《微波技術(shù)與天線》緒論0

授課老師：張寧超郵箱：ningchaozhang@163.com《微波技術(shù)與天線》課時安排：1-8周（32學時）平時成績30％，考試70％

1，微波波段2，微波特點3，微波的應用4，微波防護5，發(fā)展簡史緒論主要內(nèi)容微波是一種頻率非常高的電磁波。把波長從1米到0.1毫米范圍內(nèi)的電磁波稱為微波。微波波段對應的頻率范圍為:3×108Hz～3×1011Hz。如下圖所示微波波段微波的概念及波段劃分電磁波波段劃分常用微波波段的劃分衛(wèi)星通訊通訊電視廣播雷達無線導航微波波段的代號及對應的頻率范圍老的P－波段=新的A/B波段老的L－波段=新的C/D波段老的S－波段=新的E/F波段老的C－波段=新的G/H波段老的X－波段=新的I/J波段老的K－波段=新的K波段最早的米波雷達稱P-波段雷達(Previous)；標準搜索雷達波長23cm，稱L-波段(Long，22～50cm)；更短波長雷達(10cm)，稱S-波段（Short，比標準L波段短的意思）；火控雷達波長3cm，稱X-波段（生活中X通常用來指定和標示地點）；搜索雷達和火控雷達的折衷波長的雷達稱C-波段(Compromise是折衷的意思)；德國人發(fā)展更短波長的雷達（1.5cm），德國人稱K－波段雷達(Kurtz，德語“短”)；K－波段雷達在雨天和霧天無法使用，戰(zhàn)后為Ka(K－above)和Ku(K－under)；新老雷達波段代碼典型應用下的頻率微波波段ISM簡介特別為工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM—Industrial-Scientific-Medical）應用而保留的頻率范圍。這些頻率范圍在世界范圍內(nèi)是統(tǒng)一劃分的。射頻識別系統(tǒng)射頻識別系統(tǒng)產(chǎn)生并輻射電磁波，所以這些系統(tǒng)被合理地歸為無線電設備一類，射頻識別系統(tǒng)工作時不能對其他無線電服務造成干擾或削弱。所以只能使用ISM應用而保留的頻率范圍八十年代后期，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）對使用無線電的計算機通信開放了無須申請就可以使用的ISM頻段，使得無線網(wǎng)絡的使用成為通信領(lǐng)域的一個熱點日本于1993年也公布了無線局域網(wǎng)使用的ISM頻段在中國，也先后開放2.4G和5.8G作為ISM頻段ISM與無線局域網(wǎng)我國衛(wèi)星電視主要使用C波段，即上行6GHz，下行4GHz1996.8中星5號停播后我國收看的幾顆主要衛(wèi)星：-100.5°E，亞洲2號，1996.5升空，24個C波段轉(zhuǎn)發(fā)器、134°E，亞太1A，1996.7升空，8個C波段轉(zhuǎn)發(fā)器138°E，亞太1號，1994年升空，24個C波段轉(zhuǎn)發(fā)器分析方法長線與短線的定義：傳輸線的長度遠遠大于或等于波長的傳輸線叫長線，傳輸線的長度小于波長的線叫短線傳輸線長度為3cm，當信號頻率為20GHz時？？由于微波波長較短，微波的傳輸系統(tǒng)，微波元器件以及它們的工作原理和分析方法都與直流、低頻電路系統(tǒng)、低頻元器件以及它們的工作原理和分析方法截然不同。首先，在分析低頻電路時，我們可以認為有關(guān)物理量在傳輸系統(tǒng)中是均勻分布的。因此，我們只需考慮各物理量隨時間的變化，而不考慮其空間分布。對于微波系統(tǒng)，我們必須同時考慮各物理量隨時間的變化以及其空間分布。換句話說：在確定的空間內(nèi)，對于低頻信號我們觀察到的是物理量的振蕩，對于高頻信號我們觀察到的是物理量的波動。例如：電磁波的頻率若為50Hz，其波長即為6000公里；電磁波的頻率若為100GHz，其波長就只有3毫米。如果電路的尺度為幾十毫米，則在頻率較高時，就必須考慮電磁場的空間分布。自由空間中以光速沿直線傳播在不同媒質(zhì)的分界面上要發(fā)生反射和折射如果分界面的線性尺寸不比波長大很多，會出現(xiàn)干涉和衍射現(xiàn)象遵守波動基本規(guī)律微波波長和一般物體的線性尺寸相當，可以采用成熟的幾何光學方法來設計各種微波儀器和設備，比如用透鏡或反射面來設計微波天線設計器件體積小，波束方向性強微波的特性似光性波長上與實驗室的設備（物體）尺寸相當同量級，使其的特點又與聲波相近。波導－－－－傳聲筒喇叭天線－－聲學喇叭諧振腔－－－聲學共鳴箱似聲性微波的特性振蕩頻率3億次以上，周期短，10-9～

10-12s低頻電子器件的渡越時間10-8～10-9s

需要考慮完全新穎的微波電子器件可用頻帶很寬，在大容量通信場合得到廣泛應用，如衛(wèi)星通信、多路通信。具有通信容量高、抗干擾能力強的特性頻率高微波的特性在特定波長穿透電離層，可以衛(wèi)星通信、宇宙通信、遙感、定位穿透云、霧、雨、植被、積雪，并對微波有不同程度的吸收與反射，可以利用厘米波或毫米波雷達來觀測它們的存在和流動。氣象預報穿透地表，作為探地雷達能穿透生物體，為微波生物醫(yī)學打下基礎(chǔ)穿透性微波的特性量子能量不夠大，不能改變分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分子、原子和原子核呈現(xiàn)出諧振現(xiàn)象?？梢蕴剿魑镔|(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非電離性微波的特性微波電磁能量傳送到有耗物體內(nèi)部，會使物體分子互相碰撞、摩擦，從而使物體發(fā)熱可以進行微波加熱，用于糧食、茶葉、卷煙、木材、皮革等各種行業(yè)熱效率高、熱透深度大、加熱均勻（里外一起熱）、加熱迅速熱效應微波的特性散射特性當電磁波入射到物體上，會在除入射波方向產(chǎn)生散射，散射波將攜帶大量關(guān)于散射體的信息。廣泛應用與微波遙感、雷達成像、遠距離微波散射通信。微波的特性抗低頻干擾地球周圍的噪聲和干擾主要是宇宙和大氣在傳輸信道上產(chǎn)生的自然噪聲，由各種電器設備工作時產(chǎn)生的人為噪聲，這些噪聲一般都在中低頻，與微波頻率差別很大可以濾除微波的特性微波的特點原先的廣播和電視采用頻率都在微波以下，但是隨著電臺增多，相互干擾增多，從而發(fā)展到微波頻段。典型的是采用微波進行衛(wèi)星電視直播。微波的應用廣播與電視

微波通訊系統(tǒng)的工作頻帶寬、信息容量大、機動性好，特別適合于衛(wèi)星通訊，宇航通訊和移動通訊等，因而在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中占有相當重要的地位。微波、毫米波通訊系統(tǒng)不但頻帶寬、信息容量大，而且還具有便于架設、機動性好、保密性好等優(yōu)點。目前常見的蜂窩移動電話、微波電話網(wǎng)、微波電視網(wǎng)、衛(wèi)星電視網(wǎng)等等，都屬于微波通訊系統(tǒng)。微波中繼通信微波散射通信：利用對流層的散射特性進行通信同軸電纜和波導通信移動通信衛(wèi)星通信宇宙通信微波的應用通信一般由6個分系統(tǒng)組成：（1）天線分系統(tǒng)。地面站的天線面向通信衛(wèi)星，其直徑一般是10.3米，由天線本身，饋電部分，跟蹤部分和驅(qū)動部分組成。（2）發(fā)射分系統(tǒng)。將音頻和視頻信號調(diào)制到工作波段的載波上，經(jīng)大功率放大后，經(jīng)天線發(fā)向衛(wèi)星。（3）接收分系統(tǒng)。接收來自衛(wèi)星的信號，經(jīng)放大和檢波后，再發(fā)送到終端系統(tǒng)。（4）終端分系統(tǒng)。由載波電話、電視終端、傳真終端和數(shù)據(jù)終端組成。（5）通信監(jiān)控分系統(tǒng)。負責對地面站內(nèi)的各種設備進行監(jiān)視、控制和定期測試。（6）電源分系統(tǒng)。為地面站設備提供電源。

衛(wèi)星通信上行站散射通信（戰(zhàn)略后備通信系統(tǒng)）通信衛(wèi)星地面站目標尺寸和波長之比越大，反射越明顯，探測距離越遠;雷達天線口徑與波長之比越大，發(fā)射波束越細，反射就越顯著，測位精度越高;利用微波技術(shù)可以使用尺寸小、精度高的雷達?，F(xiàn)代相控雷達能夠利用計算機控制天線陣列的波束相位，能夠進行快速掃描，能夠形成多波束；對目標進行探測，對多目標進行跟蹤；氣象雷達、導航雷達、汽車防撞雷達、防盜雷達、遙感用雷達雷達和導航微波的應用GJL-861交通管制雷達精密跟蹤雷達J-231中程警戒雷達具有良好的反隱身能力和抗反

輻射導彈能力；工作可靠性高，集成化和固態(tài)化程度高；自動化程度高，操作簡單，環(huán)境舒適及機動性強；雷達錄取數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)通訊進入雷達情報網(wǎng)。技術(shù)指標距離探測方位大于等于260KM

方位探測距離0度-360度連續(xù)工作時間大于12小時環(huán)境溫度零下40度-50度

相對濕度95-98%(30度）接收機噪聲系數(shù)小于等于3dB接收機中頻帶寬150±50kHz天線轉(zhuǎn)速0.5-4r/min最早的火控雷達微波能強功率應用（加熱）微波加熱是指一些有耗介質(zhì)，特別是含水或含脂肪的材料，吸收微波能量，并把它轉(zhuǎn)化為熱能。不是借助于輻射、傳導或者對流，而是靠材料內(nèi)部極性分子在微波場作用下的共振吸收。除家用微波爐外，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，烘干、殺蟲、滅菌、橡膠硫化、塑料生產(chǎn)如英國采用2450MHz、1.8kW微波對硬木進行殺蟲微波的應用醫(yī)學微波理療機做透熱治療利用微波進行局部加熱殺死癌細胞微波穿透人體的能力遠比紅外要強很多，利用微波可以得到人體內(nèi)部的溫度分布圖癌腫瘤的溫度略高于正常組織，這就提供了一種探測體內(nèi)癌腫瘤的方法微波加熱血漿，解凍冷藏腎臟微波的應用計算機計算機從問世到現(xiàn)在，時域脈沖信號已經(jīng)高達幾GHz，在如此高頻率下為了進一步發(fā)展，必須用微波技術(shù)的概念和方法去解決芯片引線之間的脈沖反射和串擾。微波的應用早期的電子計算機可以說與微波技術(shù)毫無聯(lián)系。隨著電子計算機芯片制造技術(shù)的不斷進步，電子計算機的工作主頻已經(jīng)從早期的20MHz，33MHz，40MHz，66MHz，120MHz不斷向高頻發(fā)展。目前，高性能處理器的主頻已經(jīng)超過3GHz?？偩€的頻率也已達到800MHz。這些都已進入微波波段。如何對CPU、內(nèi)存、主板等在微波頻帶內(nèi)進行合理的設計已經(jīng)成為目前的一個重要課題。射電天文學由于微波工程技術(shù)的發(fā)展而形成的天文學分支在地面建立幾十米、數(shù)百米的大型拋物面天線，再配以高增益、低噪聲、寬頻帶的微波接收機，可捕捉來自宇宙星體的微波輻射，利用這些信息研究宇宙的起源和構(gòu)造1962年由無線電領(lǐng)域的科學家測得的宇宙背景輻射信號，強度相當于絕對溫度2.7K，后來證實是宇宙大爆炸時的殘余熱輻射。這一發(fā)現(xiàn)被授予1978年諾貝爾物理學獎微波的應用北京天文臺密云觀測站的射電望遠鏡天線陣電磁兼容(electroniccompatibility)包含微波、射頻信息系統(tǒng)的不容忽視的問題隨著系統(tǒng)復雜性的增加、工作頻率的提高、系統(tǒng)集成度的增加，電磁兼容變得更加重要分三層：系統(tǒng)級，如通信衛(wèi)星、飛機、軍艦；印刷電路板級；芯片級微波的應用微波防護微波量子與X射線或者γ射線相比極其微小，不足以使生物體組織中的分子變成離子，因而不會造成損傷。人體只對外部加熱比較敏感，而微波能使人體內(nèi)部變熱，在不知不覺中，微波熱效應會對人體產(chǎn)生損害，如果不能及時把局部過多的熱量耗散掉，將產(chǎn)生嚴重后果。多數(shù)國家認為，最大允許的微波功率密度是10mW/cm2但是微波的非熱效應也可能會對中樞神經(jīng)和心血管系統(tǒng)有影響，因此10mW/cm2有可能偏高SAR值即為生物體(包括人體)每單位公斤允許吸收的輻射量，這個SAR值代表輻射對人體的影響，是最直接的測試值，SAR有針對全身的、局部的、四肢的數(shù)據(jù)。SAR值越低，輻射被吸收的量越少SAR必須低于1.6w/kg(motorola2.0w/kg)手機輻射微波防護1873年詹姆斯.克拉克.麥克斯韋(JamesClerkMaxwell)用公式建立數(shù)學復雜性的消除1885年到1887年奧利弗.亥維賽(OliverHeaviside)消除了maxwell理論的數(shù)學復雜性，引入矢量形式，并提供了導波和傳輸線的實際應用的基礎(chǔ)。發(fā)展簡史現(xiàn)代電磁理論的基礎(chǔ)最早的實驗1887年到1891年亨瑞克.赫茲(HeinrichHertz)作了一系列實驗證實了麥克斯韋的電磁理論20世紀初缺少可靠微波源和其它元件，無線電技術(shù)主要發(fā)生在高頻(VH)到甚高頻(VHF)發(fā)展簡史20世紀40年代第二次世界大戰(zhàn)，雷達出現(xiàn)，微波技術(shù)得到了重視；MIT建立了輻射實驗室來發(fā)展雷達理論和技術(shù)。主要包括波導元件的理論和實驗分析、微波天線、小孔耦合理論，初期的微波網(wǎng)絡理論微波通信在雷達出現(xiàn)后不久就開始得到發(fā)展,主要得益于為雷達系統(tǒng)所作的工作發(fā)展簡史本課程的體系結(jié)構(gòu)教材劉學觀，郭輝萍《微波技術(shù)與天線》