绪论微波技术1

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1、2011级通信工程专业 微波技术与天线 教材：微波技术与天线西安电子科技大学出版社 刘学观，郭辉 萍 主编 黄秋元黄秋元 huangqyhuangqy QQ:67330056 通信技术研究所通信技术研究所 http:/ / 微波的范围 . 微波的应用. 学习注意事项微波的特点 微波在我们的生活中 有着广泛而重要的作用 ，首先让我们来认识一 下微波。 目录 绪 论 1 什 么 是 微 波 微波是电磁波谱中介于普通无线电波与红外线之间的 波段,在微波波段内部又可划分为分米波.厘米波和毫米 波. 300MHz 3000GHz 可 见 光 1m 电磁波谱 2 0.1mm 频率 波长 3GHz 30GH

2、z 300GHz 10cm1cm1mm 普通无线电波红外线紫外线 分米厘米毫米 亚毫米 微 波 中波短波 超短波长波 微 波 波 段 的 划 分 波段代号波段代号频率范围/GHG频率范围/GHG UHF 0.3 1.12 Ka 26.5 40 L 11.21.7 Q 33 50 LS 1.7 2.6 U 40 60 S 2.6 3.95 M 50 75 C 3.955.85 E 60 90 XC 5.858.2 F 90 140 无线电波的特性与用途 3 不同频率的电磁波，其传播特性不同，适用场合也不同： ？ 频率分类 频率范围波长范围传播特性代表性用途 超长波 长 波 短 波 微 波 3kH

3、z 30kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3000GHz 长波可以 沿着地球弯 曲的表面传 播到很远, 短波可以 借助电离层 反射返回地 面以达远距 10万 1 万公尺 1万 1 千公尺 100 10 公尺 1公尺 0.1毫米 长距离的 航海通信， 潜艇与地面 通信 国际广播 中 波 300kHz 3000kHz 1千 100 公尺 天波,地波并存 近距离无线电 广播和无线电 导航 ？ 这种传播方式叫地波 离传播,这种传播方式叫天波 微 波 的 特 点 顾名思义“微波”是波长极短，频率极高 的电磁波。当然，波长的长与短、频率的高与低 都是相对的,但是，量变积

4、累到一定程度，便要 产生质变，形成自己独特的风格和本领。对于微 波来说，他的特点如下： 1.微波具有似光性 2.微波可以穿越电离层 3.微波具有宽频带特性 4.微波抗低频干扰能力强 4 普通电波微波光波 一 微 波 的 似 光 性 演示 5 a.微波是视距传播 530m 100km 弧形地球表面 视线距离 终端站甲 终端站乙 地面远距离微波通信需要 建中继站 中继站 100m 40km 50公里 微 波 的 似 光 性 1.光波可以通过抛物面反射镜形 成强烈的定向照射。 2微波也可以通过尺寸很小的（1m 左右）抛物天线形成很强的定向 辐射。 6 b.微波可通过抛物天线定向辐射 抛物天线发射电磁

5、波的波束角约等于 D-抛物面直径 -为波长 短波段的最短波长 微波波长 二 微 波 穿 透 电 离 层 外 层 大 气 500 50 平 流 层 H:公里 对 流 层 + + + - - - 电 离 层 不同无线电波的传播途径 20 100000 30 85 中 间 层 微波 短波 无线电窗口: 1-10千兆赫,20-30千兆赫,91千 兆赫附近的微波受云雾,雨雪等 的影响不大,可以较为容易地由 地面向外层空间传播.这种 现像称为”无线电窗口”. 7 大气层 臭氧层 长波 三 宽 频 带 特 性 频率分类频率宽度频率范围容量倍数关系 微 波 分米波 厘米波 毫米波 短 波3MHz - 30MH

6、z 300MHz - 3GHz 3GHz - 30GHz 30GHz - 300GHz 30-3=27MHz 3-0.3=2.7GHz 30-3=27GHz 300-30=270GHz 2.7GHz/27MHZ=100倍 27GHz/27MHZ=1000倍 270GHz/27MHZ=1万倍 短波通信 微波通信 演示 演示 堵塞 畅通 信息 8 频带 宽度 27MHZ 毫米频 带宽度 270GHZ 四 微波抗低频干扰能力强 微波频段对低频干扰具有天然“免疫力” 。 宇宙电磁干扰天电干扰工业干扰 9 长波中波短波超短波 干扰在低频,中频 区以下的频域内 微波 干扰区 4.微波抗低频干扰能力强 1.

7、微波具有似光性 2.微波可以穿越电离层 3.微波具有宽频带特性 综上所述,微波具有鲜明的个性: 麦克斯韦1868年预 言电磁波的存在 赫兹1888年证实 电磁波的存在 马可尼 1895年发明了 微波技术的 发展简史 微 波 的 传 统 应 用 10 波波夫 农作物地面遥感 微波雷达 微波抗癌仪 卫星通信 无线电通信 微波橡胶连续硫化设备 微波药丸烘干机气像雷达家用微波炉 微 波 雷 达 11 Y Z 雷达监视屏 t s D x H 雷达是无线电定位的简 称(radio detection and ranging的缩写) 演示 测速雷达孔径雷达探地雷达气像雷达 微波雷达的突出优点是:能用较小的天

8、线尺寸得到较窄的天线波 束,外部噪声较低,全天候不受云层覆盖的影响. 微 波 中 继 通 信 12 演示 典型微波通信线路示意图 中继站 终端站枢纽站分路站 包括天线接收， 发射信号系统 两条以 上微波 通信线 路的汇 接点 ? 微 波 天 线 为 什 么 要 架 设 在 高 塔 上 微 波 中 继 站 d R 微波通信是现代化重要的手段之一，它的特点是通信信息量大， 传输损伤小，抗干扰能力强，建设周期短。微波通信属于视距通信， 地面远距离微波通信需要建设中继站。 13 卫星通信： 卫 星 通 信 14 利用人造卫星作为中继站的通信 称为卫星通信,它是国际,国内通信和 广播的重要方式之一.目前

9、采用三颗同 步卫星通信和广播. 移动通信： 15 微波设备安装方 便使用可靠，尤其近 年来采用先进的微电 子技术和计算机技术 ，使设备体积更小， 功耗更低，可靠性更 高，安装更方便，可 使用在各种场合备受 用户关注.我国移动 通信(GSM)技术,频率 为900MHz和1800MHz. 地面移动通信 16 无 线 组 网 近年来出现的无线网络备受关注，它采用微波通信技术，把 计算机（PC机）用无线网络连接起来构成无线传输网，它比有线 连接更加灵活方便，计算机移动随心所欲。 无线计算机网络： 微波技术新的主要应用点 n射频通信电路的设计 n高速数字通信电路的设计 n天线的设计 射频电路-手机电路组

10、成 通信电路与高速电路的关系 n通信电路与一般电子电路的区别：一般电子电 路可以选择慢速器件。通信是追求高速度、大 容量通信，必须采用高速器件 n目前的通信电路基本上都是数字通信，基本上 都是由射频电路与高速数字电路组成。 n高速数字电路完成的逻辑功能与一般数字电路 是相同的 n高速数字电路与低速数字电路在设计上不同的 主要表现在电路板设计时考虑问题不同 高速电路带来的问题 n微波传输线理论可知：当传输信号的导线为长线时，必须考虑导线上的分 布参数，信号在线上的传输表现为入射波与反射波的叠加，导致线上每一 点的电压电流不同 n微波传输线理论两个核心问题是:线上有阻抗和传输时延. n比较一个10

11、年前的一个慢速器件和现今的快速器件在一段相同长度导线传 播情况，可以发现，对于慢速器件，传输导线可以看作是一段简单的导线 ，而对于现今的快速器件，信号的传播则表现出非常明显的波的特性，快 速的跳变信号会沿着传输线来回反射、振荡，形成常见的过冲和振铃。 n对于高速信号，做PCB设计时，除了考虑导线电阻对传输信号的影响外， 还要考虑传输线电容、电感的影响。 n对于高速信号，做PCB设计时，要考虑传输线之间的串扰影响 高速电路的设计方法 n由于高速电路跳变沿很快，脉冲宽度很小，导致时延很 小 n由于高速电路的信号线是传输线，要考虑分布参数带来 的影响 n由于高速电路上信号含有大量的高频成分，带来了系

12、列 电磁干扰问题 n要使高速电路上的信号是完整的，设计上要考虑多方面 的复杂因素 n传统的电路设计方法不适用，代之以仿真设计 n要满足信号完整性要求，人们越来越依赖于采用基于信 号仿真的一体化设计流程 传统的电路与PCB 板设计 n在传统的PCB设计流程中，依次由电路设计、版图设计、PCB制 作、测量调试等步骤组成。其设计流程是单循环的 ： 电路 设计 版图 设计 PCB 制作 测量 调试 设计 定稿 修改 设计 多次重复 传统电路设计与PCB设计存在的问题 n传统电路设计只能依赖设计人员的经验：在实际PCB板设计过程中，由 于对信号缺乏有效的信号传输特性分析方法和手段，电路的设计一般只 能根

13、据元器件厂家和专家建议及过去的设计经验来进行。所以对于一个 新的设计项目而言，通常都很难根据具体情形作出信号拓扑结构和元器 件的参数等因素的正确选择。 n传统的PCB版图设计阶段，同样因为很难对PCB板的元器件布局 和信号布线所产生的信号性能变化作出实时分析和评估，所以版 图设计的好坏更加依赖于设计人员的经验。在PCB板制作阶段， 由于各PCB板及元器件生产厂家的工艺不完全相同，所以PCB板 和元器件的参数一般都有较大的公差范围，使得PCB板的性能更 加难以控制。 传统电路设计与PCB设计存在的问题 n传统的设计方法事实上是一种问题补救法： q致命弱点是流程中没有控制点，设计过程不可控； q设

14、计进度、设计质量过分依赖于设计人员的经验； q设计结果不可预测，无法保证设计质量； q容易出现设计反复，设计周期长。 n这种方法与电子产品、通信产品竞争激烈、新产品上 市的时间要求越来越短的特点相冲突 n因此传统设计方法不适合高速通信系统的设计。事实 上，越是在产品开发的后期，解决问题的手段则越高 。 电路与PCB板的仿真一体化设计 n随着电路速率与频率的提高，电路与PCB板设计必须考虑信号完 整性问题，进入了仿真一体化设计阶段 n要解决信号完整性问题，人们越来越依赖于采用基于信号仿真的 一体化设计流程（如下图） n其基本思想为利用仿真技术，在产品设计早期尽可能多的利用 EDA技术，对原理图和

15、PCB板图进行多点控制的设计过程。 nPCB板设计中利用解决信号完整性问题，提出满足信号完整性要 求、时序要求、EMC/EMI要求，并满足加工制造与测试的总体方 案和设计准则，最大限度地降低产品成本，缩短研发周期。 前言高速电路的仿真设计 高速电路一体化仿真设计流程 当线上传输的高频电磁波时，传输线上的导体上的损 耗电阻、电感、导体之间的电导和电容会对传输信号 产生影响，这些影响不能忽略。 传输线-平行传输线的分布参数 (Distributed parameter) 分布电容：导线间有电压，导线间有电场。 Cl为传输线上单位长度的分布电容。 高频信号通过传输线时将产生分布参数效应： 分布电阻:

16、 电流流过导线将使导线发热产生电阻； Rl为传输线上单位长度的分布电阻。 分布电导 ：导线间绝缘不完善而存在漏电流； Gl为传输线上单位长度的分布电导。 分布电感：导线中有电流，周围有磁场； Ll为传输线上单位长度的分布电感。 微带线是微波集成电路的主要组成部分，它在微波电路中用来 连接各种元器件，来构成电容，电感，电桥等微波元件 （A） 非对称式微带线 （B） 对称式微带线 屏蔽标准微带 （可有效的防止电磁波的辐射损耗） 接地板（铜 ，鋁） 导体带条（良导体构成，宽 约1毫米） 介质基片（固 体介质） 导体带条 接地板 介质基片（空气或 固体介质） 微 带 线 的 基 本 结 构 ? 1 根据电力线与导体表面垂 直和磁力线与导体表面相 切的边界条件，在AA处 放置一块金属薄板将不会 破坏双线传输线的电磁场 分布规律 A-