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1、授课老师：张宁超邮箱：,微波技术与天线,课时安排：1-8周（32学时）,平时成绩30，考试70,1，微波波段 2，微波特点 3，微波的应用 4，微波防护 5，发展简史,绪论主要内容,微波是一种频率非常高的电磁波。把波长从1米到0.1毫米范围内的电磁波称为微波。微波波段对应的频率范围为: 3108 Hz31011 Hz 。如下图所示,微波波段,微波的概念及波段划分,电磁波波段划分,常用微波波段的划分,卫星通讯,通讯电视广播,雷达无线导航,微波波段的代号及对应的频率范围,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
2、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,最早的米波雷达称P-波段雷达 (Previous)；标准搜索雷达波长23cm，称L-波段 (Long，2250cm)；更短波长雷达(10cm)， 称S-波段（ Short，比标准L波段短的意思）；火控雷达波长3cm，称 X-波段（生活中X通常用来指定和标示地点）；搜索雷达和火控雷达的折衷波长的雷达称C-波段 ( Compromise是折衷的意思)；德国人发展更短波长的雷达（1.5cm），德国人称K波段雷达 ( Kurtz，德语“短”)；K波段雷达在雨天和雾天无法使用，战后为Ka( Kabove)和Ku ( K
3、under)；,新老雷达波段代码,典型应用下的频率,微波波段,ISM简介,特别为工业、科学和医疗（ISM Industrial-Scientific-Medical）应用而保留的频率范围。这些频率范围在世界范围内是统一划分的。,射频识别系统,射频识别系统产生并辐射电磁波，所以这些系统被合理地归为无线电设备一类，射频识别系统工作时不能对其他无线电服务造成干扰或削弱。所以只能使用ISM应用而保留的频率范围,八十年代后期，美国联邦通信委员会（FCC）对使用无线电的计算机通信开放了无须申请就可以使用的ISM频段，使得无线网络的使用成为通信领域的一个热点,日本于1993年也公布了无线局域网使用的ISM频
4、段在中国，也先后开放2.4G和5.8G作为ISM频段,ISM与无线局域网,我国卫星电视主要使用C波段，即上行6GHz，下行4GHz,1996.8中星5号停播后我国收看的几颗主要卫星：-100.5E，亚洲2号，1996.5升空，24个C波段转发器、,134E，亚太1A，1996.7升空，8个C波段转发器,138E，亚太1号，1994年升空，24个C波段转发器,分析方法,长线与短线的定义：传输线的长度远远大于或等于波长的传输线叫长线， 传输线的长度小于波长的线叫短线,传输线长度为3cm，当信号频率为20GHz时？,由于微波波长较短，微波的传输系统，微波元器件以及它们的工作原理和分析方法都与直流、低
5、频电路系统、低频元器件以及它们的工作原理和分析方法截然不同。首先，在分析低频电路时，我们可以认为有关物理量在传输系统中是均匀分布的。因此，我们只需考虑各物理量随时间的变化，而不考虑其空间分布。对于微波系统，我们必须同时考虑各物理量随时间的变化以及其空间分布。换句话说：在确定的空间内，对于低频信号我们观察到的是物理量的振荡，对于高频信号我们观察到的是物理量的波动。例如：电磁波的频率若为 50 Hz，其波长即为 6000 公里；电磁波的频率若为 100 GHz，其波长就只有 3 毫米。如果电路的尺度为几十毫米，则在频率较高时，就必须考虑电磁场的空间分布。,自由空间中以光速沿直线传播,在不同媒质的分
6、界面上要发生反射和折射,如果分界面的线性尺寸不比波长大很多，会出现干涉和衍射现象,遵守波动基本规律,微波波长和一般物体的线性尺寸相当，可以采用成熟的几何光学方法来设计各种微波仪器和设备，比如用透镜或反射面来设计微波天线,设计器件体积小，波束方向性强,微波的特性,似光性,波长上与实验室的设备（物体）尺寸相当同量级，使其的特点又与声波相近。,波导传声筒,喇叭天线声学喇叭,谐振腔声学共鸣箱,似声性,微波的特性,振荡频率3亿次以上，周期短，10-9 10-12 s,低频电子器件的渡越时间10-810-9s,需要考虑完全新颖的微波电子器件,可用频带很宽，在大容量通信场合得到广泛应用，如卫星通信、多路通信
7、。具有通信容量高、抗干扰能力强的特性,频率高,微波的特性,在特定波长穿透电离层，可以卫星通信、宇宙通信、遥感、定位,穿透云、雾、雨、植被、积雪，并对微波有不同程度的吸收与反射，可以利用厘米波或毫米波雷达来观测它们的存在和流动。气象预报,穿透地表，作为探地雷达,能穿透生物体，为微波生物医学打下基础,穿透性,微波的特性,量子能量不够大，不能改变分子内部结构，分子、原子和原子核呈现出谐振现象。,可以探索物质内部结构,非电离性,微波的特性,微波电磁能量传送到有耗物体内部，会使物体分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热,可以进行微波加热，用于粮食、茶叶、卷烟、木材、皮革等各种行业,热效率高、热透深度大、加热
8、均匀（里外一起热）、加热迅速,热效应,微波的特性,散射特性,当电磁波入射到物体上，会在除入射波方向产生散射，散射波将携带大量关于散射体的信息。,广泛应用与微波遥感、雷达成像、远距离微波散射通信。,微波的特性,抗低频干扰,地球周围的噪声和干扰主要是宇宙和大气在传输信道上产生的自然噪声，由各种电器设备工作时产生的人为噪声，这些噪声一般都在中低频，与微波频率差别很大,可以滤除,微波的特性,微波的特点,原先的广播和电视采用频率都在微波以下，但是随着电台增多，相互干扰增多，从而发展到微波频段。典型的是采用微波进行卫星电视直播。,微波的应用,广播与电视,微波通讯系统的工作频带宽、信息容量大、机动性好，特别
9、适合于卫星通讯，宇航通讯和移动通讯等，因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位。 微波、毫米波通讯系统不但频带宽、信息容量大，而且还具有便于架设、机动性好、保密性好等优点。目前常见的蜂窝移动电话、微波电话网、微波电视网、卫星电视网等等，都属于微波通讯系统。,微波中继通信,微波散射通信：利用对流层的散射特性进行通信,同轴电缆和波导通信,移动通信,卫星通信,宇宙通信,微波的应用,通信,一般由6个分系统组成：（1）天线分系统。地面站的天线面向通信卫星，其直径一般是10.3米，由天线本身，馈电部分，跟踪部分和驱动部分组成。（2）发射分系统。将音频和视频信号调制到工作波段的载波上，经大功率放大后，经天线发
10、向卫星。（3）接收分系统。接收来自卫星的信号，经放大和检波后，再发送到终端系统。（4）终端分系统。由载波电话、电视终端、传真终端和数据终端组成。（5）通信监控分系统。负责对地面站内的各种设备进行监视、控制和定期测试。（6）电源分系统。为地面站设备提供电源。,卫星通信上行站,散射通信（战略后备通信系统）,通信卫星地面站,目标尺寸和波长之比越大，反射越明显，探测距离越远;雷达天线口径与波长之比越大，发射波束越细，反射就越显著，测位精度越高;利用微波技术可以使用尺寸小、精度高的雷达。,现代相控雷达能够利用计算机控制天线阵列的波束相位，能够进行快速扫描，能够形成多波束；对目标进行探测，对多目标进行跟踪
11、；气象雷达、导航雷达、汽车防撞雷达、防盗雷达、遥感用雷达,雷达和导航,微波的应用,GJL-861交通管制雷达,精密跟踪雷达,J-231中程警戒雷达 具有良好的反隐身能力和抗反 辐射导弹能力；工作可靠性高，集成化和固态化程度高；自动化程度高，操作简单，环境舒适及机动性强；雷达录取数据可通过数据通讯进入雷达情报网。技术指标距离探测方位 大于等于260KM 方位探测距离 0度-360度连续工作时间 大于12小时环境温度 零下40度-50度 相对湿度 95-98%(30度）接收机噪声系数 小于等于3dB接收机中频带宽 15050kHz天线转速 0.5-4r/min,最早的火控雷达,微波能强功率应用（加
12、热）,微波加热是指一些有耗介质，特别是含水或含脂肪的材料，吸收微波能量，并把它转化为热能。不是借助于辐射、传导或者对流，而是靠材料内部极性分子在微波场作用下的共振吸收。,除家用微波炉外，在工农业生产方面，烘干、杀虫、灭菌、橡胶硫化、塑料生产,如英国采用2450MHz、1.8kW微波对硬木进行杀虫,微波的应用,医学,微波理疗机做透热治疗,利用微波进行局部加热杀死癌细胞,微波穿透人体的能力远比红外要强很多，利用微波可以得到人体内部的温度分布图,癌肿瘤的温度略高于正常组织，这就提供了一种探测体内癌肿瘤的方法,微波加热血浆，解冻冷藏肾脏,微波的应用,计算机,计算机从问世到现在，时域脉冲信号已经高达几G
13、Hz，在如此高频率下为了进一步发展，必须用微波技术的概念和方法去解决芯片引线之间的脉冲反射和串扰。,微波的应用,早期的电子计算机可以说与微波技术毫无联系。随着电子计算机芯片制造技术的不断进步，电子计算机的工作主频已经从早期的 20 MHz，33 MHz，40 MHz，66 MHz，120 MHz 不断向高频发展。目前，高性能处理器的主频已经超过 3GHz。总线的频率也已达到800MHz。这些都已进入微波波段。如何对CPU、内存、主板等在微波频带内进行合理的设计已经成为目前的一个重要课题。,射电天文学,由于微波工程技术的发展而形成的天文学分支,在地面建立几十米、数百米的大型抛物面天线，再配以高增
14、益、低噪声、宽频带的微波接收机，可捕捉来自宇宙星体的微波辐射，利用这些信息研究宇宙的起源和构造,1962年由无线电领域的科学家测得的宇宙背景辐射信号，强度相当于绝对温度2.7K，后来证实是宇宙大爆炸时的残余热辐射。这一发现被授予1978年诺贝尔物理学奖,微波的应用,北京天文台密云观测站的射电望远镜天线阵,电磁兼容(electronic compatibility),包含微波、射频信息系统的不容忽视的问题,随着系统复杂性的增加、工作频率的提高、系统集成度的增加，电磁兼容变得更加重要,分三层：系统级，如通信卫星、飞机、军舰；印刷电路板级；芯片级,微波的应用,微波防护,微波量子与X射线或者 射线相比
15、极其微小，不足以使生物体组织中的分子变成离子，因而不会造成损伤。,人体只对外部加热比较敏感，而微波能使人体内部变热，在不知不觉中，微波热效应会对人体产生损害，如果不能及时把局部过多的热量耗散掉，将产生严重后果。,多数国家认为，最大允许的微波功率密度是10mW/cm2,但是微波的非热效应也可能会对中枢神经和心血管系统有影响，因此10mW/cm2有可能偏高,SAR值即为生物体(包括人体)每单位公斤允许吸收的辐射量，这个SAR值代表辐射对人体的影响，是最直接的测试值，SAR有针对全身的、局部的、四肢的数据。SAR值越低，辐射被吸收的量越少,SAR必须低于1.6w/kg(motorola 2.0w/kg),手机辐射,微波防护,1873年詹姆斯.克拉克.麦克斯韦(James Clerk Maxwell)用公式建立,数学复杂性的消除,1885年到1887年奥利弗.亥维赛(Oliver Heaviside)消除了maxwell理论的数学复杂性，引入矢量形式，并提供了导波和传输线的实际应用的基础。,发展简史,现代电磁理论的基础,最早的实验,1887年到1891年亨瑞克.赫兹(Heinrich Hertz)作了一系列实验证实了麦克斯韦的电磁理论,
