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1、微 波 技 术 基 础华中科技大学电信系陈柯Email： 华中科技大学微波绪论改绪论0.1 电磁波的实质与发展历程0.2 微波在电磁波谱中的位置0.3 微波的特点0.4 微波的应用华中科技大学微波绪论改0.1电磁波的实质与发展历程一一.电磁波的产生与实质电磁波的产生与实质 波的产生是由物质的各部分振动造成的；如： 水波：是由于水分子的上下振动引起的 声波：是由于空气分子的来回振动引起的 电磁波电磁波是由电磁场的振动电磁场的振动产生的（即电场和磁场的方向、大小的循环变化）； 注：电磁波由于其“不可捉摸”而显得十分抽象； 华中科技大学微波绪论改0.1电磁波的实质与发展历程电场：是由带电物体（多余电
2、子或失去电子）产生的； 磁场：是由于电荷的运动产生的； 电磁波实质是不断变化着的电场和磁场在空间中的传播；华中科技大学微波绪论改0.1 电磁波的产生及实质下图是导体周围某一确定时刻空间各点电磁场强度变化的图形(此犹如我们在某一瞬间拍摄下来的水面上各点水波的凹凸起伏图形一样)。华中科技大学微波绪论改电磁场理论的学科内涵电磁场电磁场理论的理论的科学内科学内涵和应涵和应用领域用领域 无线电技术的理论基础：无线电技术的理论基础： 电磁场与物质相互作用电磁场与物质相互作用 信息传输新器件和系统信息传输新器件和系统 信息获取新方法和技术信息获取新方法和技术华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的
3、历史回顾一一.电磁波的发展历程电磁波的发展历程n电、磁现象是大自然最重要的自然现象，也是最早被科学家们关心和研究的物理现象。n19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象被广泛的关注和研究。正是由于这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。n其中贡献最大的有富兰克林、伏打、安培、法拉第、高斯等科学家。华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾n1864年,麦克斯韦提出位移电流的新假设,用严谨的数学方式揭示了电场与磁场的内在联系, 以及它们所遵循的规侓-麦克斯韦方程,从而建立了系统而完整的电磁场理论。-经典电磁理论。n1868年,麦克斯韦从他所建立的偏微分方程中推出电磁波来,科学的
4、预言了电磁波的存在。麦克斯韦（1831-1879） 华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾18551855年：开始致力于电磁学的研究年：开始致力于电磁学的研究18641864年：电磁场的动力学理论年：电磁场的动力学理论18731873年：电磁通论著作完成年：电磁通论著作完成18731873年年: : 经典宏观电磁场理论建立经典宏观电磁场理论建立华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾n麦克斯韦预言电磁波的存在，但却没有能通过亲手实验证实他的预言。1887年德国科学家赫兹透过闪烁的火花，第一次证实电磁波的存在。此后过了 不到7年时间，电磁波开始实际应用到通信
5、领域。从此开始了电磁场和电磁波理论的应用与发展时代。赫兹 （1857-1894）赫赫赫赫兹兹兹兹实实实实验验验验频率的单位频率的单位HzHz即以他的姓氏即以他的姓氏命名。命名。华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾n20岁的马可尼偶然读到赫兹论述电磁波实验的文章，从而把兴趣全部转移到利用电磁波进行通信的实验上，立志实现无线电通信。1901年，他试验成功了在加拿大的纽芬兰与英国的昆沃尔之间、横跨大西洋3000公里的越洋无线电通信。从而使无线电技术的发展成为20世纪的热门话题。开辟了人类应用无线电的新纪元。 n马可尼成为马可尼成为19091909年年 的诺贝尔奖得主的诺贝尔奖得
6、主马可尼（1874-1937）华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾无线电报无线电报( (telegraphtelegraph） 18951895年，年，马可尼马可尼进行了进行了2.52.5公里无线电报传送公里无线电报传送 18961896年，年，波波夫波波夫进行了进行了250250米的电报传送试验米的电报传送试验 18991899年年, , 跨越英吉利海峡电报传送试验成功跨越英吉利海峡电报传送试验成功 19011901年，跨越大西洋的年，跨越大西洋的32003200公里的试验成功公里的试验成功华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 有线电话有线电话 （
7、telephone)telephone) 1876 1876年年, , 美国科学家美国科学家贝贝 尔尔在美国建国在美国建国100100周年周年 博览会上展示了他所发博览会上展示了他所发 明的有线电话。明的有线电话。华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 广播广播 (broadcasting ) (broadcasting ) 19061906年，美国费森登用年，美国费森登用5050 KHz KHz的发电机作发射机的发电机作发射机， 用微音器接入天线实现调用微音器接入天线实现调 制，使大西洋航船上的报制，使大西洋航船上的报 务员听到了广播播出的音乐。务员听到了广播播出的音乐。
8、19191919年第一个年第一个 定时的无线电广播电台在英国建成定时的无线电广播电台在英国建成华中科技大学微波绪论改人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾电视电视 (television video ) (television video ) 18841884年，德国年，德国尼普科夫尼普科夫提出机提出机 械扫描电视的设想，械扫描电视的设想，19271927年，年， 英国英国贝尔德贝尔德成功用电话线路把成功用电话线路把 图像从伦敦传至大西洋中的船上。图像从伦敦传至大西洋中的船上。兹沃霄金兹沃霄金在在 19231923年和年和19241924年相继发明了摄像管和显像管。年相继发明了摄像管和显像管。
9、19311931年，世界上第一个全电子电视系统出现。年，世界上第一个全电子电视系统出现。华中科技大学微波绪论改n在发现电磁波不到在发现电磁波不到6 6年，利用年，利用电磁波的技术，如雨后春笋电磁波的技术，如雨后春笋般相继问世。般相继问世。n无线电报（无线电报（18941894年）年）n无线电广播（无线电广播（19061906年）年）n无线电导航（无线电导航（19111911年）年）n无线电话（无线电话（19161916年）年）华中科技大学微波绪论改n短波通信（短波通信（19211921年）年）n无线电传真（无线电传真（19231923年）年）n电视（电视（19291929年）年）n微波通信（微
10、波通信（19331933年）年）n雷达（雷达（19351935年）年）n遥控、遥感、卫星通信、移动通信、遥控、遥感、卫星通信、移动通信、射电天文学射电天文学它们使整个世界面它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。貌发生了深刻的变化。华中科技大学微波绪论改0.2 微波在电磁波谱中的位置一、电磁波谱 电磁场的振动有快有慢，因此电磁波的频率有高有低，电磁波的频率十分宽广。根据不同频段（或波段）电磁波的不同特性和不同的适用场合，可以将电磁波划分成几个大的类别范围，即电磁波的频谱。 华中科技大学微波绪论改0.2 微波在电磁波谱中的位置图图0-3 电磁波谱电磁波谱华中科技大学微波绪论改0.2 微波在电磁波谱中
11、的位置微波波段的划分微波波段的划分 长期以来，人们对微波范围内的电磁波又进行了进一步的频率范围划分，并给予了相应的波段代号波段代号波段代号波段代号波段代号频率范围频率范围/GHz/GHz频率范围频率范围/GHz/GHzUHF 0.3 1.12 Ka 26.5 40 L 1.121.7 Q 33 50LS 1.7 2.6 U 40 60S 2.6 3.95 M 50 75C 3.955.85 E 60 90XC 5.858.2 F 90 140波段代号波段代号波段代号波段代号频率范围频率范围/GH/GH频率范围频率范围/GH/GHUHF 0.3 1.12 Ka 26.5 40 L 11.7 Q
12、33 50LS 1.7 2.6 U 40 60S 2.6 3.95 M 50 75C 3.955.85 E 60 90XC 5.858.2 F 90 140微微波波波波段段的的划划分分微微波波波波段段的的划划分分华中科技大学微波绪论改0.2 微波在电磁波谱中的位置 THz波是指频率在(0.1-10)THz（波长为300030微米）范围内的电磁波，THz=1012Hz。由波谱图可见，它在长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，而在短波段，与红外线相重合下。长期以来，由于缺乏较为理想的THz源和相关检测系统，致使在电磁波谱中形成一段发展相对落后的“THz空白”（ THz Gap） ，是有待开发利用的最后
13、一个电磁窗口。华中科技大学微波绪论改0.2 微波在电磁波谱中的位置 另外，其它波段的波长为：红外线0.75mm 0.76um(远、中、近红外线的范围分别为0.75mm 15um，151.5um，1.50.76um；远红外线波段的一部分与亚毫米波段相重叠)；紫外线(0.39 0.005um)；X射线(0.00510-8um)；y射线(10-8um以下)。华中科技大学微波绪论改0.2 微波在电磁波谱中的位置 顾名思义“微波”是波长极短，频率极高的电磁波。在电磁波谱中是介于普通无线电波与红外线之间的波段。 因此，波长的长与短、频率的高与低都是相对的，在微波波段内部又可划分为分米波、厘米波、毫米波和亚
14、毫米波. 不同频率的电磁波，其传播特性不同，适用场合也不同：华中科技大学微波绪论改0.2 微波在电磁波谱中的位置华中科技大学微波绪论改0.3 微波的特点 由所处的波长和频率决定，微波除了与普通无线电波具有共同点外，还有其本身的一些特点：一、微波具有似光特性一、微波具有似光特性 具有反射和视距传输的特性终端站甲终端站甲终端站乙终端站乙地面远距离微波通信地面远距离微波通信 需要建中继站需要建中继站中继站中继站华中科技大学微波绪论改0.3 微波的特点微波可通过抛物天线定向辐射微波可通过抛物天线定向辐射1.1.光波可以通过抛物面反射镜形光波可以通过抛物面反射镜形成强烈的定向照射。成强烈的定向照射。2
15、2微波也可以通过尺寸很小的（微波也可以通过尺寸很小的（1m1m左右）抛物天线形成很强的定向左右）抛物天线形成很强的定向辐射。辐射。抛物天线发射电磁波的波束角约等于抛物天线发射电磁波的波束角约等于D-D-抛物面直径抛物面直径-为波长为波长短波段的最短波长短波段的最短波长微波波长微波波长华中科技大学微波绪论改0.3 微波的特点 二、可以穿越电离层二、可以穿越电离层 普通无线电波会被高空的电离层所吸收或被反射回来；而微波由于存在大气“窗口”，则能穿过电离层至外层空间。无线电窗口无线电窗口: 在1-10GHz(千兆赫),20-30GHz,91GHz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
16、面向外层空间传播。这种现像称为”无线电窗口”或“大气窗口”。 因此利用这些窗口，我校微波遥感研究室研制了8mm、3mm微波辐射计及其成像系统。具有全天时、全天候的工作能力。华中科技大学微波绪论改0.3 微波的特点 华中科技大学微波绪论改0.3 微波的特点三、频率高，频带宽、信息容量大华中科技大学微波绪论改0.3 微波的特点四、有一定的穿透性 可深入到物质内部，并与分子和原子产生相互作用。利用这一特性可以探测物质的内部结构。 另外，某些物质吸收微波后会产生热效应，可利用来对物质进行加热和烘干，如微波炉、工业上的食品加工处理等华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用 微波以上特点决定了在雷达、通信
17、、遥感、医疗设备、以及军事国防等领域有着广泛的应用。 华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（一、雷达）华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（一、雷达） 雷达（雷达（RadarRadar）是无线电定位的简称）是无线电定位的简称( (raradio dio d detection etection a and nd r ranginganging的缩写的缩写) ) Y YZ Z雷达监视屏雷达监视屏t ts sD Dx xH H 微波雷达的突出优点是微波雷达的突出优点是: :能用较小的天线尺寸得到较窄的天线波能用较小的天线尺寸得到较窄的天线波束束, ,外部噪声较低外部噪声较低, ,全天候不受
18、云层覆盖的影响全天候不受云层覆盖的影响. .华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（一、雷达）n19221922年，马可尼发表无线电波能检测物体的论文，是年，马可尼发表无线电波能检测物体的论文，是雷达最早的概念。雷达作为一种探测目标的电子设备，雷达最早的概念。雷达作为一种探测目标的电子设备，产生于二次世界大战。产生于二次世界大战。19361936年，英国设计警戒雷达投入了运行年，英国设计警戒雷达投入了运行19381938年，美国研制成第一部火炮控制雷达年，美国研制成第一部火炮控制雷达19401940年，微波雷达的研制成为可能年，微波雷达的研制成为可能19441944年，自动跟踪飞机的雷达研制
19、成功年，自动跟踪飞机的雷达研制成功19451945年，显示运动目标的显示技术发明年，显示运动目标的显示技术发明华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（一、雷达）测速雷达孔径雷达探地雷达华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（二、通信）演示 典典型型微微波波无无线线通通信信线线路路示示意意图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华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（二、通信）移动通信： 微波设备安装方便微波设备安装方便微波设备安装方便微波设备安装方便使用可靠，尤其近年来使用可靠，尤其近年来使用可靠，尤其近年来使用可靠，尤其近年来采用先进的微电子技
20、术采用先进的微电子技术采用先进的微电子技术采用先进的微电子技术和计算机技术，使设备和计算机技术，使设备和计算机技术，使设备和计算机技术，使设备体积更小，功耗更低，体积更小，功耗更低，体积更小，功耗更低，体积更小，功耗更低，可靠性更高，安装更方可靠性更高，安装更方可靠性更高，安装更方可靠性更高，安装更方便，可使用在各种场合便，可使用在各种场合便，可使用在各种场合便，可使用在各种场合备受用户关注备受用户关注备受用户关注备受用户关注. . . .我国移动我国移动我国移动我国移动通信通信通信通信(GSM)(GSM)(GSM)(GSM)技术技术技术技术, , , ,频率为频率为频率为频率为900MHz9
21、00MHz900MHz900MHz和和和和1800MHz.1800MHz.1800MHz.1800MHz.华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（二、通信）移动通信华中科技大学微波绪论改i3G基站和移动站通信测试PDMA i3G Base Station and Mobile Station Test in motionPDMA i3G Base Station and Mobile Station Test in motion华中科技大学微波绪论改i3G All IP Mobile Communication Network华中科技大学微波绪论改卫星通信n卫星通信卫星通信 (satelli
22、te communications ) (satellite communications ) 19581958年年, , 美国低轨美国低轨“斯科尔斯科尔”卫星发射成功卫星发射成功19641964年年, , 同步通信卫星实现了三大洲的通信同步通信卫星实现了三大洲的通信19651965年年, , 第一颗商用定点同步卫星投入运行第一颗商用定点同步卫星投入运行19691969年年, , 卫星通信经历卫星通信经历1010年发展终趋于成熟年发展终趋于成熟华中科技大学微波绪论改GPS导航定位华中科技大学微波绪论改北斗定位系统是我国建立北斗定位系统是我国建立的区域导航定位系统。北的区域导航定位系统。北斗一代
23、由三颗卫星、地面斗一代由三颗卫星、地面控制中心、用户三部分组控制中心、用户三部分组成。功能为定位成。功能为定位, 通信和通信和授时授时. 北斗二代为全地定北斗二代为全地定位系统位系统, 2011年完成系统年完成系统组网，基本具备运行能力。组网，基本具备运行能力。2020年完成建设任务。年完成建设任务。 北斗定位系统北斗定位系统华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（二、通信） 近年来出现近年来出现近年来出现近年来出现的无线网络备的无线网络备的无线网络备的无线网络备受关注，它采受关注，它采受关注，它采受关注，它采用微波通信技用微波通信技用微波通信技用微波通信技术，把计算机术，把计算机术，把计算
24、机术，把计算机（PCPCPCPC机）用无机）用无机）用无机）用无线网络连接起线网络连接起线网络连接起线网络连接起来构成无线传来构成无线传来构成无线传来构成无线传输网，它比有输网，它比有输网，它比有输网，它比有线连接更加灵线连接更加灵线连接更加灵线连接更加灵活方便，计算活方便，计算活方便，计算活方便，计算机移动随心所机移动随心所机移动随心所机移动随心所欲。欲。欲。欲。无线互联网华中科技大学微波绪论改通信系统使用的微波电路PLL PLL 频率合成器频率合成器（PCBPCB）华中科技大学微波绪论改通信系统使用的微波电路微波（射频微波（射频RFRF）功率放大器）功率放大器华中科技大学微波绪论改0.4
25、微波的应用（三、遥感）n遥感技术是在一定距离以外感受、 探测和识别所需要研究的对象。n微波遥感是遥感技术的重要分支之一, 它通过微波传感器, 收集地面目标辐射或反射的电磁波, 获得其特征信息, 并经过处理变成可以直接识别的信号或图像, 从而揭示被测目标的性质和变化规律。华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（三、遥感）n微波遥感系统的遥感器，可分为被动遥感和主动遥感。所谓被动遥感，是指遥感器直接接收目标的反射或散射信号; 而主动遥感是指利用人工辐射源向目标发射电磁波, 再接收由目标反射或散射的电磁波。 微波辐射计微波辐射计 任何温度高于绝对零度的物体, 都会有热辐射, 热辐射的波长范围从1m
26、到1m左右, 而热辐射的功率主要取决于物体的温度和辐射率。微波辐射计就是测量物质微波辐射计就是测量物质在微波波段的电磁热辐射能量的高灵敏度接收机。在微波波段的电磁热辐射能量的高灵敏度接收机。华中科技大学微波绪论改微波辐射计微波辐射计十厘米辐射计十厘米辐射计三厘米辐射计三厘米辐射计0.4 微波的应用（三、遥感）华中科技大学微波绪论改微波辐射计微波辐射计八毫米辐射计八毫米辐射计三毫米辐射计三毫米辐射计0.4 微波的应用（三、遥感）华中科技大学微波绪论改微波辐射计微波辐射计二厘米辐射计二厘米辐射计0.4 微波的应用（三、遥感）华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（三、遥感）青岛海岸场景青岛海岸场
27、景青岛海岸青岛海岸3mm辐射图像辐射图像华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（三、遥感）地形光学图片地形光学图片3mm微波辐射图像微波辐射图像华中科技大学微波绪论改高分辨率微波辐射图像华中科技大学微波绪论改高分辨率微波辐射图像华中科技大学微波绪论改卫星地面测控站卫星地面测控站卫星对地遥感华中科技大学微波绪论改卫星对地遥感图像中国雪深分布中国雪深分布太湖蓝藻分布太湖蓝藻分布华中科技大学微波绪论改卫星对地遥感图像海面石油泄露检查海面石油泄露检查 华中科技大学微波绪论改星载遥感设备嫦娥一号卫星嫦娥一号卫星海洋二号卫星海洋二号卫星华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测）掩埋金
28、属目标探测（如地雷）掩埋金属目标探测（如地雷） 实时活体成像（分辩敌我）实时活体成像（分辩敌我） 华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测）末敏弹（攻击坦克）信号处理器末敏弹（攻击坦克）信号处理器末敏弹（攻击坦克）信号处理器末敏弹（攻击坦克）信号处理器华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测） 英国希思罗机场的（约英国希思罗机场的（约94GHz)被动成像实验图被动成像实验图,可分可分清楚飞机和建筑物等目标清楚飞机和建筑物等目标华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测）W波段T80坦克的成像 Ka波段（35GHz）F-16成像华中科技大
29、学微波绪论改0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测）华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 五、反恐安检） 利用微波高频段（毫米波和利用微波高频段（毫米波和THz）具有穿透物）具有穿透物质的特性和较高的分辨率进行隐匿武器探测质的特性和较高的分辨率进行隐匿武器探测 华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 五、反恐安检） 危险武器探测危险武器探测华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 六、射电天文）射电望远镜射电望远镜华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 七、医疗化工）医疗诊断：医疗诊断：如牙齿病变成像，可提前预知病变，弥补了目前临床应用如牙齿病变成像，可提前预知病变，弥补了目前
30、临床应用的仪器设备只能在症状明显后才能测到的缺陷的仪器设备只能在症状明显后才能测到的缺陷 华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 七、医疗化工）微波抗癌仪微波橡胶连续硫化设备华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用（ 八、微波加热）微波炉微波药丸烘干机华中科技大学微波绪论改0.4 微波的应用低频电路元件微波电路元件低频电缆低频二三级管波导微波微波二三级管微波微波接插头谐振腔华中科技大学微波绪论改 微波技术当前发展状况简析 随着国民经济和国防事业的发展，微波技术应用愈来愈广泛，微波人才已成为“紧俏人才”，待遇相对较高。1、通信领域：通信容量要求大，频率向更高发展。手机、直放站、基站，微波集成
31、电路(MMIC) 、RFIC等。2、航空航天：微波遥感（对地观测、目标探测等）、星地通信(语音、图像传输）、监控雷达；3、国防事业：雷达、微波辐射计（目标无源探测、金属目标的攻击，如美陆军研制的用来攻击坦克的STAFF炮弹导引头 ）、大功率微波武器（对目标进行干扰和杀伤），微波制导。 华中科技大学微波绪论改微波技术当前发展状况简析 同时在射电天文，气象观测、食品化工等行业也有广泛应用。 由于微波专业有其独有的特点（进入难，重经验），从目前的发展和人才供求情况看，目前的本科专业设置和课程设置存在一些不足之处，必将有所改进。华中科技大学微波绪论改其它华中科技大学微波绪论改其它1、本课程的学习方法、本课程的学习方法（公式、例题、作业）；（公式、例题、作业）；2、几点说明、几点说明（点名、作业、问题）。（点名、作业、问题）。华中科技大学微波绪论改
