（天線）微波通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

北方工業(yè)大學(xué)通信工程系邢志強(qiáng)目錄1微波通信基礎(chǔ)微波及其基本特點(diǎn)

微波的研究對(duì)象及其應(yīng)用

微波通信系統(tǒng)構(gòu)成1.1微波定義：頻率f為300MHz～3000GHz范圍內(nèi)的無線電波。103Hz=1kHz，106Hz=1MHz，109Hz=1GHz，1012Hz=1THz，1015Hz=1PHz一般地說，微波在電磁波頻譜中所處的位置在甚高頻(UHF)和光波之間。相關(guān)名詞毫米波millimeterwave:頻率在30-300GHz之間的交流信號(hào)，波長在1cm到1mm之間.射頻RF（RadioFrequency):指用于無線電通信的交流信號(hào)，具有很寬的頻率范圍，覆蓋了從幾百KHz到毫米波的整個(gè)范圍。微波在電磁波頻譜中所處的位置在甚高頻(UHF)和光波之間。1.1微波微波的波長范圍在1米至0.1毫米之間。無線電波段的劃分甚低頻低頻（長波）中頻（中波）高頻（短波）甚高頻特高頻超高頻極高頻微波頻段的劃分及常用波段代號(hào)波段代號(hào)LSCXKuKW標(biāo)稱波長(cm)22105321.250.3國際上對(duì)各微波頻段用途的規(guī)定微波爐中磁控管工作頻率為2.45GHz；C波段通訊衛(wèi)星的工作頻率：下行頻率為3.700~4.200GHz，上行頻率為5.925~6.425GHz。Ku波段通訊衛(wèi)星的工作頻率：下行頻率為11.7~12.2GHz，上行頻率為14.0~14.5GHz。蜂窩移動(dòng)電話的工作頻率為450MHz、900MHz和1.8GHz，1.9G。40~60GHz為保密通信頻段；26.5~40GHz和75~110GHz為雷達(dá)、制導(dǎo)系統(tǒng)頻段等等。（商用廣播）國際上對(duì)各微波頻段用途的規(guī)定19thcentury1846-earliesttalkonEMwave(電磁波),“Thoughtsonrayvibrations,”Faraday1864-“Maxwell’sequations,”Maxwell1887-firstmicrowave-likeexperiment,“electricsparkatλ~10cminducesatadistantwireloop,”Hertz1895-wirelesstelegraphiccommunicationand1900trans-AtlanticOceantelegraph,Marconi20thcentury1921–magnetron(磁控管),A.W.Hull1930-wavepropagationinwaveguide(波導(dǎo)),

Southworth

1937-klystron,Russell,SigurdandWilliamHansenWorldWarII–radar,MITRadiationLaboratory~1950–coaxial(同軸)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微波的特點(diǎn)（1）似光性和似聲性似光性:直線傳播、顯著反射、折射，容易集中

微波的波長范圍恰好比自然界中的宏觀物體(如山峰、建筑物、艦船、飛機(jī)、車輛、導(dǎo)彈等)的尺寸小或相當(dāng)。微波照射在這些物體上時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的反射。——雷達(dá)。另外，微波的波長比塵埃、云霧及空氣中的水滴尺度大，所以微波穿過塵埃、云霧和中、小雨的能力比光波強(qiáng)。因此，利用微波可以穿過塵埃，云霧及中、小雨探測(cè)到自然界中的宏觀物體。這是低頻電磁波和光波都做不到的。引導(dǎo)飛行員在惡劣天氣條件下降落的微波導(dǎo)航系統(tǒng)微波的波長介于無線電波和光波之間當(dāng)波遇到障礙物，波長大于障礙物尺寸，波將會(huì)被繞射；波長小于障礙物尺寸或與障礙物尺寸相當(dāng)時(shí)，波將會(huì)被反射。雷達(dá)(2)分析方法的獨(dú)特性分析方法與直流、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。分析低頻電路時(shí)，只需考慮各物理量隨時(shí)間的變化，而不考慮其空間分布。對(duì)于微波系統(tǒng)，必須同時(shí)考慮各物理量隨時(shí)間的變化以及其空間分布。換句話說：在確定的空間內(nèi)，對(duì)于低頻信號(hào)我們觀察到的是物理量的振蕩，對(duì)于高頻信號(hào)我們觀察到的是物理量的波動(dòng)。例如：電磁波f=50Hz，波長為6000公里；f=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(shí)，就必須考慮電磁場(chǎng)的空間分布。

集膚效應(yīng)（趨膚效應(yīng)）高頻電流僅僅沿著導(dǎo)線外表的薄層通過．流過高頻電流的導(dǎo)線截面面積與低頻相比大大減小，因而導(dǎo)線電阻大大增加．表現(xiàn)出很大的能量衰減。這就是低領(lǐng)傳輸線不能用于微波的原因。輻射效應(yīng)

理論和實(shí)踐都證明．當(dāng)一條傳輸線的長度可以同工作波長相比擬時(shí)，它將顯著地輻射電磁能量。如同一個(gè)小天線。集膚效應(yīng)輻射效應(yīng)

TEM波傳輸線可用分布參數(shù)的“路”理論描述電場(chǎng)靠正負(fù)電荷支持電力線從正電荷發(fā)出到另一導(dǎo)體的負(fù)電荷；磁場(chǎng)由導(dǎo)體上的電流激發(fā)磁力線圍繞導(dǎo)體的封閉曲線電場(chǎng)，正交磁場(chǎng)由于微波的特點(diǎn)，微波電路不但采用了與低頻電路不同的傳輸系統(tǒng)，而且在分析微波電路時(shí)也必須引入與低頻電路不同的物理量。微波電路

(3)共度性電子在真空管內(nèi)的渡越時(shí)間（10-9秒）與微波的震蕩周期（10-9-10-13）相當(dāng)。應(yīng)用:產(chǎn)生微波振蕩器微波電子管、微波固體器件、微波量子器件延時(shí)效應(yīng)分布參數(shù)起主導(dǎo)地位（4）穿透性微波能穿透等離子體和電離層由于微波既能穿透電離層(低頻電磁波不行)也能穿透塵埃、云、霧(光波不行)，因此，微波就成了衛(wèi)星通訊、空間通訊和射電天文研究的重要手段。家用衛(wèi)星通信地面站大型衛(wèi)星通信地面站(5)信息性(6)非電離性微波的量子能量與物質(zhì)相互作用時(shí)，不改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（只改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）。

應(yīng)用：微波醫(yī)療器械微生物對(duì)毫米波存在類似諧振的能量吸收諧振點(diǎn)，指出了正常細(xì)胞和癌細(xì)胞對(duì)毫米波具有不同的吸收諧振點(diǎn)。微波爐1.3微波的研究對(duì)象與應(yīng)用微波應(yīng)用微波的應(yīng)用－－雷達(dá)

雷達(dá)：直線傳播和反射探測(cè)目標(biāo)的距離和方位發(fā)射機(jī)產(chǎn)生射頻信號(hào)，由天線向外輻射。輻射出去的電磁波照射到目標(biāo)目標(biāo)對(duì)電磁波有反射（散射）作用，目標(biāo)反射回來被雷達(dá)天線接收到的電磁波稱為目標(biāo)回波信號(hào)。回波信號(hào)送往接收機(jī)，接收機(jī)向終端設(shè)備供給視頻信號(hào)，終端設(shè)備用以觀察目標(biāo)和測(cè)量目標(biāo)坐標(biāo)。電磁波在自由空間是以等速直線傳播的。測(cè)出電磁波由雷達(dá)到目標(biāo)之間的往返時(shí)間為t，算出目標(biāo)距離為：

目標(biāo)的角坐標(biāo)由天線波束角的位置決定，波束角愈窄測(cè)得的目標(biāo)角坐標(biāo)愈準(zhǔn)確，分辨率愈高。微波應(yīng)用微波通訊系統(tǒng)的工作頻帶寬、信息容量大、機(jī)動(dòng)性好，特別適合于衛(wèi)星通訊，宇航通訊和移動(dòng)通訊等，因而在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中占有相當(dāng)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(shè)、機(jī)動(dòng)性好、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。目前常見的蜂窩移動(dòng)電話、尋呼機(jī)、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)。在21世紀(jì)，全球個(gè)人通訊將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。那時(shí)，不僅每個(gè)電話機(jī)有電話號(hào)碼，每個(gè)人也將有自己的專用電話號(hào)碼，就象每個(gè)人都有一個(gè)身份證號(hào)碼一樣。可以肯定，全球個(gè)人通訊是絕對(duì)離不開微波通訊系統(tǒng)的。國外發(fā)達(dá)國家的微波中繼通信在長途通信網(wǎng)中所占的比例高達(dá)50%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)美國為66%，日本為50%，法國為54%。我國自1956年從東德引進(jìn)第一套微波通信設(shè)備以來，經(jīng)過仿制和自發(fā)研制過程，已經(jīng)取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之間的同軸電纜全部斷裂的情況下，六個(gè)微波通道全部安然無恙。九十年代的長江中下游的特大洪災(zāi)中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。在當(dāng)今世界的通信革命中，微波通信仍是最有發(fā)展前景的通信手段之一。

根據(jù)國際慣例，各國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一般都以本國首都所處時(shí)區(qū)來確定。我國首都北京處于國際時(shí)區(qū)劃分中的東8區(qū)，同格林尼治時(shí)間相差8小時(shí)。我國地域遼闊，東西相跨5個(gè)時(shí)區(qū)，這就是我國授時(shí)臺(tái)必須建在中心地帶，從而造成“北京時(shí)間”不在北京的原因。我國授時(shí)中心是“陜西天文臺(tái)總部”，駐在陜西臨潼。它將氫原子鐘和銫原子鐘精確的時(shí)間信息發(fā)送到陜西蒲城“中國科學(xué)院陜西天文臺(tái)二部”，“二部”設(shè)有精密的監(jiān)控系統(tǒng)和發(fā)播系統(tǒng)，每半小時(shí)為一周期，將循環(huán)時(shí)頻程序信號(hào)發(fā)射出去。其精確度30萬年不差1秒。中央人民廣播電臺(tái)則以此來校對(duì)電臺(tái)的工作鐘，從而向全國報(bào)告我們標(biāo)準(zhǔn)的“北京時(shí)間”。其它領(lǐng)域的微波應(yīng)用－微波加熱

微波加熱——微波是一種特殊的能源，利用微波的熱效應(yīng)可以對(duì)一些物質(zhì)進(jìn)行加熱。各種不同的物質(zhì)，在微波電磁場(chǎng)中，對(duì)微波能吸收的情況是不一樣的。導(dǎo)電物質(zhì)遇到微波時(shí)，會(huì)在其表面產(chǎn)生全反射，微波不可能深入到導(dǎo)體內(nèi)部。因此，微波不能用來加熱良導(dǎo)體，只能對(duì)介質(zhì)材料進(jìn)行加熱。由于介質(zhì)材料內(nèi)部存在極性分子，在微波電磁場(chǎng)的作用下，這些極性分子從原來的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照微波場(chǎng)的極性排列取向。由于這些取向是按微波頻率不斷變化的，這種交變過程使分子運(yùn)動(dòng)相互摩擦而產(chǎn)生熱能，使介質(zhì)溫度不斷升高，這種通過介質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)將微波能轉(zhuǎn)化為熱能的效應(yīng)就是微波加熱。微波加熱有三個(gè)主要特點(diǎn)：

1.被加熱物質(zhì)內(nèi)外同時(shí)、均勻加熱，加熱速度快，熱能利用率高。2.微波對(duì)介質(zhì)材料的穿透能力比遠(yuǎn)紅外強(qiáng)，其滲透深度與波長成正比。因而微波對(duì)介質(zhì)材料的加熱效率比遠(yuǎn)紅外更高。微波甚至可以用于燒結(jié)特種陶瓷。3.微波磁控管的預(yù)熱時(shí)間很短，一般開機(jī)15秒后即可開始加熱，關(guān)機(jī)后立即停止加熱。有利于對(duì)加熱過程進(jìn)行精確的控制。微波爐輻射微波爐工作所產(chǎn)生的輻射甚至比一根普通日光燈管還要少。目前，微波爐泄漏的國際標(biāo)準(zhǔn)是每平方厘米不超過5毫瓦，可見，

微波爐是一種安全的家電，不會(huì)對(duì)人的健康產(chǎn)生任何危害，廣大消費(fèi)者盡可放心使用微波爐。

微波治療——微波可以對(duì)人體內(nèi)的炎癥、潰瘍、腫瘤和其它病變產(chǎn)生抑制或治療作用。目前，已經(jīng)有很多類型的微波治療儀器投入了實(shí)用。微波武器——微波武器的工作原理與微波爐基本相同。高能微波束可以干擾甚至摧毀敵方的各種電子設(shè)備；可以引爆敵方的炮彈、導(dǎo)彈甚至核武器等；可以干擾敵方人員的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的思維，可以灼傷人的眼睛和人體組織，破壞大腦、心臟和呼吸系統(tǒng)的工作，直至殺傷敵方的人員。微波武器、激光武器和粒子束武器被稱為新一代定向能武器，它們都是光速武器，而且看不見摸不著。微波武器又是這三種新概念兵器中研制費(fèi)用最低，最容易實(shí)現(xiàn)的一種。其它領(lǐng)域的微波應(yīng)用1.4微波通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成微波通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（天線）微波通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（濾波器）微波通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)正弦曲線晶體管諧振有源器件無源器件（放大器）（混頻器）（振蕩器）微波通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)微波通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)射頻信號(hào)在器件中的傳播

Lightwave入射反射透射

RF/MW網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試要討論的問題器件性能的描述:傳輸特性;反射特性器件傳輸特性/反射特性的指標(biāo)定義?

Gain,Phase,GroupdelayVSWR,,,Impedance

影響器件傳輸/反射特性的因素?

工作頻率

信號(hào)功率

反射特性

傳輸特性工作頻率;信號(hào)功率反射特性的參數(shù)定義:￥

dB全匹配(ZL=Zo)rRLVSWR01全反射

(ZL=開路,短路)0dB1￥VoltageStandingWaveRatio=ZL-ZOZL+OZ=V反射V輸入=rFG=rG=-20log(r),VSWR=EmaxEmin=1+r1-rEmaxEmin駐波比反射系數(shù)(電壓比值)反射損耗

(功率比值)Z0:傳輸線特性阻抗Z1:傳輸線終端負(fù)載傳輸信號(hào)包絡(luò)目錄天線的基本概念

天線的發(fā)展歷史

天線的重要參數(shù)常見天線

什么是天線（antenna（生物學(xué)中的觸覺器官））?天線的基本概念天線的發(fā)展簡(jiǎn)史：無線電機(jī)器．有一條導(dǎo)線接著之后，性能好的不得了，這導(dǎo)線就稱為天線

(Aerial)。—(WHIRE)

如果把上述無線電機(jī)器的外殼接地．那性能就更妙。－

GROWND

從無線電機(jī)器拉出去的天線，若是兩條一字拉開．使電力呈平衡狀是最好的。—(DIPOLE)

天線是否平衡，可以由簡(jiǎn)易的駐波比表測(cè)量出來。-尼馬奇在雙偶極天線能上，可以把部份長度纏繞成電感狀，使天線能變短?！猅RAP

天線是否平衡，不必光看天線在形體上是否對(duì)稱，可以設(shè)法人工調(diào)整。—雷頓(RANDOM天線的廣泛應(yīng)用：天線伴隨著每一個(gè)人民用：電視、廣播、移動(dòng)通信特殊用途：導(dǎo)航、定位、氣象、衛(wèi)星軍事用途：雷達(dá)、制導(dǎo)武器、電子對(duì)抗等

天線分類方法

(1)按天線外形：有V形天線、菱形天線、環(huán)行天線、螺旋天線、喇叭天線和反射面天線、板狀天線、帽狀天線等

板狀天線帽形天線鞭狀天線面狀天線(2)按工作波長：超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。(3)按天線特性分類：按方向特性分，有定向天線、全向天線；按極化特性分，有線極化(垂直極化和水平極化)天線和圓極化天線；按頻帶特性分，有窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。定向天線全向天線天線分類方法(4)按天線結(jié)構(gòu)分（分析方便）：線天線和面天線。線天線由半徑遠(yuǎn)小于波長的金屬導(dǎo)線構(gòu)成，主要用于長波、中波和短波波段；面天線由尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構(gòu)成，主要用于微波波段。這兩種天線都可用于超短波波段。（我們按照此種分類方式進(jìn)行講解）線天線面天線天線分類方法2.3天線重要參數(shù)天線