微波技术1知识课件

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1、微波技术基础,平时成绩：20%（作业及考勤） 期末考试：80% 考试方式：笔试、闭卷,学时数：56学时,2012年9月2012年12月,微波技术基础,先修课程：电磁场与波 后续课程：微波网络 微波集成电路 微波固态电路 微波测量 ,绪 论,微波及其特点-属于电磁波，占其中一段,绪论,电磁波波段划分,注：电子工业技术词典微波技术分册,(续前）,绪论 微波常用波段代号,家用电器频段,绪论 微波常用波段代号,移动通信频段,绪论 微波常用波段代号,微波的主要特性,1.微波的频率高且波长很短，与几何光学相似，即似光性。,似光性和似声性,2.微波的波长与物体的尺寸具有相同的量级，使得微波的 特点又与声波相

2、近，即似声性。,直线传播、反射、折射、衍射等。雷达利用此特性工作。,绪论,绪论 微波的主要特性,穿透性好,物质内部：微波探伤 电离层：卫星通信 雨雾、雨、植被、积雪和地表层：微波遥感 生物体：医学透热疗法 等离子体：远程导弹、航天器实现制导和通信,绪论 微波的主要特性,微波的量子能量还不够大，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键。,非电离性,为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段,利用这一特性和原理，可研制许多适用于微波波段的器件,信息性,绪论 微波的主要特性,微波的频率很高，所以在不太大的相对带宽下，其可用的频带很宽，这意味着微波的信息容量大。,电磁波是人类用来传递信息的

3、重要资源,绪论 微波的主要特性,渡越时间效应及传播延时效应,延时效应可以不考虑，电路采用集总参数计算,电路中各点相位不一致，表现为分布参数,计算方法：场（电磁场分析方法） 路（等效电路，如传输线法）,绪论 微波的主要特性,微波的大气传播特性 1.氧气和水蒸气对微波频率会产生选择性的吸收和散射， 在毫米波频段尤为突出； 2.氧气分子谐振引起的吸收峰 出现在60GHz和120GHz附近， 而由水蒸气谐振引起的吸收 峰在22GHz和183GHz附近。,绪论 微波的主要特性,3.四个传播衰减相对较小的 “窗口”，其中心频率分别 在35、94、140和220GHz， 相应波长分别为8.6、3.2、 2.

4、1和1.4mm； 4.随着电磁波的工作频率升 高，总的衰减呈上升趋势。,绪论 微波的主要特性,微波的应用,绪 论,微波的实际应用领域相当地广泛，特别是近60年里微波应用发展很快。微波除了军事用途外，还涉及并渗透到科学研究和国民经济的许多部门。微波除广泛应用于军事目的各种大型和小型雷达外，还运用于民用的如导航、空中交通管制、气象预报、微波遥感、汽车防撞、公安检测、防盗等，还可用于加热、杀菌等。,绪论 微波的应用,传递信息的媒介 科学研究的手段 微波能应用,可归纳为：,绪论 微波的应用,传递信息的媒介,电子战、信息战、空天一体化作战体系,以F-22为代表的美军隐形飞机一项是美国扩张、侵略的有力工具

5、，美国人已经将隐形飞机描绘成“战无不胜”的象征，似乎隐形飞机真到了无懈可击的地步。诚然，由于自身独特的气动布局设计和大量使用特种材料，美军隐形飞机确实很难被对方雷达发现。即使在探测手段已经相当成熟的今天对隐形飞机的探测依然是各国面对的一道难题。而即便能探测到，目前大量装备的地空导弹的制导雷达和战斗机机载雷达也无法有效探测到隐形飞机，这就给攻击造成很大困难。,F22,B2,美军B-2隐形轰炸机投弹,F35,J20,J20,歼-20是成都飞机工业集团为中国人民解放军空军研制的中国第四代（欧美标准，俄标准为第五代）双发重型隐形战机。采用了单座、双发、全动双垂尾、DSI鼓包式进气道、上反鸭翼带尖拱边条

6、的鸭式气动布局。歼-20的机头、机身呈菱形，垂直尾翼向外倾斜，起落架舱门采用锯齿边设计，机身深墨绿色涂装，远观近似于黑色。2011年1月11日12时50分，歼20在成都实现首飞，历时18分钟。,绪论 微波的应用,通信,微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点 应用业务包括：微波多路通信、微波中继通信、无线局域网、散射通信、移动通信和卫星通信等；,绪论 微波的应用,科学研究的手段,利用微波技术 建立的新学科,高能微波（高能微波加速器）：高能物理 微波波谱学：利用物质吸收谱研究物质结构 微波天文学：由微波辐射研究天体 微波气象学 遥感、全息术 测量：弱功率应用的电量和非电量测量。不接触测量对象,绪论

7、 微波的应用,微波能应用,加热：特点是均匀、高效、迅速，便于控制 杀菌：除虫、育种、刺激植物生长 生物医学应用：对生物体选择性加热，治疗各种疾病 输能：传输电能、太阳能,微波武器,微波武器:,THz应用,（1）THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。,（2）THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。因此THz 时域光谱技术作为探测材料在THz

8、波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。,太赫兹技术应用,特点：,（3）THz 光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。,（4）许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。,太赫兹技术应用,太赫兹的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。 太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所

9、以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。 太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。,太赫兹技术应用,中国在1979年制定的微波辐射暂行卫生标准中规定： 1）一天八小时连续辐射时，其剂量不应超过38 W/cm2； 2)短时间间断辐射及一天超过八小时照射时，一天总剂量不超过300 Wh/cm2； 3）特殊情况需要在辐射剂量大于1mW/cm2环境中工作时，必须使用个人防护用品，但日剂量不得超过300Wh/cm2，一般不容许在剂量超过5mW/cm2的辐

10、射环境下工作。,应注意：长时间、大剂量的微波辐射也会伤害人体，还应注意对环境的污染。,绪论 微波的应用,微波技术 应用,绪 论,本书内容框图及学习要点,均匀传输线和 波导理论基础,规则金属波导,传输线理论,微波集成传输线,介质波导与光波导,微波电路元件 理论基础,微波网络理论,微波谐振器,微波元件,（全书共分8章）,研究微波在有限区域（即导行波系统）内的传输问题,第1章 导波的一般特性,定义 导波 在含有不同媒质边界的空间传播或能够沿导行系统定向传输的电磁波； 导波系统 构成不同媒质边界的装置。它的作用是束缚并 引导电磁波传播。 不同频段和用途的导波系统 1）低频段导波系统 结构 两根平行导线

11、； 缺点 随着信号频率升高，导线电阻损耗增大，不能有效引导微波。,导波和导波系统,2）微波频段导波系统 米波频段结构 改进型双导线即平行双导体线； 分米波厘米波频段结构 封闭式双导体导波系统即同轴线； 厘米波毫米波频段结构 柱面金属波导； 毫米波亚毫米波频段结构 介质波导。 导波系统的主要功能 1）无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能量从一处传输至另一处，称之为馈线;,导波的一般特性,2）设计构成各种微波电路元件，如滤波器、阻抗变换器、定向耦合器等。 导波系统按导行波分类 1）横电磁TEM或准TEM传输线,导波的一般特性 导波和导波系统,平行双线频率低 米波,同轴线 分米波、厘米波或毫米波

12、,带状线，功率低 厘米波或毫米波,微带线，功率低 厘米波或毫米波,2）封闭金属波导 3）表面波波导（或称开波导）,导波的一般特性 导波和导波系统,矩形波导,圆波导,脊波导,椭圆波导,介质圆波导,介质带线,镜像线,导模导行波的模式,导波的一般特性 导波和导波系统,电磁场在横向以驻波分布 导模离散性 正交性、对称性、完备性 截止性：每个模式截止频率不一样,规则导行系统 定义：无限长的笔直导行系统，其截面形状和尺寸、媒质分布情况、结构材料及边界条件沿轴向均不变化。,导波的一般特性 导波和导波系统,导波的场分析方法,导波的一般特性,研究方法：场解法,导波的一般特性 导波场分析,导波系统中，求解场就是求

13、解电磁场的矢量波动方程或称矢量亥姆霍兹方程，从而可知道系统中任一点的电磁场。,矢量亥姆霍兹方程,无界媒质中电磁波传播常数,导波的一般特性 导波场分析,导波场的纵向分布和横向分布,采用广义柱坐标系（u，z，），设导波沿z 向（轴向）传播，则：,令,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,再令,分离变量法 基本思想,将（1.2）式代入（1.1）式，有,注：下标“0”代表横向分布函数,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,（1.3a）变成：,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,令,式左、式右坐标不相关，因此共同等于一常数,（1.4）,（1.5）,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横

14、向分布,坐标系确定后，该 两方程可求解,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,讨论,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,场振幅沿z轴方向无变化；相位沿z变化,场振幅、相位沿z轴方向均有变化,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,(2) 导波场传播、截止条件, 称为传播常数,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,传播方程,从而,(1.15),导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,（1.14）,因此,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,传播、截止条件,（无耗 属理想传输情况）,（1.16）,（1.18）,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,这时传播情

15、况为场的振幅沿z轴方向指数衰减，无相移。没有沿z轴传播的波，称导波的截止状态。,（1.19）,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,传播常数为零，称传播的临界状态，属截止情形,因此,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,结论,传播状态的波称传播波或传播模 截止状态的波（场）称截止模或截止场,判断传播波 条 件,导波的一般特性,导波场的横向分量和纵向分量,代入时谐场满足的麦克斯韦方程组中,展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,由、可得：,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,同理，由、可得：,导波的一般特性 导波场的横向分量和

16、纵向分量,再由出发：,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,左,整理得,即,同理，由可得,重要结论：导波的横向场满足矢量亥姆霍兹（Helmholtz） 的方程。它只有在正交坐标系中才能分解为两个标量亥姆霍兹方程。,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,再由出发,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,整理得,即,重要结论：规则导行系统中导波场的纵向分量满足标量亥 姆霍兹方程 。,同理，由可得,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,横-纵向场关系式,把 ， 代入到横向场、 的表达式中，并 整理得到：,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,横-纵向场关系式,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,（1.2-38）,（1.2-39）,（1.2-40、41）,导波的