微波技術(shù)基礎(chǔ)第七章 課后答案楊雪霞.ppt

第七章 微波系統(tǒng)及微波技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介 本章主要內(nèi)容 n天線的系統(tǒng)特征 n無(wú)線通信和微波輸能的微波傳輸系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng) n微波技術(shù)的應(yīng)用 7.1 天線線的系統(tǒng)統(tǒng)特征 7.1.1 天線線的輻輻射場(chǎng)場(chǎng) 微波系統(tǒng)中的收發(fā)天線 天線分類 電小天線：短偶極子，電小環(huán)天線 諧振式天線：半波偶極子，微帶天線，八木天線 寬帶天線：螺旋天線，對(duì)數(shù)周期陣 口徑天線：喇叭天線，反射面天線 電磁波的平均坡印亭矢量為 任意天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可表示為 7.1.1 天線線的輻輻射場(chǎng)場(chǎng) 7.1.2 天線線的方向性 u方向圖圖函數(shù) 方向圖就是輻射區(qū)任一方向的場(chǎng)強(qiáng)與同一距離的最大場(chǎng)強(qiáng)之比與方向角之間 的關(guān)系曲線，表示方向圖的函數(shù)也叫做方向圖因子，即 u半功率主瓣寬寬度 為了表征方向圖波瓣的寬度，定義主瓣兩側(cè)半功率點(diǎn)處的角為 定義 為半功率主瓣寬度HPBW，第一零點(diǎn)波束寬度為FNBW. （a） 場(chǎng)波瓣圖 （b）功率波瓣圖 7.1.2 天線線的方向性 u方向性系數(shù) 定量描述天線輻射功率的集中程度，將一個(gè)在各個(gè)方向輻射功 率相同的點(diǎn)源作為比較標(biāo)準(zhǔn)，天線在最大輻射方向上遠(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)的輻 射功率密度與輻射功率相同的點(diǎn)源在同一點(diǎn)的功率密度之比，為天 線的方向性系數(shù). 由于輻射功率密度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方，所以最大方向的方 向性系數(shù)D（Directivity）為 或者在產(chǎn)生相等的電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下，理想點(diǎn)源天線的總輻射功率 P0與某天線的總輻射功率之比 7.1.3 天線線的效率和增益 天線中的導(dǎo)體和介質(zhì)都有損耗，天線的效率為輻射功率與輸入功率之比 增益：在產(chǎn)生相等的最大電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下，理想點(diǎn)源所饋入的輸入功 率與某天線所饋入的輸入功率之比，即 用dB表示 7.1.4 天線線的有效面積積 接收天線的有效面積：天線最大可接收功率PRM與來(lái)波的實(shí)功率流密度 Si的比值 對(duì)電大口徑天線，其有效面積接近于實(shí)際的物理口徑面積。對(duì)偶極子 、環(huán)形天線等，其物理橫截面積和它的有效面積不存在以上簡(jiǎn)單關(guān)系 。 7.1.5 天線線的帶寬帶寬 偏離中心頻率時(shí)，天線的某些電性能會(huì)降低，如天線的輸入阻抗 、增益、波瓣寬度、極化等. 電性能下降到容許值所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，就稱為天線帶寬 . 絕對(duì)帶寬 相對(duì)帶寬 相對(duì)帶寬小于1%為窄帶天線；相對(duì)帶寬在1%25%之間為寬頻帶天線 ；相對(duì)帶寬大于25%為超寬帶（UWB）天線 7.2 無(wú)線傳輸線傳輸系統(tǒng)統(tǒng) 7.2.1 Friis傳輸傳輸公式 基本的無(wú)線傳輸系統(tǒng) 設(shè)發(fā)射天線的最大方向指向接收天線，則在D處產(chǎn)生的功率密度為 設(shè)接收天線的最大方向也指向發(fā)射天線，則能得到的最大接收功率為 Friis傳輸公式 或 n微波頻帶寬，可容納更多的無(wú)線電設(shè)備工作，實(shí)現(xiàn)多路通信； n微波波段可采用高增益的定向天線，從而降低發(fā)射機(jī)的輸出功率； n微波在視距內(nèi)直線、定向傳播，保密性好； n微波受工業(yè)、天電和宇宙等外界干擾較小，可使通信質(zhì)量大大提高； n微波能夠穿透電離層； n微波通信是無(wú)線的，不受地形條件限制。 7.2.2 無(wú)線線通信系統(tǒng)統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 7.2.2 無(wú)線線通信系統(tǒng)統(tǒng) 7.2.3 微波輸輸能系統(tǒng)統(tǒng) 整流天線的組成 u長(zhǎng)距離、大功率微波輸能技術(shù)，如太陽(yáng)能空間站、為空中永久工作平 臺(tái)供電、兩地之間輸送電能等; u在同溫層（即臨近空間）建立永久作業(yè)平臺(tái)，如浮空器、無(wú)人飛機(jī)， 其功能相當(dāng)于一顆近地小衛(wèi)星; u地理環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)、孤島、山頂?shù)纫恍┎槐慵茉O(shè)線路的地區(qū)供電. 7.2.3 微波輸輸能系統(tǒng)統(tǒng) 7.3 雷達(dá)系統(tǒng)統(tǒng)與導(dǎo)導(dǎo)航 radar (radio detecting and ranging), 1940s年代 雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用 u導(dǎo)航、氣象觀測(cè)、高度測(cè)量、飛行器著陸、防盜報(bào)警、警用速度測(cè) 量、繪制地圖等 u飛行器、導(dǎo)彈、航天器的探測(cè)和跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、武器導(dǎo)爆和偵察 等 u射電天文、制圖和成像、精密距離測(cè)量，以及自然資源遙感等。 發(fā)射機(jī)通過(guò)天線向空間定向發(fā)送探測(cè)信號(hào)，信號(hào)被遠(yuǎn)距離的目標(biāo) 部分反射后，由天線接收并傳送到接收機(jī)接受檢測(cè)和信號(hào)處理，觀測(cè) 有無(wú)目標(biāo)以及目標(biāo)性質(zhì)和距離。 7.3.1 雷達(dá)基本工作原理 單站雷達(dá) 雙站雷達(dá) 超遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的作用距離達(dá)10000km以上，能夠?qū)χ揠H導(dǎo)彈的突 然襲擊給出1530min的預(yù)警時(shí)間. 相控陣?yán)走_(dá)，利用電子計(jì)算機(jī)控制其天線陣列中諸元的饋電相位 ，以電控方式實(shí)現(xiàn)波束的快速掃面，并能根據(jù)需要形成多波束，實(shí)現(xiàn) 對(duì)多目標(biāo)的同時(shí)探測(cè)和自動(dòng)跟蹤. 民用雷達(dá)，如氣象雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)、汽車防撞雷達(dá)、盲人雷達(dá)、 防盜雷達(dá)，以及遙感測(cè)試?yán)走_(dá)等。 7.3.1 雷達(dá)基本工作原理 7.4 微波技術(shù)術(shù)的其他應(yīng)應(yīng)用 微波檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究ISM（Industrial, Scientific and Medical ）等領(lǐng)域. 表 幾個(gè)ISM頻帶 頻段 波段中心頻率波長(zhǎng) 890-940MHzL0.330m 2.4-2.5GHzS0.122m 5.725-5.875GHzC5.2cm 22-22.25GHzK8mm 7.4.1 微波檢測(cè)檢測(cè)技術(shù)術(shù)的工業(yè)應(yīng)業(yè)應(yīng)用 微波測(cè)濕利用物質(zhì)含水量對(duì)其介電常數(shù)和損耗角正切影響較大的特性 來(lái)檢測(cè)物質(zhì)的濕度; 在130GHz內(nèi)，常溫下水的相對(duì)介電常數(shù)在3077之間，損耗角正切在 0.120.17范圍； 而大多數(shù)干物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)在15之間，損耗角正切在0.0010.05 范圍測(cè)試樣品通常是某種介質(zhì)和水的混合物，其復(fù)合介電常數(shù)介于水的介 電常數(shù)和某種物質(zhì)的介電常數(shù)之間，含水量的大小將導(dǎo)致復(fù)合介電常數(shù)的 變化。 對(duì)于TEM波，衰減常數(shù)和相移常數(shù)分別為 通過(guò)厚度為d的測(cè)濕樣品后，其衰減和相移量分別為 實(shí)際中，不需測(cè)介電常數(shù)和損耗角正切，而直接測(cè)量微波衰減量 和相移，或諧振頻率，然后根據(jù)它們與濕度的定標(biāo)曲線差得到濕度. 衰減、相移量和厚度可直接測(cè)測(cè)量 ，由此可計(jì)計(jì)算樣樣品的相對(duì)對(duì)介電電常 數(shù)r和損損耗角正切tan，某對(duì)對(duì)（r ，tan）對(duì)應(yīng)該對(duì)應(yīng)該 物品的濕度 7.4.1 微波檢測(cè)檢測(cè) 技術(shù)術(shù)的工業(yè)應(yīng)業(yè)應(yīng) 用 微波衰減法測(cè)濕框圖 u測(cè)量懸浮體對(duì)微波的衰減量，可以得到懸浮體的濃度； u用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè) 量試樣 的相位和幅度，可檢測(cè) 膠接結(jié)構(gòu)的脫粘和氣孔 大小 u測(cè)量金屬板對(duì)微波的反射系數(shù)相角的變化，可以確定金屬板的厚度 u還可以檢測(cè)金屬表面的裂紋 7.4.1 微波檢測(cè)檢測(cè) 技術(shù)術(shù)的工業(yè)應(yīng)業(yè)應(yīng) 用 7.4.2 微波能的應(yīng)應(yīng)用 微波是攜帶能量的，微波能已經(jīng)用于食品烹飪和加熱、工業(yè)烘干 、農(nóng)業(yè)殺蟲(chóng)、滅菌等方面。 微波加熱基本原理：電磁場(chǎng)作用于介質(zhì)，介質(zhì)分子由于極化而成 為電偶極子，電偶極子隨電磁場(chǎng)的變化而產(chǎn)生擾動(dòng)，由于分子熱運(yùn) 動(dòng)和鄰近分子間的相互作用，使這種擾動(dòng)受到干擾和阻礙，并以熱 的形式表現(xiàn)出來(lái)，使介質(zhì)的溫度升高. 優(yōu)優(yōu)點(diǎn)：加熱均勻、速度快、熱效率高、可以進(jìn)行選擇性加熱、容 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 . 微波加熱設(shè)備 方框圖 微波加熱源有連續(xù) 波磁控管和多腔速調(diào) 管 7.4.3 微波技術(shù)術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)應(yīng)用 u微波技術(shù)用于疾病的診斷和治療，當(dāng)組織發(fā)生病變時(shí)，其形態(tài) 或結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，用微波技術(shù)測(cè)量這些介質(zhì)特性的變化可用作 診斷疾病的基礎(chǔ)。 u微波治療能量集中、受熱體積及溫度容易控制等優(yōu)點(diǎn) u現(xiàn)在微波理療已普遍用于治療肌肉勞損、酸痛等疾病，在腫瘤 治療方面也獲得較大突破 7.4.4 微波技術(shù)術(shù)在科研中應(yīng)應(yīng)用 u微波波譜譜學(xué) 研究在微波照射下，通過(guò)物質(zhì)產(chǎn)生電磁輻射與吸收以及能量的 頻譜分布情況，來(lái)研究分子能譜的精細(xì)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)的科學(xué) . 1960s年代開(kāi)始，用射電望遠(yuǎn)鏡與微波波譜學(xué)相結(jié)合，在星際 空間發(fā)現(xiàn)了幾十種有機(jī)分子. u微波等離子體 等離子體是由帶正、負(fù)電荷的兩種粒子所組成的電中性粒子體 系，其中至少有一種帶電粒子是可以自由運(yùn)動(dòng)的. 高功率微波可以使稀薄的氣體放電而產(chǎn)生等離子體，微波等離 子體已用于雷達(dá)的天線開(kāi)關(guān). 利用微波在等離子體中的傳播特性來(lái)測(cè)量等離子體的參量。其 基本原理是，若微波頻率足夠高，微波大部分可以透射到等離子體 內(nèi)部，其振幅和相位發(fā)生變化，測(cè)出這一變化