和毫米波.300MHz3000GHz可见光1m电磁波谱20.1mm频率波长3GHz30GHz300GHz10cm1cm1mm普通无线电波红外线紫外线分米厘米毫米亚毫米微波中波短波超短波长波微波波段的划分波段代号波段代号频率范围/GHG频率范围/GHGUHF0.3～1.12Ka26.5～40L11.2～1.7Q33～50LS1.7～2.6U40～60S2.6～3.95M50～75C3.95～5.85E60～90XC5.85～8.2F90～140什么是微波微波是电磁波谱中介于普通无线电波与红无线电波的特性与用途3不同频率的电磁波，其传播特性不同，适用场合也不同：？频率分类频率范围波长范围传播特性代表性用途超长波长波短波微波3kHz～30kHz30kHz～300kHz3MHz～30MHz300MHz～3000GHz长波可以沿着地球弯曲的表面传播到很远,短波可以借助电离层反射返回地面以达远距10万～1万公尺1万～1千公尺100～10公尺1公尺～0.1毫米长距离的航海通信，潜艇与地面通信国际广播中波300kHz～3000kHz1千～100公尺天波,地波并存近距离无线电广播和无线电导航？这种传播方式叫地波离传播,这种传播方式叫天波无线电波的特性与用途3不同频率的电磁波，其传播特性不同，适用微波的特点

顾名思义“微波”是波长极短，频率极高的电磁波。当然，波长的长与短、频率的高与低都是相对的,但是，量变积累到一定程度，便要产生质变，形成自己独特的风格和本领。对于微波来说，他的特点如下：1.微波具有似光性2.微波可以穿越电离层3.微波具有宽频带特性4.微波抗低频干扰能力强4普通电波微波光波微波的特点顾名思义“微波”是波长极短一微波的似光性演示5a.微波是视距传播530m100km弧形地球表面视线距离终端站甲终端站乙地面远距离微波通信需要建中继站中继站100m40km50公里一微波的似光性演示5a.微波是视距传播530m1微波的似光性1.光波可以通过抛物面反射镜形成强烈的定向照射。2微波也可以通过尺寸很小的（1m左右）抛物天线形成很强的定向辐射。6b.微波可通过抛物天线定向辐射抛物天线发射电磁波的波束角约等于D--抛物面直径--为波长短波段的最短波长微波波长微波的似光性1.光波可以通过抛物面反射镜形成强烈的二微波穿透电离层外层大气50050平流层H:公里对流层+++---电离层不同无线电波的传播途径201000003085中间层微波短波无线电窗口:1-10千兆赫,20-30千兆赫,91千兆赫附近的微波受云雾,雨雪等的影响不大,可以较为容易地由地面向外层空间传播.这种现像称为”无线电窗口”.7大气层臭氧层长波二微波穿透电离层外层大气50050平流层H:公三宽频带特性频率分类频率宽度频率范围容量倍数关系微波分米波厘米波毫米波短波3MHz--30MHz300MHz--3GHz3GHz--30GHz30GHz--300GHz30-3=27MHz3-0.3=2.7GHz30-3=27GHz300-30=270GHz2.7GHz/27MHZ=100倍27GHz/27MHZ=1000倍270GHz/27MHZ=1万倍短波通信微波通信演示演示堵塞畅通信息8频带宽度27MHZ毫米频带宽度270GHZ三宽频带特性频率分类频率宽度频率范围容量倍数关系四微波抗低频干扰能力强微波频段对低频干扰具有天然“免疫力”。宇宙电磁干扰天电干扰工业干扰9长波中波短波超短波干扰在低频,中频区以下的频域内微波干扰区4.微波抗低频干扰能力强1.微波具有似光性2.微波可以穿越电离层3.微波具有宽频带特性综上所述,微波具有鲜明的个性:四微波抗低频干扰能力强微波频段对低频干扰具有天然“免疫力麦克斯韦1868年预言电磁波的存在赫兹1888年证实电磁波的存在马可尼1895年发明了微波技术的发展简史微波的传统应用10波波夫农作物地面遥感微波雷达微波抗癌仪卫星通信无线电通信微波橡胶连续硫化设备微波药丸烘干机气像雷达家用微波炉麦克斯韦1868年预言电磁波的存在赫兹1888年证实电磁波的微波雷达11YZ雷达监视屏tsDxH雷达是无线电定位的简称(radiodetectionandranging的缩写)演示测速雷达孔径雷达探地雷达气像雷达微波雷达的突出优点是:能用较小的天线尺寸得到较窄的天线波束,外部噪声较低,全天候不受云层覆盖的影响.微波雷达11YZ雷达监视屏tsDxH雷达是无线电微波中继通信12演示典型微波通信线路示意图中继站终端站枢纽站分路站包括天线接收，发射信号系统两条以上微波通信线路的汇接点微波中继通信12演示典型微波通信线路示意图?微波天线为什么要架设在高塔上微波中继站dR微波通信是现代化重要的手段之一，它的特点是通信信息量大，传输损伤小，抗干扰能力强，建设周期短。微波通信属于视距通信，地面远距离微波通信需要建设中继站。13?微波天线为什么要架设在高塔上微波中继站dR卫星通信：卫星通信14

利用人造卫星作为中继站的通信称为卫星通信,它是国际,国内通信和广播的重要方式之一.目前采用三颗同步卫星通信和广播.卫星通信：卫星通信14利用人造卫星作为中继站的移动通信：15微波设备安装方便使用可靠，尤其近年来采用先进的微电子技术和计算机技术，使设备体积更小，功耗更低，可靠性更高，安装更方便，可使用在各种场合备受用户关注.我国移动通信(GSM)技术,频率为900MHz和1800MHz.地面移动通信移动通信：15微波设备安装方便使用可靠，尤其近年来采16无线组网

近年来出现的无线网络备受关注，它采用微波通信技术，把计算机（PC机）用无线网络连接起来构成无线传输网，它比有线连接更加灵活方便，计算机移动随心所欲。无线计算机网络：16无线组网近年来出现的无线网络备受关注，它采微波技术新的主要应用点射频通信电路的设计高速数字通信电路的设计天线的设计微波技术新的主要应用点射频通信电路的设计射频电路-----手机电路组成射频电路-----手机电路组成通信电路与高速电路的关系通信电路与一般电子电路的区别：一般电子电路可以选择慢速器件。通信是追求高速度、大容量通信，必须采用高速器件目前的通信电路基本上都是数字通信，基本上都是由射频电路与高速数字电路组成。高速数字电路完成的逻辑功能与一般数字电路是相同的高速数字电路与低速数字电路在设计上不同的主要表现在电路板设计时考虑问题不同通信电路与高速电路的关系通信电路与一般电子电路的区别：一般电高速电路带来的问题微波传输线理论可知：当传输信号的导线为长线时，必须考虑导线上的分布参数，信号在线上的传输表现为入射波与反射波的叠加，导致线上每一点的电压电流不同微波传输线理论两个核心问题是:线上有阻抗和传输时延.比较一个10年前的一个慢速器件和现今的快速器件在一段相同长度导线传播情况，可以发现，对于慢速器件，传输导线可以看作是一段简单的导线，而对于现今的快速器件，信号的传播则表现出非常明显的波的特性，快速的跳变信号会沿着传输线来回反射、振荡，形成常见的过冲和振铃。对于高速信号，做PCB设计时，除了考虑导线电阻对传输信号的影响外，还要考虑传输线电容、电感的影响。对于高速信号，做PCB设计时，要考虑传输线之间的串扰影响高速电路带来的问题微波传输线理论可知：当传输信号的导线为长线高速电路的设计方法由于高速电路跳变沿很快，脉冲宽度很小，导致时延很小由于高速电路的信号线是传输线，要考虑分布参数带来的影响由于高速电路上信号含有大量的高频成分，带来了系列电磁干扰问题要使高速电路上的信号是完整的，设计上要考虑多方面的复杂因素传统的电路设计方法不适用，代之以仿真设计要满足信号完整性要求，人们越来越依赖于采用基于信号仿真的一体化设计流程高速电路的设计方法由于高速电路跳变沿很快，脉冲宽度很小，导致传统的电路与PCB板设计在传统的PCB设计流程中，依次由电路设计、版图设计、PCB制作、测量调试等步骤组成。其设计流程是单循环的：电路设计版图设计PCB制作测量调试设计定稿修改设计多次重复传统的电路与PCB板设计在传统的PCB设计流程中，依次由电传统电路设计与PCB设计存在的问题传统电路设计只能依赖设计人员的经验：在实际PCB板设计过程中，由于对信号缺乏有效的信号传输特性分析方法和手段，电路的设计一般只能根据元器件厂家和专家建议及过去的设计经验来进行。所以对于一个新的设计项目而言，通常都很难根据具体情形作出信号拓扑结构和元器件的参数等因素的正确选择。

传统的PCB版图设计阶段，同样因为很难对PCB板的元器件布局和信号布线所产生的信号性能变化作出实时分析和评估，所以版图设计的好坏更加依赖于设计人员的经验。在PCB板制作阶段，由于各PCB板及元器件生产厂家的工艺不完全相同，所以PCB板和元器件的参数一般都有较大的公差范围，使得PCB板的性能更加难以控制。传统电路设计与PCB设计存在的问题传统电路设计只能依赖设计人传统电路设计与PCB设计存在的问题传统的设计方法事实上是一种问题补救法：致命弱点是流程中没有控制点，设计过程不可控；设计进度、设计质量过分依赖于设计人员的经验；设计结果不可预测，无法保证设计质量；容易出现设计反复，设计周期长。这种方法与电子产品、通信产品竞争激烈、新产品上市的时间要求越来越短的特点相冲突因此传统设计方法不适合高速通信系统的设计。事实上，越是在产品开发的后期，解决问题的手段则越高。传统电路设计与PCB设计存在的问题传统的设计方法事实上是一种电路与PCB板的仿真一体化设计随着电路速率与频率的提高，电路与PCB板设计必须考虑信号完整性问题，进入了仿真一体化设计阶段要解决信号完整性问题，人们越来越依赖于采用基于信号仿真的一体化设计流程（如下图）其基本思想为利用仿真技术，在产品设计早期尽可能多的利用EDA技术，对原理图和PCB板图进行多点控制的设计过程。PCB板设计中利用解决信号完整性问题，提出满足信号完整性要求、时序要求、EMC/EMI要求，并满足加工制造与测试的总体方案和设计准则，最大限度地降低产品成本，缩短研发周期。电路与PCB板的仿真一体化设计随着电路速率与频率的提高，电路前言—高速电路的仿真设计高速电路一体化仿真设计流程前言—高速电路的仿真设计高速电路一体化仿真设计流程当线上传输的高频电磁波时，传输线上的导体上的损耗电阻、电感、导体之间的电导和电容会对传输信号产生影响，这些影响不能忽略。传输线----平行传输线的分布参数(Distributedparameter)当线上传输的高频电磁波时，传输线上的导体上的损耗电阻、电感、④分布电容：导线间有电压，导线间有电场。

Cl为传输线上单位长度的分布电容。高频信号通过传输线时将产生分布参数效应：①分布电阻:电流流过导线将使导线发热产生电阻；

Rl为传输线上单位长度的分布电阻。②分布电导：导线间绝缘不完善而存在漏电流；

Gl为传输线上单位长度的分布电导。③分布电感：导线中有电流，周围有磁场；

Ll为传输线上单位长度的分布电感。④分布电容：导线间有电压，导线间有电场。高频信号通过传输线时

微带线是微波集成电路的主要组成部分，它在微波电路中用来连接各种元器件，来构成电容，电感，电桥等微波元件（A）非对称式微带线（B）对称式微带线屏蔽标准微带（可有效的防止电磁波的辐射损耗）接地板（铜，鋁）导体带条（良导体构成，宽约1毫米）介质基片（固体介质）导体带条接地板介质基片（空气或固体介质）微带线的基本结构??1微带线是微波集成电路的主要组成部分，它在微波电根据电力线与导体表面垂直和磁力线与导体表面相切的边界条件，在A—A处放置一块金属薄板将不会破坏双线传输线的电磁场分布规律A-A双导线上的电磁波分部为横电磁波。A—A为对称面由于导体内不存在电磁场。所以A－A处金属板将2根导线间的电磁场隔开。去掉一根导线，另一根导体与金属板间的电磁场分布将保持原来的结构。双导线演变为微带线的过程微带介质与空气的交界面3根据电力线与导体表面垂直和磁力线与导体表面相切的边界条件，在高速电路设计模型举例MAX3748的管脚结构（多倍限幅放大器）高速电路设计模型举例MAX3748的管脚结构（多倍限幅放大MAX3748芯片IBIS模型简化输出端封装模型

MAX3748芯片IBIS模型简化输出端封装模型表面波波导----光纤通信表面波波导（全反射波导）单根线（高的介质棒）介质波导（光纤）H型波导

当光到达两种媒介的交面时，便会产生反射和折射。从光密媒质到光疏媒质，反射多于折射。这里，高的介质相当于光密媒质，介质周围的空气便是光疏介质。一旦电磁波进入介质棒后，就会在介质与空气的交界面上反射而向前传播。这种波导的衰减的理论值比矩形波导衰减要低得多，且随频率的升高而不断下降，因而适用于毫米波段。金属板空气是光疏媒质高的媒质（光密媒质）7表面波波导----光纤通信表面波波导单根线（高的介质棒）介质微波器件微波谐振器低频电路中的谐振回路有：CLLC并联LC串联LC谐振回路的作用LC正弦波振荡器的选频网络高频混频电路中的应用滤波电路8微波器件微波谐振器低频电路中的谐振回路有：CLLC并联LC串从LC回路到微波谐振腔的演变过程概述一.微波频率下不能用LC回路二.微波中用谐振腔与集中参数LC回路异同点相同点：都是电磁振荡,电场能,磁场能相互转换.不同点：1.LC回路是集中参数电路;2.LC回路只有一个谐振频率,而谐振腔有无穷多个谐振频率,均为多谐性;3.Q值高,可以高到几万.LC回路Q值几十10从LC回路到微波谐振腔的演变过程概述一.微波低频LC回路增大平板电容的距离,减小C减少电感线圈匝数,减小L用多个单匝线圈并联,进一步减小L并联线圈增加到无限多便得到圆柱形空腔谐振器概述电场磁场?11低频LC回路增大平板电容的距离,减小C用多个单匝线圈并联,进分类

非传输线型（特殊形状的空腔谐振器。主要用于各种各样的微波电子管中，如速调管，磁控管等，作为这些微波电子管的腔体。传输线型微带线型（半开放）波导型同轴线型介质型13分类非传输线型（特殊形状的空腔谐振器在微波通信系统中应包括微波的放大，微波的传输，微波的发射，微波的接收等部分。由于微波频率高，波长短，使得微波电路中所用元件的结构和原理与低频电路不同微波器件低频电路元件微波电路元件低频电缆低频二三级管低频谐振器波导谐振腔17微波二三级管微波接插头在微波通信系统中应包括微波的放大，微波的传输，微波的学习注意事项学习微波技术注意场与路相结合的分析方法:低频电路微波电路电路特点分析方法元件尺寸远小于工作波长电路中参数只随时间变化与空间位置无关电路元件可模型化(集中参数)元件尺寸接近工作波长电压电流不仅与时间有关而且与空间位置有关R,L,C无明确含意,采用分布参数电路方法以基尔霍夫定律为基础的集中参数电路分析方法称为路的方法.以麦克斯韦方程为基础的微波电路的分析方法称为场的方法18学习注意事项学习微波技术注意场与路相结合的分析方法:低频电路共40学时，32学时讲授，考试：期终闭卷考试70%，平时+实验30%答疑网络QQ群：72805284地点：18楼实验室教材：微波技术与天线西安电子科技大学出版社

刘学观，郭辉萍

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微波技术与天线（第三版）电子工业出版社王新稳参考书：微波技术及应用张瑜等编著微波技术基础廖承恩微波技术与微波电路，范寿康等编先修课程1.电磁场理论2.线性代数3.信号与系统共40学时，32学时讲授，答疑网络QQ群：7280528学习注意事项平时成绩计算方法四次作业：综述报告；平时考勤与上课纪律综述报告题目：微波技术综述传输线理论综述阻抗园图综述微波网络与S参数综述天线综述天线的仿真设计学习注意事项平时成绩计算方法

小结微波是电磁波谱中介于普通无线电波（长波、中波、短波、超短波）与红外线之间的波段微波波段区别于其他波段的主要特点是：波长可同电路或元件尺寸相比拟（分米、厘米、毫米级）普通无线电波的波长大于或远大于电路或元件尺寸（路论）；微波段要考虑电磁波在电路甚至元件内的传播时间（相位滞后）分布参数电路的方法和场的方法代替集总参数电路的方法；微波段，以麦克斯韦方程为基础的宏观电磁理论充分运用；到毫米波、红外、可见光或频率更高的电磁波谱，因波长与分子、原子尺寸可比拟，宏观电磁理论不是很完善，要用量子理论分析方法。小结微波是电磁波谱中介于普通无线电波（长波、中波、短作业:1.简述微波通信的发展历史.2.简述我国在微波科技方面的进展情况.3.什么是微波?微波有哪些特点?4.什么是数字微波通信?我国数字微波通信发展历史.5.简述无线电波传播方式与各频段的利用.谢谢使用！第一章学习结束请返回！6.天线的工作原理20作业指导作业:20作业指导1864年,麦克斯韦提出位移电流的新假设,用严谨的数学方式揭示了电场与磁场的内在联系,以及它们所遵循的规侓---麦克斯韦方程,从而建立了系统而完整的电磁场理论。---经典电磁理论。1868年,麦克斯韦从他所建立的偏微分方程中推出电磁波来,科学的预言了电磁波的存在。麦克斯韦（1831-1879）

英国物理学家。1873年他发表重要著作《电磁理论》，对法拉第的电磁力理论作了数学描述。他最重要的贡献是他建立的电磁辐射理论，这项贡献确立了他主导一个世纪理论物理学的地位。卒于剑桥。人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾211864年,麦克斯韦提出位移电流的新假设,用严谨的数

赫兹（1857-1894）

德国物理学家。生于汉堡，在柏林大学亥姆霍兹的指导下学习。1889年任波恩大学物理学教授。主要研究工作在电磁波方面。发现了无线电波。卒于波恩(36岁)。频率的单位即以他的姓氏命名。麦克斯韦预言电磁波的存在，但却没有能通过亲手实验证实他的预言；1888年赫兹透过闪烁的火花，第一次证实电磁波的存在，但却断然否认利用电磁波进行通信的可能性。他认为，若要利用电磁波进行通信，需要有一面面积与欧洲大陆相当的巨型反射镜。但是，“赫兹电波”的闪光，却照亮了两个年轻人不朽的征程。这两个年轻人便是波波夫和马可尼。22赫兹德国物理学家。生于汉堡，在柏林大学亥姆