微波技术基础(绪论一二章)微波技术基础徐锐敏 唐璞 薛正辉 雷振亚 等编绪论01 微波的波长（或频率）范围微波一般是指波长从1m到01mm的电磁波，相应的频率范围是03～3000GHz也有文献将微波波长范围从1m划到1mm，相应的频率范围是03～300GHz微波在整个电磁波频谱中所处的位置见图01.图01电磁频谱分布图在实际应用中，为了方便，在微波波段内部又进行了细分，见表0.1习惯上还把微波中常用波段分别以拉丁字母作代号，见表03和表0.4分别给出了家用电器频段和民用移动通信频段可见其工作频段基本上都落入微波频率范围表0.1 微波波段的细分名 称波长范围频率范围分米波1m 10cm300MHz 3GHz厘米波10cm 1cm 3GHz 30GHz毫米波1cm 1mm 30GHz 300GHz亚毫米波1mm 01mm300GHz 3000GHz表0.2微波常用波段代号波段名称波长范围（cm）频率范围(GHz）P 130 30 023 1L 30 15 1 2S 15 7。
5 2 4C 75 3.75 4 8X 375 24 8 12Ku 2.4 1.67 12 18K 1.67 113 18 26.5Ka 113 0.75 265 40U 0.75 05 40 60E 05 0.33 60 90W 04 0272 75 110F 0.33 0215 90 140G 0215 0136 140 220R 0136 009 220 325表0.3家用电器频段名 称频率范围调幅无线电535-1605kHz短波无线电3—30MHz调频无线电88—108MHz商用电视1—3频道48.5—72.5MHz4—5频道76—92MHz6-12频道167—223MHz13-24频道470—566MHz25—68频道606—958MHz微波炉2.45GHz蓝 牙2。
40—248GHz表04移动通信频段名称频率范围2G频率分配表GSM900890—960MHzGSM18001710—1880MHzPHS(小灵通）1900—1915MHz3G频率分配表主要工作频段：FDD方式1920—1980MHz/2110—2170MHzTDD方式1880—1920MHz/2010—2025MHz补充工作频段：FDD方式1755—1785MHz/1850—1880MHzTDD方式2300—2400MHz，与无线电定位业务共作，均为主要业务卫星移动通信系统工作频段1980—2010MHz/2170—2200MHz02 微波的主要特性微波和普通的无线电波、可见的和不可见的光波、X射线、Υ射线一样，本质上都是随时间和空间变化的、呈波动状态的电磁场或电磁波尽管它们的表现各不相同，例如可见光可以被人眼所感觉而其他波段则不能；X射线、Υ射线具有穿透导体的能力而其他波段则不具有这种能力；无线电波可以穿透浓又厚的云雾而光波则不能等等，但它们都是电磁波.之所以出现这么多不同的表现,归根结底是因为它们的频率不同即波长不同.从电子学和物理学的观点看，微波电磁谱具有不同于其它波段的如下重要特点：(1)似光性和似声性 与较低频率波段相比,微波的频率高且波长很短，比一般物体(如飞机、舰船、汽车、坦克、火箭、导弹、建筑物等）的尺寸相对要小得多，或在同一量级。
这使微波的特点与几何光学相似,即似光性因此，用微波工作，能使电路元件尺寸减小;使系统更加紧凑；可以设计制成体积小、波束很窄、方向性很强、增益很高的天线系统，接收来自地面或宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号,从而确定物体的方位和距离，分析目标的特征由于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近,即似声性例如微波波导类似于声学中的传声筒；喇叭天线和缝隙天线类似于声学喇叭、萧和笛；微波谐振腔类似于声学共鸣箱等2）穿透性 微波照射于一般物体（介质体）时,能深入物质内部：微波能穿透电离层,成为人类探测外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透云、雨、植被、积雪和地表层，具有全天候和全天时的工作能力，成为遥感技术的重要波段；微波能穿透生物体,成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体,是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和导弹末制导的重要手段这些特性是红外与毫米波频段的电磁波所不具有的.（3)非电离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而由物理学知道，分子、原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波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。
另一方面,利用这一特性和原理,可研制许多适用于微波波段的器件4）信息性 由于微波的频率很高，所以在不太大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫这是低频无线电波无法比拟的.这意味着微波的信息容量大所以现代多路通信系统,包括卫星通信和移动通信,几乎无例外地都是工作在微波波段另外，微波信号还可提供相位、极化、多普勒频率等信息,这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的5)微波的大气传播特性微波在大气层中传播时将受到一定程度的影响,其主要原因是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.图0.2表示微波高端频段在大气中水平传播时平均大气吸收的实验结果可见由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附近同时看到有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、21和1.4mm还可以看到在大气层中传播电磁波的工作频率升高，总的衰减呈上升趋势2 传播时的大气吸收特性03 微波的应用微波具有上述重要特性,决定了它在实际应用中的广泛性。
微波的应用包括作为信息载体和微波能的应用两个方面下面就其应用的主要领域加以简单介绍.微波的传统应用是雷达和通信，这是微波作为信息载体的主要应用.雷达是利用电磁波对目标进行探测和定位,并可进行目标特性分析.现代雷达大多数是微波雷达利用微波工作的雷达可以使用尺寸较小的天线，来获得很窄的波束宽度,以获取关于被测目标性质的更多的信息雷达不仅用于军事,也用于民用，如导航、气象探测、大地测量、遥感遥测、工业检测和交通管制等由于微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点，所以被广泛应用于各种通信业务，包括微波多路通信、微波中继通信、散射通信、移动通信和卫星通信利用微波各波段的特点可作特殊用途的通信，例如从P到Ku波段的微波适用作以地面为基地的通信;毫米波适用于空间与空间的通信；毫米波段的60GHz频段的电波大气衰减较大,适于作近距离保密通信；而90GHz频段的电波在大气中衰减却很小,是个窗口频段，适于作地空和远距离通信；对于很长距离的通信，则L波段更适合，因为在此波段容易获得较大的功率.微波能的工农业应用.微波作为能源的应用始于20世纪50年代后期,至60年代末,微波能应用随着微波炉的商品进入家庭而得到大力发展。
微波能应用包括微波的强功率应用和弱功率应用两个方面强功率应用是微波加热；弱功率应用是用于各种电量和非电量（包括长度、速度、湿度、温度等）的测量.微波加热可以深入物体内部，热量产生于物体内部，不依靠热传导，里外同时加热，具有热效率高、节省能源、加热速度快、加热均匀等特点，便于自动化连续生产用于食品加工时,还有消毒作用，清洁卫生，既不污染环境，而且不破坏食品的营养成份.微波加热现已被广泛应用于食品、橡胶、塑料、化学、木材加工、造纸、印刷、卷烟等工业中；在农业上，微波加热可用于灭虫、育种、育蚕、干燥谷物等.弱功率应用的电量和非电量的测量，其显著特点是不需要和被测量对象接触，因而是非接触式的无损测量，特别适宜于生产线测量或进行生产的自动控制现在应用最多的是测量温度，即测量物质（如煤、纸、原油等）中的含水量微波的生物医学应用，也属于微波能的加热应用利用微波对生物体的热效应，选择性局部加热，是一种有效的治疗方法，临床上可用来治疗人体的各种疾病，尤其对肿瘤胞块微波的医学应用包括微波诊断、微波治疗、微波解冻、微波解毒和微波杀菌等用微波对生物体作局部照射，可提高局部组织的新陈代谢，并诱导产生一系列的物理化学变化,从而达到解痉镇痛、抗炎脱敏、促进生长等作用,广泛用于治疗骨折、创伤、小儿肺部疾病、胰腺、癌症疾病等.国际上规定的于工业、科学、医学的微波加热专用频率是915±25MHz、2 450±50MHz、5 800±75MHz和22 125±125MHz。
目前广泛使用的是915 MHz和2 450 MHz需要指出的是，微波的生物医学效应不仅有对生物体的热效应，而且有非热效应，在某些情况下，后者比前者更为主要微波的生物医学应用是利用微波有益的生物效应微波的生物效应还有有害的效应，表现为超剂量的微波照射有三致作用：致癌、致畸和致突变，即是说,微波的致热作用既能治病又能致病，问题在于处理好微波的功率、频率、照射时间和作用条件三者之间的关系微波的三致作用按其机理可分为热效应和非热效应两种热效应或称致热效应是指由于微波照射生物体引起其组织器官的加热作用所产生的生理影响;非热效应或称热外效应是除了对生物体组织和器官的加热作用以外的对生物体的其它特殊生理影响这些影响是用别的加热手段不会产生的微波对人体的伤害作用主要是热效应大剂量或长时间的微波照射全身时，可以使人体温度升高，产生高温生理反应，使人体组织和器官受到损伤,最容易受到是眼睛和睾丸.因此,应该采取适当的防护措施,并应对微波源的功率泄漏规定安全标准.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 μW/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 μW·h/cm2；（3）由于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300μW·h/cm2，一般不容许在剂量超过5mW/cm2的辐射环境下工作。
另外，随着科学技术的飞速发展，学科之间的相互渗透不断加剧,在其他学科中应用微波理论和技术进一步深入研究的范例不断增多.例如，在数字集成电路中，随着运算速度的提高，其时钟频率已进入微波频段,采用传统的集总参数而不用分布参数方法进行研究和设计的话,高速数字集成电路就难以正常工作或难以保障信号完整性问题.第1章 导波的一般特性11导波和导波系统时变电场产生时变磁场,时变磁场又产生时变电场，如此进行下去，变化着。