北方工業大學通信工程系邢志強目錄1微波通信基礎微波及其基本特點

微波的研究對象及其應用

微波通信系統構成1.1微波定義：頻率f為300MHz～3000GHz范圍內的無線電波。103Hz=1kHz，106Hz=1MHz，109Hz=1GHz，1012Hz=1THz，1015Hz=1PHz一般地說，微波在電磁波頻譜中所處的位置在甚高頻(UHF)和光波之間。相關名詞毫米波millimeterwave:頻率在30-300GHz之間的交流信號，波長在1cm到1mm之間.射頻RF（RadioFrequency):指用于無線電通信的交流信號，具有很寬的頻率范圍，覆蓋了從幾百KHz到毫米波的整個范圍。微波在電磁波頻譜中所處的位置在甚高頻(UHF)和光波之間。1.1微波微波的波長范圍在1米至0.1毫米之間。無線電波段的劃分甚低頻低頻（長波）中頻（中波）高頻（短波）甚高頻特高頻超高頻極高頻微波頻段的劃分及常用波段代號波段代號LSCXKuKW標稱波長(cm)22105321.250.3國際上對各微波頻段用途的規定微波爐中磁控管工作頻率為2.45GHz；C波段通訊衛星的工作頻率：下行頻率為3.700~4.200GHz，上行頻率為5.925~6.425GHz。Ku波段通訊衛星的工作頻率：下行頻率為11.7~12.2GHz，上行頻率為14.0~14.5GHz。蜂窩移動電話的工作頻率為450MHz、900MHz和1.8GHz，1.9G。40~60GHz為保密通信頻段；26.5~40GHz和75~110GHz為雷達、制導系統頻段等等。（商用廣播）國際上對各微波頻段用途的規定19thcentury1846-earliesttalkonEMwave(電磁波),“Thoughtsonrayvibrations,”Faraday1864-“Maxwell’sequations,”Maxwell1887-firstmicrowave-likeexperiment,“electricsparkatλ~10cminducesatadistantwireloop,”Hertz1895-wirelesstelegraphiccommunicationand1900trans-AtlanticOceantelegraph,Marconi20thcentury1921–magnetron(磁控管),A.W.Hull1930-wavepropagationinwaveguide(波導),

Southworth

1937-klystron,Russell,SigurdandWilliamHansenWorldWarII–radar,MITRadiationLaboratory~1950–coaxial(同軸)cablesforradiocommunication~1960-satellitecommunication~1980-remotesensingsatellite,DBS(directbroadcastsatellite)~1990-PCS(personalcommunicationservices),GPS，VSAT(verysmallapertureterminals，≤2.4m)~2000-DigitalDBS,WLL(wirelesslocalloop),GII(globalinformationinitiative)usingmobilesatellitenetwork,fibers,cablesandwireless1.2微波的特點（1）似光性和似聲性似光性:直線傳播、顯著反射、折射，容易集中

微波的波長范圍恰好比自然界中的宏觀物體(如山峰、建筑物、艦船、飛機、車輛、導彈等)的尺寸小或相當。微波照射在這些物體上時將會產生很強的反射。——雷達。另外，微波的波長比塵埃、云霧及空氣中的水滴尺度大，所以微波穿過塵埃、云霧和中、小雨的能力比光波強。因此，利用微波可以穿過塵埃，云霧及中、小雨探測到自然界中的宏觀物體。這是低頻電磁波和光波都做不到的。引導飛行員在惡劣天氣條件下降落的微波導航系統微波的波長介于無線電波和光波之間當波遇到障礙物，波長大于障礙物尺寸，波將會被繞射；波長小于障礙物尺寸或與障礙物尺寸相當時，波將會被反射。雷達(2)分析方法的獨特性分析方法與直流、低頻電路系統，低頻元、器件以及它們的工作原理和分析方法截然不同。分析低頻電路時，只需考慮各物理量隨時間的變化，而不考慮其空間分布。對于微波系統，必須同時考慮各物理量隨時間的變化以及其空間分布。換句話說：在確定的空間內，對于低頻信號我們觀察到的是物理量的振蕩，對于高頻信號我們觀察到的是物理量的波動。例如：電磁波f=50Hz，波長為6000公里；f=100GHz，其波長就只有3毫米。如果電路的尺度為幾十毫米，則在頻率較高時，就必須考慮電磁場的空間分布。

集膚效應（趨膚效應）高頻電流僅僅沿著導線外表的薄層通過．流過高頻電流的導線截面面積與低頻相比大大減小，因而導線電阻大大增加．表現出很大的能量衰減。這就是低領傳輸線不能用于微波的原因。輻射效應

理論和實踐都證明．當一條傳輸線的長度可以同工作波長相比擬時，它將顯著地輻射電磁能量。如同一個小天線。集膚效應輻射效應

TEM波傳輸線可用分布參數的“路”理論描述電場靠正負電荷支持電力線從正電荷發出到另一導體的負電荷；磁場由導體上的電流激發磁力線圍繞導體的封閉曲線電場，正交磁場由于微波的特點，微波電路不但采用了與低頻電路不同的傳輸系統，而且在分析微波電路時也必須引入與低頻電路不同的物理量。微波電路

(3)共度性電子在真空管內的渡越時間（10-9秒）與微波的震蕩周期（10-9-10-13）相當。應用:產生微波振蕩器微波電子管、微波固體器件、微波量子器件延時效應分布參數起主導地位（4）穿透性微波能穿透等離子體和電離層由于微波既能穿透電離層(低頻電磁波不行)也能穿透塵埃、云、霧(光波不行)，因此，微波就成了衛星通訊、空間通訊和射電天文研究的重要手段。家用衛星通信地面站大型衛星通信地面站(5)信息性(6)非電離性微波的量子能量與物質相互作用時，不改變物質分子的內部結構（只改變其運動狀態）。

應用：微波醫療器械微生物對毫米波存在類似諧振的能量吸收諧振點，指出了正常細胞和癌細胞對毫米波具有不同的吸收諧振點。微波爐1.3微波的研究對象與應用微波應用微波的應用－－雷達

雷達：直線傳播和反射探測目標的距離和方位發射機產生射頻信號，由天線向外輻射。輻射出去的電磁波照射到目標目標對電磁波有反射（散射）作用，目標反射回來被雷達天線接收到的電磁波稱為目標回波信號。回波信號送往接收機，接收機向終端設備供給視頻信號，終端設備用以觀察目標和測量目標坐標。電磁波在自由空間是以等速直線傳播的。測出電磁波由雷達到目標之間的往返時間為t，算出目標距離為：

目標的角坐標由天線波束角的位置決定，波束角愈窄測得的目標角坐標愈準確，分辨率愈高。微波應用微波通訊系統的工作頻帶寬、信息容量大、機動性好，特別適合于衛星通訊，宇航通訊和移動通訊等，因而在現代通訊系統中占有相當重要的地位。微波、毫米波通訊系統不但頻帶寬、信息容量大，而且還具有便于架設、機動性好、保密性好等優點。目前常見的蜂窩移動電話、尋呼機、微波電話網、微波電視網、衛星電視網等等，都屬于微波通訊系統。在21世紀，全球個人通訊將會成為現實。那時，不僅每個電話機有電話號碼，每個人也將有自己的專用電話號碼，就象每個人都有一個身份證號碼一樣。可以肯定，全球個人通訊是絕對離不開微波通訊系統的。國外發達國家的微波中繼通信在長途通信網中所占的比例高達50%以上。據統計美國為66%，日本為50%，法國為54%。我國自1956年從東德引進第一套微波通信設備以來，經過仿制和自發研制過程，已經取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之間的同軸電纜全部斷裂的情況下，六個微波通道全部安然無恙。九十年代的長江中下游的特大洪災中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。在當今世界的通信革命中，微波通信仍是最有發展前景的通信手段之一。

根據國際慣例，各國標準時間一般都以本國首都所處時區來確定。我國首都北京處于國際時區劃分中的東8區，同格林尼治時間相差8小時。我國地域遼闊，東西相跨5個時區，這就是我國授時臺必須建在中心地帶，從而造成“北京時間”不在北京的原因。我國授時中心是“陜西天文臺總部”，駐在陜西臨潼。它將氫原子鐘和銫原子鐘精確的時間信息發送到陜西蒲城“中國科學院陜西天文臺二部”，“二部”設有精密的監控系統和發播系統，每半小時為一周期，將循環時頻程序信號發射出去。其精確度30萬年不差1秒。中央人民廣播電臺則以此來校對電臺的工作鐘，從而向全國報告我們標準的“北京時間”。其它領域的微波應用－微波加熱

微波加熱——微波是一種特殊的能源，利用微波的熱效應可以對一些物質進行加熱。各種不同的物質，在微波電磁場中，對微波能吸收的情況是不一樣的。導電物質遇到微波時，會在其表面產生全反射，微波不可能深入到導體內部。因此，微波不能用來加熱良導體，只能對介質材料進行加熱。由于介質材料內部存在極性分子，在微波電磁場的作用下，這些極性分子從原來的隨機分布狀態轉向依照微波場的極性排列取向。由于這些取向是按微波頻率不斷變化的，這種交變過程使分子運動相互摩擦而產生熱能，使介質溫度不斷升高，這種通過介質分子運動將微波能轉化為熱能的效應就是微波加熱。微波加熱有三個主要特點：

1.被加熱物質內外同時、均勻加熱，加熱速度快，熱能利用率高。2.微波對介質材料的穿透能力比遠紅外強，其滲透深度與波長成正比。因而微波對介質材料的加熱效率比遠紅外更高。微波甚至可以用于燒結特種陶瓷。3.微波磁控管的預熱時間很短，一般開機15秒后即可開始加熱，關機后立即停止加熱。有利于對加熱過程進行精確的控制。微波爐輻射微波爐工作所產生的輻射甚至比一根普通日光燈管還要少。目前，微波爐泄漏的國際標準是每平方厘米不超過5毫瓦，可見，

微波爐是一種安全的家電，不會對人的健康產生任何危害，廣大消費者盡可放心使用微波爐。

微波治療——微波可以對人體內的炎癥、潰瘍、腫瘤和其它病變產生抑制或治療作用。目前，已經有很多類型的微波治療儀器投入了實用。微波武器——微波武器的工作原理與微波爐基本相同。高能微波束可以干擾甚至摧毀敵方的各種電子設備；可以引爆敵方的炮彈、導彈甚至核武器等；可以干擾敵方人員的神經系統和大腦的思維，可以灼傷人的眼睛和人體組織，破壞大腦、心臟和呼吸系統的工作，直至殺傷敵方的人員。微波武器、激光武器和粒子束武器被稱為新一代定向能武器，它們都是光速武器，而且看不見摸不著。微波武器又是這三種新概念兵器中研制費用最低，最容易實現的一種。其它領域的微波應用1.4微波通信系統的基本構成微波通信系統的基本結構（天線）微波通信系統的基本結構（濾波器）微波通信系統的基本結構正弦曲線晶體管諧振有源器件無源器件（放大器）（混頻器）（振蕩器）微波通信系統的基本結構微波通信系統的基本結構射頻信號在器件中的傳播

Lightwave入射反射透射

RF/MW網絡分析儀測試要討論的問題器件性能的描述:傳輸特性;反射特性器件傳輸特性/反射特性的指標定義?

Gain,Phase,GroupdelayVSWR,,,Impedance

影響器件傳輸/反射特性的因素?

工作頻率

信號功率

反射特性

傳輸特性工作頻率;信號功率反射特性的參數定義:￥

dB全匹配(ZL=Zo)rRLVSWR01全反射

(ZL=開路,短路)0dB1￥VoltageStandingWaveRatio=ZL-ZOZL+OZ=V反射V輸入=rFG=rG=-20log(r),VSWR=EmaxEmin=1+r1-rEmaxEmin駐波比反射系數(電壓比值)反射損耗

(功率比值)Z0:傳輸線特性阻抗Z1:傳輸線終端負載傳輸信號包絡目錄天線的基本概念

天線的發展歷史

天線的重要參數常見天線

什么是天線（antenna（生物學中的觸覺器官））?天線的基本概念天線的發展簡史：無線電機器．有一條導線接著之后，性能好的不得了，這導線就稱為天線

(Aerial)。—(WHIRE)

如果把上述無線電機器的外殼接地．那性能就更妙。－

GROWND

從無線電機器拉出去的天線，若是兩條一字拉開．使電力呈平衡狀是最好的。—(DIPOLE)

天線是否平衡，可以由簡易的駐波比表測量出來。-尼馬奇在雙偶極天線能上，可以把部份長度纏繞成電感狀，使天線能變短。—TRAP

天線是否平衡，不必光看天線在形體上是否對稱，可以設法人工調整。—雷頓(RANDOM天線的廣泛應用：天線伴隨著每一個人民用：電視、廣播、移動通信特殊用途：導航、定位、氣象、衛星軍事用途：雷達、制導武器、電子對抗等

天線分類方法

(1)按天線外形：有V形天線、菱形天線、環行天線、螺旋天線、喇叭天線和反射面天線、板狀天線、帽狀天線等

板狀天線帽形天線鞭狀天線面狀天線(2)按工作波長：超長波天線、長波天線、中波天線、短波天線、超短波天線和微波天線等。(3)按天線特性分類：按方向特性分，有定向天線、全向天線；按極化特性分，有線極化(垂直極化和水平極化)天線和圓極化天線；按頻帶特性分，有窄頻帶天線、寬頻帶天線和超寬頻帶天線。定向天線全向天線天線分類方法(4)按天線結構分（分析方便）：線天線和面天線。線天線由半徑遠小于波長的金屬導線構成，主要用于長波、中波和短波波段；面天線由尺寸大于波長的金屬或介質面構成，主要用于微波波段。這兩種天線都可用于超短波波段。（我們按照此種分類方式進行講解）線天線面天線天線分類方法2.3天線重要參數天線