雷达射频微波器件及电路 课件 第0章 绪论

绪论0.1电磁波的特性参数0.2雷达的工作频率及射频器件和电路0.3分贝的概念小结

0.1电磁波的特性参数

电磁波总是沿着与电场和磁场垂直的方向传播。电场电力线指向、磁场磁力线指向及电磁波的传播方向三者符合右手螺旋关系，如图

0-1

所示。雷达发射的电磁波又称为雷达波，是电磁辐射的一种形式。描述电磁波特性的参数有传播速度、频率、周期、波长和相位等。

图

0-1

电磁波的传播

1.

传播速度

电磁波在真空中以恒定的速度传播，传播速度为光速，用字母c表示，c=

3×108m/s。

电磁波在空气、水等媒质中传播时，其传播速度v与媒质的特性有关，计算公式如下：

式中：c为电磁波在真空中的传播速度；εr是表征媒质绝缘性能的物理量，称为相对介电常数；μr是表征媒质磁导性能的物理量，称为相对磁导率。

2.

频率

电磁波的频率是指交变电磁场单位时间(1s)内完成变化的次数或周数，即电磁波每秒钟上下波动的次数或每秒钟出现波峰的次数，常用字母f表示。如图

0-2

所示，电磁波每秒钟出现

5

次波峰，所以频率为

5

Hz。

图

0-2

频率的定义

例如，市电频率为

50-Hz，表示单位时间(即

1

ｓ)内电磁波振动的次数为

50-次。比较图0-3(a)和图

0-3(b)所示的两个波形(横轴为时间轴)，相同时间内，图

0-3(b)所示波形振动次数高于图

0-3(a)所示波形振动次数，由频率的定义可知，图

0-3(b)所示波形的频率高于图

0-3(a)对应的波形频率。由此可知，时间轴上波形越密集，对应频率越高；波形越稀疏，对应频率越低。

图

0-3

不同频率波形对比

常用频率的单位有赫兹(Hz)、千赫兹(kHz)、兆赫兹(MHz)及吉赫兹(GHz)等。频率的国际单位制(SI)单位为赫兹(Hz)，其命名是为了纪念德国物理学家海因里希·赫兹，他首次用实验证实了电磁波的存在。各种频率单位之间的关系为

3.

周期

电磁波的周期是指交变电磁场完成一次变化所需的时间，常用字母

Ｔ

表示。周期与频率成倒数关系，即

4.

波长

电磁波的波长是指电磁波在一个周期内所传播的距离，常用字母λ表示。如图

0-4所示，电磁波的波长是顺着电磁波传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰或波谷)

之间的距离。

图

0-4电磁波的波长

显然，电磁波的波长等于电磁波的传播速度与周期的乘积，也等于电磁波的传播速度与频率的比值，即

由于空气中电磁波的传播速度

v可视为常数c，因此只要知道电磁波的频率，便可由式(0-3)计算出它的波长。反之，知道了电磁波的波长，也能计算出它的频率。由此可知，空气中电磁波的波长与频率间的关系为

由式(0-4)和式(0-5)可看出，电磁波的频率和波长两者成反比关系：频率越高，波长越短；频率越低，波长越长。电磁波随时间和空间而变化，图

0-5

所示为某一时刻两个不同频率的电磁波传播的情况。可以看出，波长越短(即波峰与波峰间隔越近)，在给定时间内通过指定点的电磁波周期数就越多，即频率越高。

由于波长表示的是一种距离，因此它的单位为长度单位。常用的波长单位有米(m)、分米(dm)、厘米(cm)或毫米(mm)等，SI单位为米(m)。

图

0-5

电磁波的频率和波长的关系

5.

相位

电磁波的相位是描述电磁波瞬时状态的一个重要参数，一般用角度表示，因此又称为相角，常用字母φ

表示。通常把正弦电磁波变化一周分为

360°，图

0-6(a)所示为电场的变化曲线。

(1)

在

t=0时刻，电磁波的振幅为零，φ=

0°；

(2)

在

t

=

t1时刻，电磁波的振幅达到最大值，φ=

90°；

(3)

在

t

=

t2时刻，电磁波的振幅又变为零，φ=

180°；

(4)

在

t

=

t3时刻，电磁波的振幅达到最大值(反向)，φ=

270°；

(5)

在

t

=

t4时刻，电磁波的振幅又回到零，φ=

360°。

图

0-6(b)中，按正弦规律变化的电磁波Ⅰ和电磁波Ⅱ，它们的频率和振幅相同，但在任一时刻，两个电磁波的状态都不相同。在

t=0时刻，电磁波Ⅰ的振幅达到最大值，而电磁波Ⅱ的振幅为零；在

t1时刻，电磁波Ⅱ的振幅达到最大值，而电磁波Ⅰ的振幅为零。这是因为这两个电磁波的相位不同，即存在相位差，由图

0-6(b)可以看出，两个电磁波的相位差为

90°。若两个电磁波的相位差为

180°，则称为反相；若相位差为

0°或

360°，则称为同相。

图

0-6

电磁波的相位和相位差

例

0.1

已知电磁波在空气中传播的频率为

10

GHz，求波长。

解

由题意知，电磁波的频率f=10GHz

=

10×109

Hz

=

1010Hz，空气中电磁波的传播速

度近似为光速c，则由式(0-4)可得

即频率为

10

GHz

的电磁波对应的波长为

3

cm。

例

0.2

已知电磁波在空气中传播的波长为

10

cm，求频率。

解

由题意知，电磁波的波长λ=10

cm=0.1

ｍ，空气中电磁波的传播速度近似为光速c，则由式(0-5)可得

即波长为

10cm

的电磁波对应的频率为

3

GHz。

0.2

雷达的工作频率及射频器件和电路

1.

雷达的工作频率雷达的基本工作原理示意图如图

0-7

所示，雷达发射一定频率的电磁波，并接收距离雷达R处目标反射回来的回波，根据回波判定目标的某些状态。

图

0-7

雷达的基本工作原理示意图

1)

雷达工作频率的选择

雷达发射的电磁波的频率就是雷达的工作频率。工作频率对雷达起着至关重要的作用。选择雷达的工作频率时，要对几项因素进行权衡，主要的因素有：雷达的尺寸、角分辨率、大气衰减、多普勒频移和雷达环境噪声等。

频率越低，电磁波的波长越长，产生发射电磁波的发射管的尺寸就越大，同时发射管的重量也就越重；反之，频率越高，发射管的尺寸就越小，重量也就越轻，这样发射管即可用于一些空间受限的场合(如机载雷达)。

多普勒频移不仅与目标和雷达的接近速度成正比，而且与电磁波的频率成正比，频率越高，多普勒频移越显著。但是，过大的多普勒频移有时也会造成麻烦，所以在某些场合需要限制雷达的工作频率。而在另一些场合，需要选择相当高的工作频率，以提高多普勒测速的灵敏度。

雷达的回波信号受到噪声的干扰，这些噪声一方面来自雷达接收机内部，另一方面来自背景噪声。背景噪声主要包括宇宙电磁辐射和大气噪声。宇宙噪声在低频段较高，而大气噪声在高频段较高。很多雷达的噪声主要来自雷达接收机内部，但当需要探测范围很大的雷达而使用低噪声的接收机时，背景噪声就占据主导地位。

2)

雷达工作频率的划分

在第二次世界大战期间，美国军方开始在雷达等方面使用微波频段。出于安全考虑，微波区的每个频段用一个拉丁字母命名。常用微波频段的划分如表

0-1

所示。

常用的

5

个雷达的工作频段通常用中心频率的波长表示，如表

0-2

所示。雷达馈线和前端器件及天线尺寸等与雷达波长息息相关，有必要对常用

5

个雷达工作频段对应波长有确切的认识。如图

0-8

所示为常用雷达频段波长对比图。

图

0-8

常用雷达频段波长对比图

2.

射频器件和电路

大多数的雷达工作于微波频段，因此在雷达发射机及接收机中使用了大量的微波器件。为区别于雷达中的中频及视频信号，将工作于雷达工作频率的各种器件和电路称为射频器件和电路。

各种微波器件和电路构成了微波系统，如图

0-9

所示。从图

0-9

中可以清楚地看出微波电路在系统中的核心作用以及微波电路的种类。

图

0-9

微波系统组成框图

微波振荡器、微波放大器、微波混频器、上变频器与倍频器、微波控制电路(开关、衰减、移相、调制等)都属于有源电路，也称为微波电子线路。有源电路的共同特点是必须有需要供电的核心电真空或半导体器件，也称为微波电子器件。半导体器件有肖特基二极管、变容二极管、阶跃恢复二极管、雪崩管、体效应管、PIN管、双极晶体管、场效应管等。微波电真空器件在大功率、高频率方面至今仍占独特优势，如磁控管、行波管、速调管等。它们是集器件、电路、供电系统于一身的自成独立的复杂系统。

微波无源元件简称为微波元件，如匹配负载、短路活塞、波导电抗元件(膜片、窗孔、销钉、螺钉等)、衰减器、移相器、阻抗匹配器、转换器、滤波器、谐振器、功率分配器、环行器、隔离器、定向耦合器等。它们起低频电路中电阻、电感、电容、电位器、继电器等基本元件的作用，但其功能及发生在元件内的物理过程比低频元件复杂得多。

微波元件的主要特点是具有分布参数，虽然有些微波元件在一定条件下可用集总参数元件等效，但其基本理论体系是建立在微波传输线理论基础上的另一套全新体系。微波电路的最大魅力在于：同一网络功能的电路可以用不同种类的传输线和各种不同的元器件组合实现，因而其成本、性能、结构差异非常大。

0.3

分

贝

的

概

念

如图

0-10

所示的二端口网络，假定两个端口的电压分别是

U1和

U2

，则该电路的电压增益(或损耗)ＧU用分贝(dB)表示为

图

0-10-二端口网络及端口电压

如图

0-11

所示，假定两个端口的功率电平分别是

P1和

P2

，则该电路的功率增益(或损耗、隔离)G用分贝(dB)表示为图

0-11

二端口网络及端口功率

由以上定义可以看出，分贝实际上是对数值，因此可以用比较小的数值来表示非常大的比值，从而可以清楚地表示非常大的数量变化。在后续计算多部件系统的整体增益(如级联的放大器)时，可以直接用各部件的增益(分贝)相加而求得，计算极其简单。

例

0.3

假设图

0-11

所示二端口器件为一个放大器，其输入功率为

10mW，输出功率为

20mW，则该放大器输出功率为输入功率的多少倍？

对应增益(dB)是多少？

例

0.4

假设图

0-11

所示二端口器件为一段传输微波信号的传输线，若其输入功率为10mW，输出功率为

8mW，则该传输线的损耗是多少？

结果为负，说明功率减小，称为损耗，即该传输线的损耗为1dB(这种损耗也称为插入损耗)。

小

结

(1)

变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。(2)

描述电磁波特性的参数有传播速度、频率、周期、波长和相位。(3)

雷达发射的电磁波的频率就是雷达的工作频率。(4)