微波的技术基础

摘要本文主要介绍了微波的基础知识，在第一章中介绍了微波的概念、基本特点以及微波在民用和军事上的应用，在第二章中介绍了微波传输线理论，主要介绍了型波的理论和传输特性。Thispaperdescribesthebasicsofmicrowaveinthemicrowavefirstchapterintroducestheconceptofthebasiccharacteristicsandmicrowaveinthecivilianandmilitaryapplications,inthesecondchapterdescribesthemicrowavetransmissionlinetheory,introducesthetheoryandthetypeofwaveTransmissioncharacteristics.微波技术基础第一章微波简介1.1什么是微波微波是频率非常高的电磁波，就现代微波理论的研究和发展而论，微波是指频率从的电磁波，其相应的波长从1m~0.1mm，这段电磁频谱包括分米波（频率从300~3000），厘米波（频率从3~30），毫米波（频率从30~300）和亚毫米波（频率从300~3000）四个波段。下图为电磁波谱分布图：1.2微波的基本特点1.似光性和似声性 微波波段的波长和无线电设备的线长度及地球上的一般物体的尺寸相当或小的多，当微波辐射到这些物体上时，将产生显著地反射、折射，这和光的反射折射一样。同时微波的传播特性也和几何光学相似，能够像光线一样直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就能获得方向性极好、体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体发射或反射的微弱信号，从而确定该物体的方向和距离，这就是雷达及导航技术的基础。微波的波长与无线电波设备尺寸相当的特点，使得微波又表现出与声波相似的特征，即具有似声性。例如：微波波导类似预声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似于声学中的喇叭、萧和笛，微波谐振腔类似于声学中的共鸣腔。2.分析方法的独特性由于微波的频率很高，波长很短，使得在低频电路中被忽略了的一些现象和效应（如趋肤效应、辐射效应、相位滞后现象等）在微波波段不可以忽略。这样低频电路常用的集总参数元件电阻、电感、电容已不再适用，电压、电流在微波波段甚至失去了唯一性意义，因此用它们已经无法对微波传输系统进行完全描述，而要求建立一套新的能够描述这些现象的理论分析方法——电磁场理论的场与波传输的分析方法，用新的装置（如传输线、波导、谐振腔等）代替那些我们已经熟悉了的电容、电感、电阻。3.共度性电子真空管的度越时间与微波震荡周期相当的这一特点称为共度性。共度性是给予微波电子学巨大影响的非常重要的物理因素。利用这种共度性可以做成各种微波电子真空器件，得到微波振荡源。而这种度越效应在静电控制的电子管中是忽略不计的。4.穿透性微波辐射与介质物体时，能深入到该物体内部的特性称为穿透性。如微波是射频波谱中除光波外唯一能穿透电离层的电磁波，因而成为人类探测外层空间的重要手段，微波能穿透云雾、雨、植被、积雪和地表层，具有全天候和全天时工作的能力，成为遥感技术的重要手段；微波能穿透生物体，成为医学热透疗法的重要手段；毫米波还能穿透离子体，是远程导弹末端制导和航天器重返大气层时实现通讯的重要手段。5.信息性微波波段可载的信息容量是非常大的，即使是很小的相对带宽，其可用的频带也是非常宽的，可以达到数百甚至上千兆赫。所以现在多路通讯系统，包括卫星通讯系统，几乎都是工作在微波频段。此外微波信号还可以提供相应信息、极化信息、多普勒频率信息，这在目标探测、遥感目标特征分析等应用中是十分重要的。6.非电离性微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏分子的化学键，所以微波和物质的作用是非电离的。由物理学可知，分子、原子和原子核在外加周期电磁场的作用下所呈现的共振现象都发生在微波范围，因此微波为探测物体的内部结构和其基本特性提供了有效地研究手段。1.3微波技术的应用1.3.1微波技术的发晨微波技术是近代科学技术发展的重大成就之一，微波技术是在雷达、通信和其他科学等领域等各个方面应用和实际需要促进发展起来的．发展十分迅速，其发展过程可以分为以下阶段：第一阶段：1940年前，是实验早期研究阶段，主要研究微波的产生方法。第二阶段：1940年到1945年，足微波技术迅速发展并应用与实际的阶段，这个阶段正式第二次世界大战期间，在军事应用的迫切需要下，促进了微波技术的迅猛发展，在这一阶段内，大多数微波电子器件都应运而生，并采用了波导和空腔振荡器。第三阶段：1945年至今，是微波技术广泛发展和应用阶段，在这一阶段中，不仅开辟了新波段．而且扩展了应用范围，并逐步形成了一系列的科学领域，如微波波普学、射电天文学、微波气象学等。同时建立了一整套微波电子学理论，为微波技术的进一步发展和提高打下了理论基础。1965年以后，出现了微波固体器件，固体集成电路和同体平面电路．使微波技术向着固体化和小型化方向发展．微波技术的迅速发展和它的应用密切相关。其应用范围也愈加广泛。微波技术的发展至今已有60余年的历史。几十年来，微波的发展相当迅速，应用领域也相当广泛，更有新的领域层出不穷。1.3.2微波技术应用1)微波通讯。通讯是微波技术的传统应用领域。最重要的应用之一就是多路通信．由于微波的频率很高，频带很宽，比短波频带宽好几十倍甚至数百倍左右，能够承载的信息量很大．因而用微波作为载波应用与多路通信、微波中波通信、散射通信、卫星通信、移动通信等领域。2)雷达应用。微波最早应用于雷达．正是由于第一次世界大战人们把微波应用于雷达中，才促使微波技术的迅猛发展。现在雷达仍然主要用于军事目的。这方面的雷达有预警雷达、舰载雷达、机载雷达等。除了军用雷达外，民用雷达发展也较快，如导航、气象、防盗、遥感雷达等。3)科学研究。在科学研究中，微波技术也有着重要应用。如原子钟的研制，就是微波技术的应用和发展的结果．微波应用在物理学、天文学、化学、医学、气象学等各个学科领域，如射电天文学学、微波波普学、量子电子学、微波生物学、微波化学、微波医学等。此外，如天文观察，电子直线加速器，等离子体参量测量，频谱分析以及遥感技术等方面都要用到微波。4)微波加热。在生产生活方面，微波被作为一种能源加以利用。利用微波加热物体，就是利用物体吸收微波产生的热效应进行加热的。微波加热的特点是：①对被加热的物体内外一起加热，瞬时可以达到高温。热损耗小、热能利用率高、节约热能。②对介质材料的穿透深度要远比红外加热的穿透深度强，可达几十厘米。③微波加热的预热时间短，微波管预热15秒就能工作。④均匀加热：常规加热为提高加热速度，就需要升高加热温度，容易产生外焦内生现象。微波加热时，物体各部位通常都能均匀渗透电磁波，产生热量，因此均匀性大大改善。⑤安全无害：在微波加热、干燥中，无废水、废气、废物产生，也无辐射遗留物存在，其微波泄漏也确保大大低于国家制定的安全标准，是一种十分安全无害的高新技术。5)微波杀菌。微波杀菌是利用了微波对细菌的热效应使之蛋白质产生变化。使细菌失去营养，繁殖和生存的条件而死亡。微波对细菌的生物效应是微波电场改变细胞膜的电位分布，影响细胞膜周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细菌因此营养不良，不能正常新陈代谢，细胞结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡。6)其他领域。微波在医学。军事上也发挥着重要作用。微波可以对人体内的炎症，溃疡、肿瘤和其他病变产生抑制或治疗作用。微波武器的高能微波束可以干扰敌方人员的神经系统和大脑思维．可以灼伤人的眼睛和人体组织：可以引爆地方的炮弹、导弹甚至核武器等：可以干扰甚至摧毁地方的各种电子设备等．第二章微波传输线理论2.1Maxwell方程组及边界条件电磁波在无源(p,J=0)空气波导中(、为常数标量)传播时(见图3-18)，随时间变化是简谐的，即、,则Maxwell方程组在SI单位制中为：(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)在微波波段，随着工作频率的升高，由于导线的趋肤效应和辐射效应增大，使得普通的双导线不能完全传输微波能量，常用的微波传输线有平行双线、同轴线、带状线、微带线、金属波导管及介质波导等多种形式的传输线。2.2波导管中的型波波导管是一种空心金属管，其截面形状有圆形、矩形、椭圆形等，用得最多的是矩形波导管，简称波导，见下图根据电磁场的普遍规律——麦克斯韦方程组或由它导出的波动方程——及具体波导的边界条件，严格求解得出矩形波导中不能传输TEM波，只能传输TE波（横电波）和TM波（横磁波）。TE波的电矢量只有横向分量，而磁矢量的横向和纵向分量都有；TM波的磁矢量只有横向分量，而电矢量的纵向、横向两个分量都有。在实际应用中，一般让波导中存在一类波型，而且只传其中一种波型，例如波就是矩形波导中常用的一种波型。考虑一个截面为a×b的矩形波导（见图3-18），其管壁为理想导体，则沿ｚ方向传播的型波的各个场分量为：

(3-33)(3-34)(3-35)(3-36)(3-37)(3-38)式中ω为角频率，；β为相位常数，；为波导波长：(3-21)其中，称为波导截止波长。因此，波导中只能传播的电磁波，λ是自由空间电磁波的波长。

波导内波电场和磁场的分布即所谓场结构，可用图3-19表示：

图(a)说明电矢量只位于XY平面内(在Z=0处，上为负，下为正)，起止于上下两个宽边，宽边中间电场最强，两侧减弱，呈正弦分布。它的磁力线在宽边相平行的平面内形成闭合线如图(b)，并表明、和在Z方向各有π/2的相位差。图(c)表示型波场结构的空间分布。当电磁波在波导中传输时，其高频电磁场将在波导壁上产生高频感应电流且分布在波导的内表面，如图3-19所示。波型的脚标“1”表示电场沿宽边是一个半驻波分布，“0”表示电磁场沿窄壁均匀分布。按式(3-33)-(3-38)画出波的场结构如图3-19所示。由图3-19可以看到：1)电力线在横截面内，没有纵向z分量，传输的是TE波(=0)，电场的振幅沿X方向有一个极值，在宽边中央电场最强，两侧最弱，而沿y方向均匀分布没有极值。由此可以看出波的含义。TE表示横电波，的第一个脚标“1”表明电场沿波导的宽边有一个驻立半波；第二个脚标“0”表明电扬沿波导窄边没有变化。

2)磁力线在与宽边相干行的平面内形成闭合线，纵向分量最大值相对于横向分量沿z轴偏移，即的位相比的位相超前π/2(见方程(3-38)中的j).3)在Z方向上，和分布规律相同，即最大处也最大，为零处也为零。场的这种结构是行波的特点。4)导体表面的电流总是和与之伴随而生的磁场方向正交的，而大小成比例。因而由图3-19可以了解到波导内壁上的电流线分布如图3-20所示。在波导宽边壁的中线上电流线的方向是纵向的(Z方向的)，如果沿这条中线开槽，只要这槽是相当窄的，便不会割断电流线，因此不会发生辐射。同时这个窄缝对于整个电磁场与波导壁上电流的分布的影响也很小．这样便允许沿波导壁中线开槽，然后插入一个细探针来测量波导内的电场强度随z坐标分布情况。测量线就是根据这个原理制成的。

2.3波的传输特性波导中电磁波的传输，由于不是TEM波，因而它具有很多不同于长线的传输特点。只有掌握了波导中传输特性，我们才能正确运用它。

(1)相位常数

β表现了电磁波在波导中传输的基本特性。由式(3-20)和(3-27)可得：

对于波有

为自由空间平面波的相位常数，即k=2π/λ，则(3-39)可见，波导中的相位常数卢β和自由空间的相位常数k是不同的，由此就带来了电磁波在波导中传输的一系列特点，下面我们分别讨论它们的物理意义。

(2)波导波长与相速度、群速u同样一个波源，电磁波在自由空间传播时，测量出的波长为λ，它以光速c传播的电磁波为横电磁波；但在波导内传输电磁波的波长不同于λ，由相位常数的定义则有：(3-40)将(3-39)式代人（3-40）式，注意k=2π/λ，即得(3-41)可见波导波长大于自由空间波长λ。与波导波长相对应的相速度(等位面向前传播的速度)为(3-42)所以，波导中电磁波的扣速度是大于光速c的，而且还与电磁波的频率有关，不再是常数。由相速度，群速度u和光速c的关系式(3-43)可以看出电磁波能量沿波导管轴传播的速度(群速度u)小于光速。(3)波阻抗(或称特性阻抗)波阻抗是波导的一个重要参量，定义为：波导截面上的电场强度与磁场强度的比值，以表示。对于波，由式(3-34)和式(3-36)得(3-44)可见，对于一定的频率，特性阻抗是与时间和空间位置无关的常数。（4）临界波长(又称截止波长)在式中，当λ<2a时，β为大于零的实数，这时波能在波导中传输，并有＞λ。当λ>2a时，β变为虚数，这时，表示沿波传播方向不再有相位变化，而只有幅度沿传播方向按指数迅速衰减，以致波在波导中很快消失(截止)，这时波称消失波。当λ=2a时，价于上面二种情况之间，所以2