關于微波與毫米波技術基本知識提綱概述1電磁場與電磁波2無線電波傳播特性4毫米波的特點5無線電系統組成6毫米波應用(測速雷達有關問題)第2頁,共69頁，2024年2月25日，星期天概述我們周圍充斥著無線電波，學名叫“電磁波”，例如：電視、廣播、通信、雷達、導航、各種家用電子…….

它們工作在不同頻段，但有一個共同的特點：由發射機、接收機和天線組成。發射機發射的帶有信息的信號能量通過發射天線轉換為電磁波接收天線將接收到的電磁波變換成傳輸能量送到接收機，這樣就完成了信息的無線傳輸。第3頁,共69頁，2024年2月25日，星期天無線電系統組成發射機（信號產生、放大）接收機（信號放大、變換）接收終端（信息處理）發射天線（輻射能量）接收天線（搜集能量）發射終端（信息產生）第4頁,共69頁，2024年2月25日，星期天概述本講座介紹無線系統的射頻部分相關知識，包括天線、發射機、接收機以及電磁波的基本知識，微波部件和子系統參數測量的基本原理和方法，使學員建立電磁場與微波技術的基本概念，奠定設計、調試微波部件和子系統的技術基礎。第5頁,共69頁，2024年2月25日，星期天一、電磁場與電磁波電磁波是能量在空間傳播的一種形態。電磁場是描述電磁波的一種方式。電場和磁場總是緊密聯系在一起的。在交流電路中，通電線圈周圍要產生磁場，如果電流的大小隨時間變化，所產生的磁場也會隨時間變化；線圈在恒定磁場中移動，將在線圈中產生直流電；如果是在隨時間變化的磁場中移動，將在線圈中產生交流電。第6頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電磁場的概念我們能否把交流電路的概念推廣到電磁場中呢？人類認識客觀世界，發現新的事物，有兩種方式：（1）從生產實踐、科學實驗中觀察分析后發現新的事物；（2）從科學理論出發，預言新的事物存在。電磁波的發現，屬于后一種。第7頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電磁場的概念源于麥克斯韋的預言麥克斯韋的預言：如果在空間某區域中有周期性變化的電場，那么，這個變化的電場就在它周圍空間產生周期性變化的磁場；這個變化的磁場又在它周圍空間產生新的周期性變化的電場……如此周而復始；變化的電場和變化的磁場總是相互聯系的，形成一個不可分離的統一體，這就是電磁場第8頁,共69頁，2024年2月25日，星期天麥克斯韋預言麥克斯韋提出了有旋電場的概念和位移電流的假設，揭示了電磁場的內在聯系和相互依存，麥克斯韋熟練地運用了當時正在發展的矢量分析，找到了表述電磁場（空間連續分布的客體）的適當數學工具，得到了描述電磁場特性的規律，并預言了電磁波的存在——這就是著名的麥克斯韋方程。10年后，他的學生赫茲用實驗方法證實了麥克斯韋的偉大預言，發射并接收了電磁波，從而開創了無線電技術的新時代。

第9頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

麥克斯韋預言麥克斯韋的理論要點之一

——變化的磁場產生電場：

變化的磁場在線圈中產生電場，正是這種電場在線圈中驅使自由電子做定向的移動，引起了感應電流。麥克斯韋認為,線圈只不過用來顯示電場的存在，線圈不存在時，變化的磁場同樣在周圍空間產生電場，這是一種普遍存在的現象，跟閉合電路是否存在無關。第10頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

麥克斯韋預言麥克斯韋的理論要點之二

——變化的電場產生磁場：麥克斯韋研究了電現象和磁現象的相似和聯系．提出一個假設：變化的電場產生磁場。根據麥克斯韋的理論，在給電容器充電的時候，不僅導體中電流要產生磁場，而且在電容器兩極板周期性變化著的電場周圍也要產生磁場。第11頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

麥克斯韋預言麥克斯韋根據自己的理論進一步預言：如果在空間某域中有周期性變化的電場，那么，這個變化的電場就在它周圍空間產生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產生新的周期性變化的電場……

可見，變化的電場和變化的磁場是相互聯系的，形成一個不可分離的統一體，這就是電磁場。第12頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

麥克斯韋預言麥克斯韋預言的基本要點概括如下：（1）變化的磁場能夠在周圍空間產生電場，變化的電場能夠在周圍產生磁場；（2）均勻變化的磁場，產生穩定的電場，均勻變化的電場，產生穩定的磁場；這里的“均勻變化”指在相等時間內磁感應強度（或電場強度）的變化量相等，或者說磁感應強度（或電場強度）對時間變化率一定.第13頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

麥克斯韋預言（3）不均勻變化的磁場產生變化的電場，不均勻變化的電場產生變化的磁場；（4）周期性變化（振蕩）的磁場產生同頻率的振蕩電場，周期性變化（振蕩）的電場產生同頻率的振蕩磁場；（5）變化的電場和變化的磁場總是相互聯系著，形成一個不可分離的統一體，這就是電磁場，它們向周圍空間傳播就是電磁波。第14頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電磁波

這種變化的電場和變化的磁場總是交替產生，并且由發生的區域向周圍空間傳播．電磁場由發生區域向遠處傳播就是電磁波。電磁波是一種以巨大速度通過空間而不需要任何物質作為傳播媒介的粒(量)子流，具有波粒二象性。波動性可以用波長，波數，頻率表征。第15頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電磁波波長是波傳播路線上具有相同振動相位的相鄰兩點之間的線性距離，頻率是每秒的波動次數，單位為Hz。真空中有如下公式：頻率＝光速/波長光速＝30萬公里/秒波數＝2π/λ第16頁,共69頁，2024年2月25日，星期天麥克斯韋方程(微分形式）法拉第電磁感應定律安培全電流定律磁通連續性高斯定律三個組成關系：電荷守恒定律第17頁,共69頁，2024年2月25日，星期天麥克斯韋方程（積分形式）法拉第電磁感應定律安培全電流定律磁通連續性高斯定律電荷守恒定律第18頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電磁場量和電路量電壓磁勢電通量磁通量電流電荷由積分形式可看出場量與電路量之間的關系：第19頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電磁場和電路定律將麥氏方程改寫成電路方程：法拉第電磁感應定律安培全電流定律磁通連續性高斯定律電荷守恒定律第20頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電磁場和電路定律用求和表示積分：克希霍夫電壓定律（電磁感應定律）克希霍夫電流定律（電荷守恒定律）第21頁,共69頁，2024年2月25日，星期天電磁頻譜通常將電磁頻譜分為長波、中波、短波、超短波、微波、毫米波、亞毫米波、紅外和光波，其對應的頻率如表1所示。不同頻段的電磁波傳播特性不同，它們的用途也不同。第22頁,共69頁，2024年2月25日，星期天常用頻段稱呼射頻(RF)：1MHz-1GHz(廣義射頻指無線電頻率）微波：1GHz-30GHz毫米波：30GHz-300GHz亞毫米波：300-3000GHz(1000GHz=1THz)紅外：300-416000GHz(1000THz=1pHz)可見光：0.76－0.4μm第23頁,共69頁，2024年2月25日，星期天表1無線電頻段劃分名稱長波中波短波超短波(VHF)微波和毫米波頻率15－100kHz100－1500kHz1.5－30MHz30－300MHz300MHz以上波長20km－3km3km－200m200m－10m10m－1m1m以下第24頁,共69頁，2024年2月25日，星期天表2微波頻段劃分(UHF)名稱PLSCXKuK頻率225-390MHz0.39-1.55MHz1.55-3.9GHz3.9-6.9GHz6.9-12.4GHz12.4-18GHz18-26.5GHz波長133.2-76.9cm76.9-19.3cm19.3-7.69cm7.69-4.35cm4.35-2.42cm2.42-1.67cm1.67-1.13cm第25頁,共69頁，2024年2月25日，星期天表3毫米波頻段(EHF)名稱KaQUVEWFDG頻率GHz26.5-4033-5040-6050-7560-9075-11090-140-110-170140-220波長mm11.3-7.59.1-67.5-56-45-3.34-2.73.3-2.12.7-1.72.1-1.4大氣透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz大氣吸收頻段：60GHz，120GHz,185GHz第26頁,共69頁，2024年2月25日，星期天二、無線電波傳播特性長波在地面與電離層下邊界之間形成的“球形波導”內以空間波形式傳播；中波在白天以表面波形式傳播，而夜間既有表面波也有空間波形式傳播；短波的遠距離傳播則依靠電離層反射的空間波；白天與夜晚電離層高度和密度差別大。無線電波正是依賴電離層的反射才有可能實現遠距離傳播。第27頁,共69頁，2024年2月25日，星期天無線電波傳播特性大氣層是包圍地球表面并和地球一起作為一個整體旋轉的氣體外殼。地表屬于大氣層下界，而上界是不定的。從無線電波傳播的觀點來看，大氣層分為三層：對流層、平流層、電離層。這些區域之間的界限不是很明顯，并且它們與時間和觀察點的地理位置有關。第28頁,共69頁，2024年2月25日，星期天無線電波傳播特性對流層的上界被稱為對流層頂，在赤道上空為16－18公里，在溫帶緯度為10－12公里，而在極地地區為7－10公里。對流層高度季節性變化很小。平流層從對流層延伸到約50－60公里的高度。電離層位于平流層之上，大氣層上界以下。對流層和平流層的區別在于其溫度隨高度分布的規律不同。電離層與大氣層下面區域的區別在于是否具有大量的自由電子和離子。電離層分為為D

層,E

層,F1層和F2層。第29頁,共69頁，2024年2月25日，星期天無線電波傳播特性大氣層中的主要成分是氧氣和氮氣,其溫度在離地90公里以上隨高度增加而增加,由于太陽輻射和其它宇宙射線的作用,在距地面約90公里起氧氣開始離解；在距地面約200公里起氮氣開始離解:將產生電子和離子的過程稱為電離過程;消失電子和離子的過程稱為復合過程。實際上,電離與復合過程是同時存在的。

電離層就是這種種過程形成的電子和正、負離子的復合體。因此,電離層要受到太陽活動的影響，因而白天和夜晚差別較大。第30頁,共69頁，2024年2月25日，星期天無線電波傳播特性

電離層基本結構特征在地球北緯地區(我國處在此區)的實驗結果如下表所示.

電離層并不能反射所有頻率的電磁波，反射頻率與離子濃度有關。電離層也吸收電磁波，如白天形成的D層使短波傳播衰減，因而白天不能收到遠距離電臺，夜間D層消失，可收到遠地臺。第31頁,共69頁，2024年2月25日，星期天無線電波傳播特性

超短波以上頻段的電磁波基本上是視距傳播，頻率越高，其特征越接近于光波；大氣特性對毫米波頻段以上的電磁波傳播衰減與頻率有密切關系。

大氣電參數的不均勻性、氣候和天氣現象會導致傳播媒質與其中傳播的無線電波發生作用，產生如下效應：（1）無線電波傳播軌跡的彎曲（折射）；（2）極化面旋轉；（3）大氣氣體對無線電波的吸收（衰減）；（4）水凝物對無線電波的吸收和散射；（5）固體微粒和大微粒（塵粒和沙粒）對無線電波的吸收和散射；（6）大氣湍流不均勻性對無線電波能量的耗散；（7）信號色散失真。第32頁,共69頁，2024年2月25日，星期天大氣對無線電波的衰減第33頁,共69頁，2024年2月25日，星期天地球曲率的影響當R≤0.8Rmax時，屬于視線區，當，為半陰影區，當，則為陰影區。視距第34頁,共69頁，2024年2月25日，星期天地球曲率的影響第35頁,共69頁，2024年2月25日，星期天雷達回波的多徑效應

電磁波入射到物體表面將產生反射、散射和繞射，天線接收到的信號是直接波與這些波的合成。所謂多徑效應，就是來自不同路徑的波對系統的影響，其中主要是地面反射的影響。當地面不平整高度△h滿足下式（瑞利準則）時，地面可視為平坦的，可按鏡面考慮：其中θ是電磁波的入射余角，即與地面夾角。第36頁,共69頁，2024年2月25日，星期天正向波束與來自地面的反射波束的干涉（平坦地面）第37頁,共69頁，2024年2月25日，星期天平坦地面的影響平坦地面的干涉因子雷達接收的信號與天線高度和距離有關，可用干涉因子Φ表示。第38頁,共69頁，2024年2月25日，星期天毫米波在地球大氣中衰減的物理原因◆毫米波在地球大氣中傳播時，由于大氣氣體的吸收，水凝物（雨、冰雹、雪、霧、云）的散射和吸收電場強度會發生衰減；◆在地球與人造地球衛星通信線路上傳播時，由于核爆炸、流星侵入和其它因素作用下出現的大氣吸收,電場強度會發生衰減。◆大氣氣體的吸收具有雙重特性：

非諧振吸收和諧振吸收—

在10GHz頻率以上尤為明顯。第39頁,共69頁，2024年2月25日，星期天雨、霧、云和冰雹的衰減

◆霧依其形成條件也分為三種

—輻射霧、平流霧、汽化霧。

◆輻射霧形成的主要原因是來自地表和空氣下層的自由輻射，空氣因此變冷凝結。

◆平流霧在濕熱空氣流經較冷的表面時產生，其持續時間最長。

◆汽化霧在冷空氣流經熱水面時出現。第40頁,共69頁，2024年2月25日，星期天各種強度雨的主要特性雨的類型

雨的強度mm/h

雨滴半徑mm

1

m3內的雨滴數

雨滴間平均距離cm

含水量

g/m3

毛毛雨

0.250.10.092

小雨

10.2250.14中雨

4

0.5530120.28

大雨15

0.75

4500.83

暴雨4011.9傾盆大雨

100

1.5-2.5

400

14

5.4

第41頁,共69頁，2024年2月25日，星期天路徑衰減γд與雨的強度I的關系1–30GHz2–40GHz3–80GHz4–100GHz5－250GHz

第42頁,共69頁，2024年2月25日，星期天雪的衰減a)圖：1–35GHz，2–95GHz，3–140GHz，4–217GHz上的路徑衰減γ與降雪ρ的關系；b)圖：1－140GHz頻率上的路徑衰減γ與等效降雪強度(I)的關系；2－毫米波在140GHz頻率上的路徑衰減γ與降雨強度(I)的關系

第43頁,共69頁，2024年2月25日，星期天毫米波頻段的特點毫米波介于微波、紅外和光波之間，其特征：與紅外和光波比較：◆毫米波比紅外或者光波能更好地穿過霧、雨、煙和塵埃等媒質，穿過等離子體時衰減不大。◆在毫米波頻段，由大氣中的水蒸汽和氧分子引起的衰減與頻率有關，可實現對無線電波傳播路徑和大氣層進行遙測和遙控的高效頻譜分析。◆在使用相同工作頻率的各種無線電系統間有較好的電磁兼容性和抗干擾能力；有利于系統保密性。

第44頁,共69頁，2024年2月25日，星期天毫米波的特點

與微波比較：

◆毫米波頻段的波長更短，在天線孔徑相對較小的情況下，實現更高的角分辨能力——在進行目標導航、定位和跟蹤時，實現目標在空間上的更高定位精度；◆目標信號與無源干擾信號的比值更高，并對有源干擾具有更好的抗干擾穩定性。第45頁,共69頁，2024年2月25日，星期天毫米波的特點◆在毫米波頻段，由于信道和無線電電子設備的有源器件絕對頻率帶寬更寬，◆因此，具備更高的信息傳輸能力，尤其是提高了有源無線電定位時的距離分辨率和無源無線電定位（輻射計）的靈敏度。◆多普勒頻移高，易于提取；在相參毫米波雷達系統中，在雜波背景下實現更高的目標速度分辨率和更佳的目標可觀測性。第46頁,共69頁，2024年2月25日，星期天毫米波的特點◆毫米波可用頻帶寬。頻帶寬可以提高信息的傳輸率，這為日益擁擠的微波頻段的通信領域開辟了新天地，也為目標識別增加了手段。毫米波的主要缺點是：在大氣層中傳播時頻率選擇性吸收和散射比較低頻率上的無線電波更為嚴重，特別是在大氣中存在水凝物和其它不均勻性條件下。因此，毫米波更適用于短程無線電系統。

第47頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線基本知識天線是能量變換器：將空間的電磁波能量變換為傳輸能量，或者將傳輸能量變成向空間輻射的電磁波能量。這就要求：（1）與發射機或接收機的傳輸線匹配；（2）與自由空間的波阻抗匹配；（3）具有一定的方向性，即向指定空間輻射；（4）具有要求的極化特性。第48頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的特性參數（1）增益（2）輻射方向圖（3）輸入駐波系數（4）極化第49頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的特性參數

——輻射方向圖

一天線用作發射時在空間各方向上的輻射是不均勻的，而天線用作接收時從各方向上接收的能量也是不均勻的。（天線作為發射和接收性能相同。）天線的這種方向選擇性可用它的輻射方向圖描述。第50頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的輻射特性輻射方向圖通常由下列參數描述：H面和E面3dB波束寬度；H面和E面第一副瓣電平；H面和E面遠副瓣最高電平或平均電平。對于單脈沖天線，還要求：（1）和差矛盾，即差波束與和波束最大值之差（2）差波束的零點深度，即差波束交叉點最小值與最大值之差。第51頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的特性參數

——方向性系數和增益方向性系數增益＝方向性系數╳效率第52頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的特性參數

——極化

⊙電磁波的極化：表示作為時間函數的場矢量端點軌跡的取向和形狀。⊙包括：線極化波（垂直、水平）圓極化波（左旋、右旋）橢圓極化波第53頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的極化特性橢圓極化波可視為兩個同頻線極化波的合成，或兩個同頻反向圓極化波的合成。兩線極化場的情況，它們位于垂直于傳播方向的平面上，取向分別為x軸和y軸，相位差為δ：Ex=E1sin(wt)

Ey=E2sin(wt+δ)“瞬時”合成矢量的端點軌跡是一個橢圓方程：第54頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的極化特性描述橢圓極化特性的參數：橢圓極化特性可由三個參數表示：（1）軸比AR（長軸與短軸之比）；（2）傾角（參考方向與橢圓長軸間的交角，當沿傳播方向觀察是，傾角為順時針方向的角度）；（3）旋轉方向：當觀察者沿波的傳播方向由發射端向接收端看去，極化平面內電場矢量的旋轉方向為順時針時，極化方向被為右旋，否則稱為左旋。第55頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的極化特性當入射平面波的極化橢圓在給定方向上與接收天線具有相同的軸比、傾角和極化方向時，由此給定方向上天線將獲取最大信號。若入射波的極化與接收天線的極化不匹配，將產生極化損耗，其大小由極化效率給出。極化效率定義為：天線實際接收的功率與極化匹配良好時天線在此方向所應接收的功率之比。第56頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的特性參數

——輸入駐波系數

天線的輸入阻抗是天線在饋電點的電壓與電流的比值。天線阻抗設計的目的就是要提供一匹配阻抗，以保證最大功率傳輸。輸入駐波系數表示天線阻抗與饋線的匹配程度：駐波系數：其中，Γ是反射系數第57頁,共69頁，2024年2月25日，星期天天線的基本類型（1）元天線：單極天線、環天線、縫隙天線、微帶輻射器等（2）行波天線：菱形天線、螺旋天線、對數周期天線、表面波天線、長介質棒等（3）陣列天線：平面陣、側射陣、共形陣、自適應陣、極化分集天線、相控陣天線、DBF天線等（4）孔徑天線：反射器天線、雙反射器、喇叭天線、透鏡天線等。第58頁,共69頁，2024年2月25日，星期天微帶天線和微帶天線陣在一個薄介質基板上,一面附上金屬薄層作為接地板,另一面用光刻腐蝕等方法作出一定形狀的金屬貼片。在導體貼片和接地板之間激勵起射頻電磁場,并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。微帶天線也可看作為一種縫隙天線。第59頁,共69頁，2024年2月25日，星期天微帶天線和微帶天線陣微帶天線單元的增益一般只有6dB－8dB。為獲得更大增益,或為了實現特定的方向性要求,常采用由微帶輻射元組成的微帶陣列天線。第60頁,共69頁，2024年2月25日，星期天微帶天線和微帶天線陣第61頁,共69頁，2024年2月25日，星期天微波/毫米波系統構成

傳輸線及不連續性無源和有源器件(半導體或電真空)

微波部件微波模塊微波系統第62頁,共69頁，