微波技術(shù)基礎(chǔ).

1、微波技術(shù)基礎(chǔ)詹銘周詹銘周 科研樓C305：61831021第1課 緒論P(yáng)1P5 內(nèi)容： 1、微波的定義（頻率或波長的范圍頻率或波長的范圍）； 2、微波頻段的劃分（波段代號波段代號）； 3、微波的特性特性； 4、微波的應(yīng)用應(yīng)用； 5、微波輻射的危害與標(biāo)準(zhǔn)； 6、微波技術(shù)基礎(chǔ)關(guān)注的內(nèi)容。1、微波的定義 定義：波長在1m 0.1mm的電磁波，對應(yīng)頻率范圍為300MHz 3000GHz。 波段細(xì)分： 分米波： 300MHz3GHz， 1m10cm 厘米波： 3GHz30GHz， 10cm1cm 毫米波： 30GHz300GHz， 1cm1mm 太赫茲波：300GHz3THz， 1mm0.1mm電磁頻譜

2、分布圖2、微波波段劃分 源于第二次世界大戰(zhàn)期間，為了保密，用大寫英文字母表示工作雷達(dá)的工作波段雷達(dá)的工作波段。 德國標(biāo)準(zhǔn)、德國標(biāo)準(zhǔn)、美國標(biāo)準(zhǔn)美國標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。 中國有自己的雷達(dá)波段標(biāo)準(zhǔn)，而且不同于其他國家的劃分，似乎是界于美國與德國的標(biāo)準(zhǔn)之間。波段類型波長cm 頻率GHzA米波0.25B米波0.25-0.5C分米波30-600.5-1D分米波15-301-2E分米波30-602-3F分米波15-303-4G分米波7.5-154-6H厘米波4-56-8I厘米波3-48-10J厘米波1.5-310-20K厘米波0.75-1.520-40L毫米波0.5-0.7540-60M毫米波0.3

3、-0.560-100歐洲新標(biāo)準(zhǔn)下的部分波段表歐洲新標(biāo)準(zhǔn)下的部分波段表 波段代號標(biāo)稱波長cm頻率范圍GHz波長范圍cmL221-230-15S102-415-7.5C54-87.5-3.75X38-123.75-2.5Ku212-182.5-1.67K1.2518-271.67-1.11Ka0.827-401.11-0.75U0.640-600.75-0.5V0.460-800.5-0.375W0.380-1000.375-0.3我國現(xiàn)用微波分波段代號我國現(xiàn)用微波分波段代號BandFrequency RangeOrigin of NameP 250 to 1000 MHz 由于最早的雷達(dá)使用的是

4、米波，這一波段被稱為P波段（P為Previous的縮寫，即英語“以往”的字頭)。L 1 to 2 GHz 最早用于搜索雷達(dá)的電磁波波長為23cm，這一波段被定義為L波段（英語Long的字頭），后來這一波段的中心波長變?yōu)?2cm。S 2 to 4 GHz 當(dāng)波長為10cm的電磁波被使用后，其波段被定義為S波段(英語Short的字頭，意為比原有波長短的電磁波）。 短波通信的“短” (3-30MHz).C 4 to 8 GHz 為了結(jié)合X波段和S波段的優(yōu)點(diǎn)，逐漸出現(xiàn)了使用中心波長為5cm的雷達(dá)，該波段被稱為C波段（C即Compromise，英語“結(jié)合”一詞的字頭）。X 8 to 12 GHz 在主要

5、使用3cm電磁波的火控雷達(dá)出現(xiàn)后，3cm波長的電磁波被稱為X波段，因?yàn)閄代表座標(biāo)上的某點(diǎn)。Ku 12 to 18 GHz Ku for “kurz-under”. 避開吸收峰。K 18 to 26 GHz 在英國人之后，德國人也開始獨(dú)立開發(fā)自己的雷達(dá)，他們選擇1.5cm作為自己雷達(dá)的中心波長。這一波長的電磁波就被稱為K波段（K = Kurtz，德語中“短”的字頭）?！安恍摇钡氖?，德國人以其日爾曼民族特有的“精確性”選擇的波長可以被水蒸氣強(qiáng)烈吸收。Ka 26 to 40GHz Ka for “kurz-above”. 避開吸收峰。Q30 to 50 GHzU40 to 60GHzV 50 to

6、75 GHz V for very high frequency band (not to be confused with VHF)E60 to 90 GHzW 75 to 110 GHz W follows V in the alphabet F110 to 140 GHzG140 to 220 GHzD110 to 170 GHzR220 to 325 GHz家用電器也有“波段” 無線電通信與廣播（頻道） 電視頻道 無線電委員會已經(jīng)將有限的頻率資源劃分了各自的應(yīng)用領(lǐng)域。以免系統(tǒng)之間的相互干擾。 各頻段典型的應(yīng)用如下表所示。SystemFrequency rangeRFID systems

7、125 to 134 kHz 13.56 MHz UHF (400 to 930 MHz) 2.45 GHz 5.8 GHzAM radio (United States)535 kHz to 1.7 MHzShort wave radio5.9 to 26.1 MHzCitizens band (CB) radio (40 channels)26.96 to 27.41 MHzRadio controlled airplanes27.255 MHz (shared with CB channel 23)Broadcast television channels 2-654 to 88 MHz

8、FM radio88 to 108 MHzBroadcast television, channels 7-13174 to 220 MHzGarage door openers, alarms40 MHzCordless analog phones40-50 MHzBaby monitors49 MHzSystemFrequency rangeRadio controlled airplanes72 MHzRadio controlled cars75 MHzRemote keyless entry (RKE) systems, tire pressure monitoring system

9、s (TPMS)315 or 433 MHzRFID UHF433 MHzUHF television (channels 14-83)470 to 890 MHzWildlife tracking collars, bank money dye packs not a frequency you want to transmit.215 to 220 MHzPersonal Locator Beacons and other emergency beacons. 406 MHzCordless phones 864 to 868 MHz 944 to 948 MHzIndustrial, m

10、edical & scientific (ISM) band Europe including RFID866-870MHzCell phones (GSM)824 to 960 MHzSystemFrequency rangeIndustrial, medical & scientific (ISM) band United States including RFID902 to 928 MHzAir traffic control radar960 to 1215 MHzGlobal positioning system (GPS)1227.6 MHz (L2 band,

11、20 MHz wide) 1575.42 MHz (L1 band, 20 MHz wide)Globalstar satellite phone downlinkGlobalstar satellite phone uplink1610 to 1625 MHz 2484 to 2499 MHzCell phones (GSM)1710 to 1990 MHzDigital cordless phones1880 to 1900 MHzPersonal handy phone system (PHS) 1895 to 1918 MHzDeep space radio communication

12、s: 2290 to 2300 MHz，ku/W-bandIndustrial, medical & scientific (ISM) band2400 to 2483.5 MHzShared wireless data protocols (Bluetooth, 802.11b):2402 to 2495 MHzMicrowave ovens2450 MHzSystemFrequency rangeSatellite radio downlinkXM Satellite Sirius Satellite2330 to 2345 MHz2332.50 to 2,345.00 MHz 2

13、320.00 to 2,332.50 MHzClear (Sprint) 4G2.5 to 2.6 GHzRadio altimeters4.2 to 4.4 GHz802.11a wireless local area network (WLAN)5.15 to 5.25 GHz (lower band)5.25 to 5.35 GHz (middle band)5.725 to 5.825 (upper band)Industrial, medical & scientific (ISM) band5.725 to 5.85 GHzSatellite radio uplink7.0

14、50 to 7.075 GHzPolice radar10.525 GHz (X-band)24.150 (K-band)33.4 to 36 GHz (Ka-band)Direct broadcast satellite TV downlink (Europe)11.7 to 12.5 GHzDirect broadcast satellite TV downlink (US)for example, Echostars Dish Network12.2 to 12.7 GHzSystemFrequency rangeSatellite Transmission uplink (news t

15、rucks, etc) in United States (thanks Chris!)14-14.5 GHzAutomotive radar, distance sensors24 GHzUnlicensed wireless GigaBit, (WiGig, aportmanteau). Gibabit Wireless Alliance is covered by IEEE802.11ac standard.57 to 64 GHzAutomotive radar, adaptive cruise control76 to 77 GHzE-band (new FCC-approved u

16、ltra-high speed data communications band)71 to 76 GHz, 81 to 86 GHz and 92 to 95 GHz防撞雷達(dá)，導(dǎo)引雷達(dá)，防撞雷達(dá)，導(dǎo)引雷達(dá)，機(jī)場跑道異物機(jī)場跑道異物監(jiān)測監(jiān)測94 GHz機(jī)場安檢，高速通信，生物檢測機(jī)場安檢，高速通信，生物檢測THz3、微波的主要特性 微波和低頻的無線電波、可見的和不可見的光波、X 射線、 射線一樣，本質(zhì)上都是隨時本質(zhì)上都是隨時間和間和空間變空間變化的、呈波動狀態(tài)化的、呈波動狀態(tài)的電磁波的電磁波。盡管它們的表現(xiàn)各不相同，例如可見光可以被人眼所感覺而其他波段則不能；X 射線、 射線具有穿透導(dǎo)體的能力

17、而其他波段則不具有這種能力；無線電波可以穿又透濃又厚的云霧而光波則不能等，但它們都是電磁波。之所以出現(xiàn)這么多不同的表現(xiàn)，歸根結(jié)底歸根結(jié)底是因?yàn)樗鼈兊念l率不同是因?yàn)樗鼈兊念l率不同即波長不同。3、微波的主要特性 1）似光性和似聲性）似光性和似聲性 1.1 似光性：似光性：當(dāng)微波照射到某些電大物體電大物體上時，將產(chǎn)生顯著的反射和折射反射和折射，就和光線的反、折射一樣。同時微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣地直線傳播和容易集中，即具有似光性。這樣利用微波就可以獲得方向性好、體積小的天線設(shè)備，用于接收地面上或宇宙空間中各種物體反射回來的微弱信號，從而確定該物體的方位和距離，這就是雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)的

18、基礎(chǔ)。 1.2 似聲性似聲性 微波的波長與物體的尺寸具有相同的量級，使得微波的特點(diǎn)又與聲波相近，具有繞射繞射和散射和散射現(xiàn)象，即似聲性。 如微波波導(dǎo)喇叭類似與聲學(xué)的傳聲筒。 如微波波導(dǎo)喇叭天線類似于聲學(xué)喇叭。 2）穿透性）穿透性 微波照射于物體物體時，能深入該物體內(nèi)部的特性稱為穿透性。2.1 微波能穿透電離層；微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波（除光波外），探測外層空間的“宇宙窗口”。穿透電離層深空探測 The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international partnership of Euro

19、pe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile, is the largest astronomical project in existence. ALMA will be a single telescope of revolutionary design, composed initially of 66 high precision antennas located on the Chajnantor plateau, 5000 meters altitude in northern C

20、hile.2.2 穿透云、雨、植被、積雪、煙塵和地表層； 全天候、全天時工作能力，遙感技術(shù)的重要波段。2.3 穿透生物體；微波能穿透生物體，成為醫(yī)學(xué)檢測和透熱療法的重要手段；2.4 穿透等離子體再入遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器重返大氣層時實(shí)現(xiàn)通信和末端制導(dǎo)的重要手段。再入遠(yuǎn)程導(dǎo)彈速度可達(dá)12000km/h，彈體外表高溫，空氣電離化。3）非電離性（非離子化輻射） 微波的量子能量量子能量不夠大，因而不會改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞其分子的化學(xué)鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。 而由物理學(xué)可知，分子、原子和原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因此微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和

21、基本特性提供了有效的研究手段。 最受關(guān)注的是電磁輻射的生物效應(yīng)。 離子化輻射會破壞分子結(jié)構(gòu)； 非離子化輻射僅有加熱作用，使分子運(yùn)動。紫外線以上紫外線以上3、非電離性（非離子化輻射） 電磁波能量的載體是光子。 頻率越高，光子的能量就越大。當(dāng)光子能量高到足夠使被照射物質(zhì)的電子發(fā)生躍遷時，稱為離子化輻射。 比如，工作在2.45GHz的微波爐，工作時，每個光子的能量為0.00001eV，僅是離子化輻射所需能量的百萬分之一。 微波輻射的危害主要在于加熱性。 日光浴的致癌幾率遠(yuǎn)大于微波輻射。 為什么為什么X射線小劑量就會對人造成傷害，而微波要射線小劑量就會對人造成傷害，而微波要大劑量才會？大劑量才會？4）

22、信息性）信息性 微波的頻率很高，所以在不太大的相對帶寬下，其可用的頻帶很寬，這意味著微波的信息容量大。是低頻無線電波無法比擬的。 微波技術(shù)主要應(yīng)用之處 ！ Unlicensed wireless GigaBit, (WiGig, aportmanteau). Gibabit Wireless Alliance is covered by IEEE802.11ac standard. 57 to 64 GHz 該頻段的開發(fā)是目前微波技術(shù)的熱點(diǎn)之一！ “要實(shí)現(xiàn)數(shù)Gbps以上速率的唯一方法就是利用毫米波?！蔽⒉ǖ拇髿馕仗匦裕ê０危╇姶挪ǖ拇髿馕仗匦裕êＦ矫妫┪⒉l段微波頻段10GHz以下，大氣衰

23、減對微波的影響很小。以下，大氣衰減對微波的影響很小。5）微波的大氣傳播特性）微波的大氣傳播特性 5.1 氧氣和水蒸氣對微波頻率會產(chǎn)生選擇性的吸收和散射， 在毫米波頻段尤為突出；大氣層之外衰減很小。 5.2 氧氣分子諧振引起的吸收峰出現(xiàn)在60GHz和120GHz附近， 而由水蒸氣諧振引起的吸收峰在22GHz和183GHz附近。 5.3 四個傳播衰減相對較小的“窗口頻率”，其中心頻率分別在35、94、140和220GHz，相應(yīng)波長分別為8.6、3.2、2.1和1.4mm； 5.4 隨著電磁波的工作頻率升高，總的衰減呈上升趨勢。 小結(jié) 微波的主要特性：微波的主要特性： 似光性和似聲性似光性和似聲性

24、穿透性穿透性 非電離性非電離性 信息性信息性 微波的大氣傳播特性（窗口頻率）微波的大氣傳播特性（窗口頻率）這些特性是紅外與光這些特性是紅外與光波頻段的電磁波所不波頻段的電磁波所不具備的。具備的。4、微波的應(yīng)用 在介紹微波特性的時候，已經(jīng)隨機(jī)地介紹了某些典型應(yīng)用。 歸納如下： 微波的應(yīng)用： 4.1 信息載體傳統(tǒng)應(yīng)用雷達(dá)、通信、導(dǎo)航/定位、遙感、測量、交通管制和目標(biāo)特性分析等軍民用領(lǐng)域。 4.2 微波能微波能強(qiáng)功率和弱功率應(yīng)用。4.1 信息載體 雷達(dá)（包括導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)）(1935) 1. 目前95以上的雷達(dá)工作在微波頻段微波雷達(dá)； 2. 微波工作的雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)：可以使用尺寸較小的天線，來獲得很窄的波

25、束寬度，以獲取關(guān)于被測目標(biāo)性質(zhì)的更多的信息幅度、頻率、相位、極化、多普勒頻率等信息 。 就雷達(dá)波段而言 UHF用于超遠(yuǎn)程警戒； L波段用于遠(yuǎn)程警戒、空中交通管制； S波段用于中程警戒、機(jī)場交通管制、遠(yuǎn)程氣象觀測； C波段用于遠(yuǎn)程跟蹤、機(jī)載氣象觀測； X波段用于遠(yuǎn)程跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、測繪、機(jī)載攻擊； Ku波段用干地形測繪、衛(wèi)星測高度，汽車防撞； Ka用于精確制導(dǎo)等。 。4.1 信息載體 通信 1. 微波具有頻率高、頻帶寬和信息量大的特點(diǎn)； 2. 應(yīng)用業(yè)務(wù)包括：微波多路通信、微波中繼通信、散射通信、移動通信、衛(wèi)星通信和無線局域網(wǎng)等。 4.1 信息載體 機(jī)場安檢美國交通安全實(shí)驗(yàn)室主任美國交通安全實(shí)驗(yàn)室

26、主任 Susan Hallowell。（。（2003年）年）本土安全。本土安全。類似系統(tǒng)已裝備多機(jī)場，已成為必須的安檢手段。類似系統(tǒng)已裝備多機(jī)場，已成為必須的安檢手段。4.2 微波能 高功率應(yīng)用 微波爐 微波加熱的是一些能夠吸收微波的吸收性介質(zhì)，即含有極性分子的介質(zhì)材料。 當(dāng)有極性分子的介質(zhì)材料置于微波電磁場中時，介質(zhì)材料中會形成偶極子或已有的偶極子重新排列，在交變電磁場的作用下，并隨著高頻交變電磁場以每秒高達(dá)數(shù)億次的速度擺動，分子要隨著不斷變化的高頻電場的方向重新排列，就必須克服分子原有的熱運(yùn)動和分子相互間作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生類似于摩擦的作用，產(chǎn)生大量的熱量。由于微波頻率高，極性分子擺動速度很快，因此，快速加熱是微波加熱的突出特點(diǎn)。4.2 微波能 高功率 微波能武器 1、用于反恐（見視頻） 2、破壞電子設(shè)備，癱瘓有生力量 共振在微波電磁場的作用下，生物體內(nèi)的一些分子將會產(chǎn)生變形和振動，使細(xì)胞膜功能受到影響，使細(xì)胞膜內(nèi)外液體的電狀況發(fā)生