（天线）微波通信系统的基本结构

北方工业大学通信工程系邢志强目录1微波通信基础微波及其基本特点

微波的研究对象及其应用

微波通信系统构成1.1微波定义：频率f为300MHz～3000GHz范围内的无线电波。103Hz=1kHz，106Hz=1MHz，109Hz=1GHz，1012Hz=1THz，1015Hz=1PHz一般地说，微波在电磁波频谱中所处的位置在甚高频(UHF)和光波之间。相关名词毫米波millimeterwave:频率在30-300GHz之间的交流信号，波长在1cm到1mm之间.射频RF（RadioFrequency):指用于无线电通信的交流信号，具有很宽的频率范围，覆盖了从几百KHz到毫米波的整个范围。微波在电磁波频谱中所处的位置在甚高频(UHF)和光波之间。1.1微波微波的波长范围在1米至0.1毫米之间。无线电波段的划分甚低频低频（长波）中频（中波）高频（短波）甚高频特高频超高频极高频微波频段的划分及常用波段代号波段代号LSCXKuKW标称波长(cm)22105321.250.3国际上对各微波频段用途的规定微波炉中磁控管工作频率为2.45GHz；C波段通讯卫星的工作频率：下行频率为3.700~4.200GHz，上行频率为5.925~6.425GHz。Ku波段通讯卫星的工作频率：下行频率为11.7~12.2GHz，上行频率为14.0~14.5GHz。蜂窝移动电话的工作频率为450MHz、900MHz和1.8GHz，1.9G。40~60GHz为保密通信频段；26.5~40GHz和75~110GHz为雷达、制导系统频段等等。（商用广播）国际上对各微波频段用途的规定19thcentury1846-earliesttalkonEMwave(电磁波),“Thoughtsonrayvibrations,”Faraday1864-“Maxwell’sequations,”Maxwell1887-firstmicrowave-likeexperiment,“electricsparkatλ~10cminducesatadistantwireloop,”Hertz1895-wirelesstelegraphiccommunicationand1900trans-AtlanticOceantelegraph,Marconi20thcentury1921–magnetron(磁控管),A.W.Hull1930-wavepropagationinwaveguide(波导),

Southworth

1937-klystron,Russell,SigurdandWilliamHansenWorldWarII–radar,MITRadiationLaboratory~1950–coaxial(同轴)cablesforradiocommunication~1960-satellitecommunication~1980-remotesensingsatellite,DBS(directbroadcastsatellite)~1990-PCS(personalcommunicationservices),GPS，VSAT(verysmallapertureterminals，≤2.4m)~2000-DigitalDBS,WLL(wirelesslocalloop),GII(globalinformationinitiative)usingmobilesatellitenetwork,fibers,cablesandwireless1.2微波的特点（1）似光性和似声性似光性:直线传播、显著反射、折射，容易集中

微波的波长范围恰好比自然界中的宏观物体(如山峰、建筑物、舰船、飞机、车辆、导弹等)的尺寸小或相当。微波照射在这些物体上时将会产生很强的反射。——雷达。另外，微波的波长比尘埃、云雾及空气中的水滴尺度大，所以微波穿过尘埃、云雾和中、小雨的能力比光波强。因此，利用微波可以穿过尘埃，云雾及中、小雨探测到自然界中的宏观物体。这是低频电磁波和光波都做不到的。引导飞行员在恶劣天气条件下降落的微波导航系统微波的波长介于无线电波和光波之间当波遇到障碍物，波长大于障碍物尺寸，波将会被绕射；波长小于障碍物尺寸或与障碍物尺寸相当时，波将会被反射。雷达(2)分析方法的独特性分析方法与直流、低频电路系统，低频元、器件以及它们的工作原理和分析方法截然不同。分析低频电路时，只需考虑各物理量随时间的变化，而不考虑其空间分布。对于微波系统，必须同时考虑各物理量随时间的变化以及其空间分布。换句话说：在确定的空间内，对于低频信号我们观察到的是物理量的振荡，对于高频信号我们观察到的是物理量的波动。例如：电磁波f=50Hz，波长为6000公里；f=100GHz，其波长就只有3毫米。如果电路的尺度为几十毫米，则在频率较高时，就必须考虑电磁场的空间分布。

集肤效应（趋肤效应）高频电流仅仅沿着导线外表的薄层通过．流过高频电流的导线截面面积与低频相比大大减小，因而导线电阻大大增加．表现出很大的能量衰减。这就是低领传输线不能用于微波的原因。辐射效应

理论和实践都证明．当一条传输线的长度可以同工作波长相比拟时，它将显著地辐射电磁能量。如同一个小天线。集肤效应辐射效应

TEM波传输线可用分布参数的“路”理论描述电场靠正负电荷支持电力线从正电荷发出到另一导体的负电荷；磁场由导体上的电流激发磁力线围绕导体的封闭曲线电场，正交磁场由于微波的特点，微波电路不但采用了与低频电路不同的传输系统，而且在分析微波电路时也必须引入与低频电路不同的物理量。微波电路

(3)共度性电子在真空管内的渡越时间（10-9秒）与微波的震荡周期（10-9-10-13）相当。应用:产生微波振荡器微波电子管、微波固体器件、微波量子器件延时效应分布参数起主导地位（4）穿透性微波能穿透等离子体和电离层由于微波既能穿透电离层(低频电磁波不行)也能穿透尘埃、云、雾(光波不行)，因此，微波就成了卫星通讯、空间通讯和射电天文研究的重要手段。家用卫星通信地面站大型卫星通信地面站(5)信息性(6)非电离性微波的量子能量与物质相互作用时，不改变物质分子的内部结构（只改变其运动状态）。

应用：微波医疗器械微生物对毫米波存在类似谐振的能量吸收谐振点，指出了正常细胞和癌细胞对毫米波具有不同的吸收谐振点。微波炉1.3微波的研究对象与应用微波应用微波的应用－－雷达

雷达：直线传播和反射探测目标的距离和方位发射机产生射频信号，由天线向外辐射。辐射出去的电磁波照射到目标目标对电磁波有反射（散射）作用，目标反射回来被雷达天线接收到的电磁波称为目标回波信号。回波信号送往接收机，接收机向终端设备供给视频信号，终端设备用以观察目标和测量目标坐标。电磁波在自由空间是以等速直线传播的。测出电磁波由雷达到目标之间的往返时间为t，算出目标距离为：

目标的角坐标由天线波束角的位置决定，波束角愈窄测得的目标角坐标愈准确，分辨率愈高。微波应用微波通讯系统的工作频带宽、信息容量大、机动性好，特别适合于卫星通讯，宇航通讯和移动通讯等，因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位。微波、毫米波通讯系统不但频带宽、信息容量大，而且还具有便于架设、机动性好、保密性好等优点。目前常见的蜂窝移动电话、寻呼机、微波电话网、微波电视网、卫星电视网等等，都属于微波通讯系统。在21世纪，全球个人通讯将会成为现实。那时，不仅每个电话机有电话号码，每个人也将有自己的专用电话号码，就象每个人都有一个身份证号码一样。可以肯定，全球个人通讯是绝对离不开微波通讯系统的。国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上。据统计美国为66%，日本为50%，法国为54%。我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一。

根据国际惯例，各国标准时间一般都以本国首都所处时区来确定。我国首都北京处于国际时区划分中的东8区，同格林尼治时间相差8小时。我国地域辽阔，东西相跨5个时区，这就是我国授时台必须建在中心地带，从而造成“北京时间”不在北京的原因。我国授时中心是“陕西天文台总部”，驻在陕西临潼。它将氢原子钟和铯原子钟精确的时间信息发送到陕西蒲城“中国科学院陕西天文台二部”，“二部”设有精密的监控系统和发播系统，每半小时为一周期，将循环时频程序信号发射出去。其精确度30万年不差1秒。中央人民广播电台则以此来校对电台的工作钟，从而向全国报告我们标准的“北京时间”。其它领域的微波应用－微波加热

微波加热——微波是一种特殊的能源，利用微波的热效应可以对一些物质进行加热。各种不同的物质，在微波电磁场中，对微波能吸收的情况是不一样的。导电物质遇到微波时，会在其表面产生全反射，微波不可能深入到导体内部。因此，微波不能用来加热良导体，只能对介质材料进行加热。由于介质材料内部存在极性分子，在微波电磁场的作用下，这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照微波场的极性排列取向。由于这些取向是按微波频率不断变化的，这种交变过程使分子运动相互摩擦而产生热能，使介质温度不断升高，这种通过介质分子运动将微波能转化为热能的效应就是微波加热。微波加热有三个主要特点：

1.被加热物质内外同时、均匀加热，加热速度快，热能利用率高。2.微波对介质材料的穿透能力比远红外强，其渗透深度与波长成正比。因而微波对介质材料的加热效率比远红外更高。微波甚至可以用于烧结特种陶瓷。3.微波磁控管的预热时间很短，一般开机15秒后即可开始加热，关机后立即停止加热。有利于对加热过程进行精确的控制。微波炉辐射微波炉工作所产生的辐射甚至比一根普通日光灯管还要少。目前，微波炉泄漏的国际标准是每平方厘米不超过5毫瓦，可见，

微波炉是一种安全的家电，不会对人的健康产生任何危害，广大消费者尽可放心使用微波炉。

微波治疗——微波可以对人体内的炎症、溃疡、肿瘤和其它病变产生抑制或治疗作用。目前，已经有很多类型的微波治疗仪器投入了实用。微波武器——微波武器的工作原理与微波炉基本相同。高能微波束可以干扰甚至摧毁敌方的各种电子设备；可以引爆敌方的炮弹、导弹甚至核武器等；可以干扰敌方人员的神经系统和大脑的思维，可以灼伤人的眼睛和人体组织，破坏大脑、心脏和呼吸系统的工作，直至杀伤敌方的人员。微波武器、激光武器和粒子束武器被称为新一代定向能武器，它们都是光速武器，而且看不见摸不着。微波武器又是这三种新概念兵器中研制费用最低，最容易实现的一种。其它领域的微波应用1.4微波通信系统的基本构成微波通信系统的基本结构（天线）微波通信系统的基本结构（滤波器）微波通信系统的基本结构正弦曲线晶体管谐振有源器件无源器件（放大器）（混频器）（振荡器）微波通信系统的基本结构微波通信系统的基本结构射频信号在器件中的传播

Lightwave入射反射透射

RF/MW网络分析仪测试要讨论的问题器件性能的描述:传输特性;反射特性器件传输特性/反射特性的指标定义?

Gain,Phase,GroupdelayVSWR,,,Impedance

影响器件传输/反射特性的因素?

工作频率

信号功率

反射特性

传输特性工作频率;信号功率反射特性的参数定义:¥

dB全匹配(ZL=Zo)rRLVSWR01全反射

(ZL=开路,短路)0dB1¥VoltageStandingWaveRatio=ZL-ZOZL+OZ=V反射V输入=rFG=rG=-20log(r),VSWR=EmaxEmin=1+r1-rEmaxEmin驻波比反射系数(电压比值)反射损耗

(功率比值)Z0:传输线特性阻抗Z1:传输线终端负载传输信号包络目录天线的基本概念

天线的发展历史

天线的重要参数常见天线

什么是天线（antenna（生物学中的触觉器官））?天线的基本概念天线的发展简史：无线电机器．有一条导线接着之后，性能好的不得了，这导线就称为天线

(Aerial)。—(WHIRE)

如果把上述无线电机器的外壳接地．那性能就更妙。－

GROWND

从无线电机器拉出去的天线，若是两条一字拉开．使电力呈平衡状是最好的。—(DIPOLE)

天线是否平衡，可以由简易的驻波比表测量出来。-尼马奇在双偶极天线能上，可以把部份长度缠绕成电感状，使天线能变短。—TRAP

天线是否平衡，不必光看天线在形体上是否对称，可以设法人工调整。—雷顿(RANDOM天线的广泛应用：天线伴随着每一个人民用：电视、广播、移动通信特殊用途：导航、定位、气象、卫星军事用途：雷达、制导武器、电子对抗等

天线分类方法

(1)按天线外形：有V形天线、菱形天线、环行天线、螺旋天线、喇叭天线和反射面天线、板状天线、帽状天线等

板状天线帽形天线鞭状天线面状天线(2)按工作波长：超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。(3)按天线特性分类：按方向特性分，有定向天线、全向天线；按极化特性分，有线极化(垂直极化和水平极化)天线和圆极化天线；按频带特性分，有窄频带天线、宽频带天线和超宽频带天线。定向天线全向天线天线分类方法(4)按天线结构分（分析方便）：线天线和面天线。线天线由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段；面天线由尺寸大于波长的金属或介质面构成，主要用于微波波段。这两种天线都可用于超短波波段。（我们按照此种分类方式进行讲解）线天线面天线天线分类方法2.3天线重要参数天线