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1、1-1微波及其特点,一.微波 同普通的无线电波（超长波、长波、中波 短波、超短波 ）、可见光、不可见光、X射线、 射线一样，都是随时间和空间变化的呈波动状态的电磁场或电磁波。是指频率300M-3000G范围内的电磁波，其相应的波长1m-0.1mm，通常又将其划分为四个分波段：分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波,微波波段的划分： 亚毫米波 300 GHz3000 GHz 毫米波 30 GHz 300 GHz 厘米波 3 GHz 30 GHz 分米波 300 MHz3 GHz 无线电波段： 超短波 30 MHz 300 MHz 短波 3 MHz30 MHz 中波 300KHz3 MHz 长波 30
2、KHz300 KHz,在通信和雷达工程中，常将这四个分波段划分得更细且使用拉丁字母代表各“细分波段”的记号，（见教材第一页的表1.1-1（a）如用“C”代表5cm的波段，“x”代表3cm的段段等等。为了充分而又合理地利用有限的频率资源，国际电信联盟（ITU）对每个频段的应用都有严,格的规定。对于我国的广播电视系统来说，频率分配如下：(见教材一页表） 1-12频道的电视、调频广播位于超短波频段， 13-68频段的频率范围为470M-958M，位于分米波段。用来传送电视节目的地面微波站工作频率一般为2G-8G，处于分米波和厘米波之间。,二、微波与其它波段的无限电波相比具有如下的特点： 1.微波的波
3、长极短，它与所使用的元件、设备的尺寸可相比拟。 元件的参数是沿空间分布的，称之为分布参数。 研究这样的系统必须用分布参数的观点。普通的集 中参数元件如电阻、电容、电感等已不能使用，代之的是波导管、谐振腔等分布参数的元部件。,2.微波的振荡周期极短（ S ），与电子在电子管内的渡越时间（电子从阴极发射到达板极的时间约为 S量级）可以相比拟。 普通的静电控制的电子器件在微波波段已不能有效地工作，代之的是在原理和构造上完全不同的微波电子器件速调管、磁控管和行波管等。,3.似光性 微波介于无线电波与光波之间，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的某些性质，以光束的直线传播，有反射、折射、绕射、干扰等现
4、象；某些几何光学原理如 惠更斯原理、镜像原理、多普勒效应等仍然适用。雷达能发现及跟踪目标就是基于这些特性,4.微波频段可用带宽很宽，可达 数百兆至数千兆，故信息容量大，有巨大的信息潜力。 微波波段中包含一万个长、中、短和超短波波段，微波的频带要比长、中、短与超短的频带之和还要宽一万倍。 5.穿透性 微波波段的电磁波能穿透电离层，许多学科的研究都利用这一特点来完成的，如：宇宙通信、射电天文学等等。,由于微波具有上述的一些独特特点，使微波技术在通信、雷达、天文、气象、工业、农业、医疗以及科学研究等方面得到越来越广泛的应用，成为无线电电子学的一个重要的分支。,1.2 微波的应用 自1931年架设了世
5、界上第一条微波通信线路，1935年研制了军用雷达以后，微波技术主要在雷达和通信领域上得到广泛的应用。尤其是第二次世界大战期间，军事上的需要，促使微波器件和微波技术极大的发展。战后的几十年，微波技术逐步地向其它的工程部门渗透而应用诸如导航、电子对抗、空间技术、遥感与遥测等。与此同时，人们发现了微波的热效应和微波的生物效应，利用微波的热效应开辟了利用微波能来对各种物料进行加热处理的“微波加热”技术。目前微波加热已在国民经济的许多部门得到越来越广泛的应用，如工业上微波加热、农业上的谷物烘干、种子灭菌，医疗上的微波理疗，利用微波的生物效应来治疗疾病和改良作物品种等。,微波与一些产业相结合形成一些边缘学
6、科。如微波气象学、微波射电天文学、微波波谱学、微波生物学等等。 要全面的论述微波的应用是困难的，因为它渗透的技术领域与日俱增，这里只简单介绍以下几个方面的应用。,1.广播电视 目前广播电视所采用的频率大都在微波频段以下。但由于电台、电视台、无线电波段日益拥挤，电台、电视台之间的相互干扰变得严重，解决这一问题的唯一方法是向微波波段发展。正象前所述，微波的频带要比长、中、短与超短波的频带之和还要宽一万倍，因此利用和开发微波波段大有前景。一些发达国家已在利用频率为12GHz的微波作为卫星电视广播的频率，利用 波段多波束技术的卫星直播电视，使用户直接收到128个频道的电视节目。,2.通信 为了把许多路
7、信号同时在一条线路上传送，就 必须使信道的中心频率比所要传递信息的总带宽高 几十倍乃至上百倍。因此为了有足够的信息容量， 现代通信系统几乎无例外地工作在微波波段。 微波通信方式主要有中继通信、卫星通信、移 动通信等。 微波通信除具有信息容量大的特点外，还由于 其波长短，相应的天线可以构造得具有很大的电尺 寸，因而能实现天线的高增益和锐方向性，从而降 低对发射机输出功率的要求，而与低噪声接收机相 配合，可实现超远距离微弱信号的接受；微波波段 的通信受工业、天电和宇宙等外界干扰较小，可使 通信质量得以提高。,微波波段的电磁波，它在空间的传播是沿直线传播，而地球是一个球体，地球的曲率半径使微波在地面
8、上直线直线传播的距离仅限于数十公里的范围之内。为了增大通信距离，采用相隔数十公里（50公里左右）设一微波中继站，将受衰弱的信号放大，在一站一站的传送下去，从而实远远距离通信。,中继站均包含有接收设备和发射设备，目前中继 通信采用厘米波，一些国家已利用毫米波来进行中 继通信，进一步解决通信信道的拥挤。 利用人造卫星做中继站的通信称为卫星通信。 目前普遍采用的是同步卫星通信和同步卫星广播。 它在地球赤道上空35786km处，只要三颗同步卫 星在地球赤道上空等间隔地向地球发射宽度为 17度18度的波束，即可覆盖整个地球，从而实现 全球通信和广播。,雷达：意为无线电定位，工作频率3-100G，频率越高
9、，设备天线越轻巧。 传统 的雷达设备的工作原理如图所示，雷达之所以能测定目标的方位和距离，是因为雷达发射机发射的无线电波若遇物体会发生反射回波，回波被雷达的接受机所接收并在雷达显示荧屏上显示发射脉冲和回波脉冲，通过测量脉冲间的间隔便可知电波由发射机直至返回雷达接收机所经过的时间，由下式 S=0.5 t 计算出被测物体的距离。其中S为被测目标的距离， 为光速t为电波所经历的时间,在雷达的回波信号（包括频率、振幅、相位、时延等）中，存在许多有用信号，它包含着被测物体更精确的结构及物理特性。雷达测量具有许多独特的优点，如测量距离远、全天性、实时性、穿透性以及物体对微波特有的反射特性等，这是光学方法和
10、其它测量所不及的。因此，雷达技术越来越广泛地应用与民用方面，如民用航空、航海、气象、卫星通信与广播、遥感、城市交通及其它方面。,利用多普勒效应制成的雷达可广泛地用于鉴别运动目标和固定目标，或直接测量运动目标的速度。所谓多普勒效应是指发射源和接收者之间有相对径向运动时，接收到的信号频率将发生变化。其发射频率与接收的频率之差称之为多普勒频率,式中： 为发射频率 ， 为接收者（被测物）的运动速度，c为光速， 为雷达天线电轴与运动物之间的夹角。 例如目前已广泛用于公路交通管理中的车辆测速雷达，这是一种小型连续波多普勒雷达装置。它使用X波段或K波段，根据测出的 可得到目标速度，并被专门的装置指示和记录下
11、来。,在铁道机车底部安装测速雷达，天线以一定角度对着地面，通过测量多普勒偏移量来确定机车的速度。 如将一部小型的收发天线分开的连续波多普勒雷达安装于自动门上，对正常人的步行速度它可产生几十兆以上的多普勒频率，由此产生开门控制信号。当人离开或静止不动时，几秒钟后就能自动恢复原状（关门）。,卫星导航系统（GPS），它是90年代发展起来的高精度卫星导航与定位系统。该系统是由18颗高度为26500km的卫星实现全球覆盖。每颗卫星发射两种伪随机码扩频信号（P码为军用，C/A码为民用），运载体搜索并有选择地跟踪4颗卫星发射的信号，以码分形式区分4颗卫星的信号。从信号中提取星历，测量信号到达时间。经迭代定位
12、计算，就可求得运载体自身所在位置及精确的时间。从信号中提取多普勒频移量，就能得到运载体的三维速度。这种导航系统能向运载体提供7维导航数据（三维位置、三维速度及时间）。这种系统的工作频率为1.2276G和1.57542G。,微波炉：它是一个简单的微波系统，主要由高功率源、波导馈线、炉腔组成。 高功率源：一般是工作在2.45G的磁控管，输出功率一般在500W-1500W之间。 炉腔：具有金属壁，电气尺寸相对较大。为了减少由于炉子内存在驻波所引起的不均匀加热，用一种“模扰动器”扰乱腔内场分布，这种模扰动器是金属风扇叶片。 设计微波炉最关键的是安全，因使用很高的微波功率源，泄漏电平必须很小，以避免用户
13、暴露在有害的辐射中。因此必须仔细屏蔽。,微波技术研究的是微波信号的产生、放大、传输、接收、控制、测量、使用的方法。微波技术的发展：传输线：双线、同轴传输线-波导传输线-带状、微带-介子波导-鳍线波导 振荡器：微波电真空器件-微波半导体-多管合成器件电路形式：波导-微带-混合集成-单片集成研究的波段：分米-厘米-毫米-亚毫米,二、导波场的分析 在微波传输系统中，能量是以电磁波的形式沿导行波系统传播的。因此必须应用电磁场理论来确定导行波系统内电场E和磁场H的空间分布情况，这意味着是在所限定的边界条件下求麦克斯韦方程的解，通常将这种方法称为场解法。 如无限长的均匀导行波系统（波导管或同轴线），假设波
14、导壁为理想导体，波导内为无源空间，并充有介电常数 ，磁导率为 的无损耗理想介质，又设导行波的电场和磁场为时谐场（正弦电磁场），它们满足麦克斯韦方程。,麦克斯韦方程 （1） （2）矢量波动方程 （3） （4）,式中 是电磁波在充以理想介质的无限空间中传播常数，又称波数。 E和H为空间坐标和时间变量的矢量函数， 对正弦电磁场，选定其时间因子为 则对于沿Z轴方向传播的行波可表示为： （5） （6） 式中： 称为传播常数， ：衰减常数 ：相位常数 (单位见书P22页）,将（5）（6）式代入（1）（2）式，得 （7） （8） （5）（6）式对Z求偏导数，得 （9） 在直角坐标系中有 （10）将 （7）式
15、左右两边展开分量的形式，并考虑（9）式的分量形式得,左边= 右边 令左边和右边对应项相等，可得 （11a）,同理由（8）式可得 （11b） 式中 是电场和磁场在横截面内 分布函数的横向分量，而 称为分布函数的纵向 或轴向分量，它们均是x,y的函数。由（11）式的6个标量方程联立求解可得出由电场和磁场的纵向分量表示的横向分量的表达式如下：,（12） 式中： （13）,如果将（3）（4）式中的E、H矢量用分量表示，则这 两个矢量波动方程就可变为关于 的6个标 量方程，其形式完全相同。 关于 的波动方程为： （14） 式中 称为横向拉普拉斯算子 由上可见，对于具体的传输线，只要根据给定的边界 条件求出（14）式的解，得到分布函数的纵向分量 后，将其代入（12）式就可得到分布函数的横向分量，得到完整的分布函数，在代入式（5）（6）即得到沿传输线传播的导行波的具体表达式。,波导波的一般传输特性 1.导模的截止波长与传输条件 截止波长：导行系统中某导模无衰减所能传播的最大波长 截止频率：导行系统中某导模无衰减所能传播的最低频率,导模无衰减传输条件：工作波长小于截止波长或工作频率大于截止频率,2.相速度和群速度,相速度：导模等电位面移动的速度 （ 常数） G：为波导因子或色散因子 v：电磁波传播速度 群速度：波包络移动速
