微波與毫米波技術(shù)基本知識(shí)

1、毫米波的特點(diǎn)+我們周圍充斥著無(wú)線電波，學(xué)名叫“電磁波”，例如：+電視、廣播、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、各種家用電子. +它們工作在不同頻段，但有一個(gè)共同的特點(diǎn)：由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線組成。+發(fā)射機(jī)發(fā)射的帶有信息的信號(hào)能量通過(guò)發(fā)射天線轉(zhuǎn)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(jī)，這樣就完成了信息的無(wú)線傳輸。發(fā)射機(jī)（信號(hào)產(chǎn)生、放大）接收機(jī)（信號(hào)放大、變換）接收終端（信息處理）發(fā)射天線（輻射能量）接收天線（搜集能量）發(fā)射終端（信息產(chǎn)生）+本講座介紹無(wú)線系統(tǒng)的射頻部分相關(guān)知識(shí)，包括天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)以及電磁波的基本知識(shí)，微波部件和子系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量的基本原理和方法，使學(xué)員建立電磁場(chǎng)與微波技術(shù)的基

2、本概念，奠定設(shè)計(jì)、調(diào)試微波部件和子系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。+電磁波是能量在空間傳播的一種形態(tài)。電磁場(chǎng)是描述電磁波的一種方式。電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是緊密聯(lián)系在一起的。+在交流電路中，通電線圈周圍要產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果電流的大小隨時(shí)間變化，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)隨時(shí)間變化；+線圈在恒定磁場(chǎng)中移動(dòng)，將在線圈中產(chǎn)生直流電；如果是在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中移動(dòng)，將在線圈中產(chǎn)生交流電。+我們能否把交流電路的概念推廣到電磁場(chǎng)中呢？+人類認(rèn)識(shí)客觀世界，發(fā)現(xiàn)新的事物，有兩種方式：+（1）從生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)中觀察分析后發(fā)現(xiàn)新的事物；+（2）從科學(xué)理論出發(fā)，預(yù)言新的事物存在。+ 電磁波的發(fā)現(xiàn)，屬于后一種。+麥克斯韋的預(yù)言：+如果在空間某區(qū)域中有周

3、期性變化的電場(chǎng)，那么，這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)；+這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場(chǎng)如此周而復(fù)始；+變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)+麥克斯韋提出了有旋電場(chǎng)的概念和位移電流的假設(shè)，揭示了電磁場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系和相互依存，麥克斯韋熟練地運(yùn)用了當(dāng)時(shí)正在發(fā)展的矢量分析，找到了表述電磁場(chǎng) （空間連續(xù)分布的客體）的適當(dāng)數(shù)學(xué)工具 ，得到了描述電磁場(chǎng)特性的規(guī)律，并預(yù)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(xué)生赫茲用實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了麥克斯韋的偉大預(yù)言，發(fā)射并接收了電磁波，從而開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線電技術(shù)的新時(shí)代。 +麥克斯韋的

4、理論要點(diǎn)之一+ 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)：+ 變化的磁場(chǎng)在線圈中產(chǎn)生電場(chǎng)，正是這種電場(chǎng)在線圈中驅(qū)使自由電子做定向的移動(dòng)，引起了感應(yīng)電流。+ 麥克斯韋認(rèn)為,線圈只不過(guò)用來(lái)顯示電場(chǎng)的存在，線圈不存在時(shí)，變化的磁場(chǎng)同樣在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng)，這是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合+電路是否存在無(wú)關(guān)。+麥克斯韋的理論要點(diǎn)之二+ 變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) ：+ 麥克斯韋研究了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似和聯(lián)系提出一個(gè)假設(shè)： 變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。+根據(jù)麥克斯韋的理論，在給電容器充電的時(shí)候，不僅導(dǎo)體中電流要產(chǎn)生磁場(chǎng)，而且在電容器兩極板周期性變化著的電場(chǎng)周圍也要產(chǎn)生磁場(chǎng)。 +麥克斯韋根據(jù)自己的理論進(jìn)一步預(yù)言：+ 如果在空間某域中有周期性變化

5、的電場(chǎng)，那么，這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場(chǎng)+ 可見(jiàn)，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)是相互聯(lián)系的，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)。 +麥克斯韋預(yù)言的基本要點(diǎn)概括如下：+（1）變化的磁場(chǎng)能夠在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng)， 變化的電場(chǎng)能夠在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)； +（2）均勻變化的磁場(chǎng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)，均勻變化的電場(chǎng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)；這里的“均勻變化”指在相等時(shí)間內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度（或電場(chǎng)強(qiáng)度）的變化量相等，或者說(shuō)磁感應(yīng)強(qiáng)度（或電場(chǎng)強(qiáng)度）對(duì)時(shí)間變化率一定. +（3）不均勻變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，不均勻變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)；+（4）周期性變化（振

6、蕩）的磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩電場(chǎng)，周期性變化（振蕩）的電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)；+（5）變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)總是相互聯(lián)系著，形成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場(chǎng)，它們向周圍空間傳播就是電磁波。+這種變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)總是交替產(chǎn)生，并且由發(fā)生的區(qū)域向周圍空間傳播電磁場(chǎng)由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播就是電磁波。+電磁波是一種以巨大速度通過(guò)空間而不需要任何物質(zhì)作為傳播媒介的粒(量)子流，具有波粒二象性。+波動(dòng)性可以用波長(zhǎng)，波數(shù)，頻率表征。+波長(zhǎng)是波傳播路線上具有相同振動(dòng)相位的相鄰兩點(diǎn)之間的線性距離，+頻率是每秒的波動(dòng)次數(shù)，單位為Hz。+真空中有如下公式：+頻率光速/波長(zhǎng)+光速30萬(wàn)公里/秒+波數(shù)2/+法

7、拉第電磁感應(yīng)定律 安培全電流定律 磁通連續(xù)性 高斯定律 三個(gè)組成關(guān)系：電荷守恒定律 法拉第電磁感應(yīng)定律安培全電流定律磁通連續(xù)性高斯定律電荷守恒定律電壓磁勢(shì)電通量磁通量電流電荷由積分形式可看出場(chǎng)量與電路量之間的關(guān)系 ：將麥?zhǔn)戏匠谈膶?xiě)成電路方程：法拉第電磁感應(yīng)定律安培全電流定律磁通連續(xù)性高斯定律電荷守恒定律+用求和 表示積分：克?；舴螂妷憾桑姶鸥袘?yīng)定律）克希霍夫電流定律（電荷守恒定律）+通常將電磁頻譜分為長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、微波、毫米波、亞毫米波、紅外和光波，其對(duì)應(yīng)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。+射頻 (RF)：1MHz-1GHz (廣義射頻指無(wú)線電

8、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(jiàn)光：0.760.4m名稱長(zhǎng)波中波短波超短波(VHF)微波和毫米波頻率15100kHz1001500kHz1.530MHz30300MHz300MHz以上波長(zhǎng)20km3km3km200m200m10m10m1m1m以下名稱PLSCXKuK頻率225-390MHz0.39-1.55MHz1.55-3.9GHz3.9-6.9GHz6.9-12.4GHz12.4-18GHz18-26.5GHz波長(zhǎng)133.2

9、-76.9cm76.9-19.3cm19.3-7.69cm7.69-4.35cm4.35-2.42cm2.42-1.67cm1.67-1.13cm名稱 KaQUVEWFDG頻率GHz26.5-4033-5040-6050-7560-9075-11090-140-110-170140-220波長(zhǎng)mm11.3-7.59.1-6 7.5-5 6-45-3.3 4-2.7 3.3-2.12.7-1.72.1-1.4大氣透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz大氣吸收頻段：60GHz，120GHz, 185GHz+長(zhǎng)波在地面與電離層下邊界之間形成的“球形波導(dǎo)”內(nèi)以空間波

10、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(yuǎn)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(wú)線電波正是依賴電離層的反射才有可能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播。+大氣層是包圍地球表面并和地球一起作為一個(gè)整體旋轉(zhuǎn)的氣體外殼。地表屬于大氣層下界，而上界是不定的。+從無(wú)線電波傳播的觀點(diǎn)來(lái)看，大氣層分為三層：對(duì)流層、平流層、電離層。+這些區(qū)域之間的界限不是很明顯，并且它們與時(shí)間和觀察點(diǎn)的地理位置有關(guān)。+對(duì)流層的上界被稱為對(duì)流層頂，在赤道上空為1618公里，在溫帶緯度為1012公里，而在極地地區(qū)為710公里。對(duì)流層高度季節(jié)性變化很小。+平流層從對(duì)流層延伸到

11、約5060公里的高度。+電離層位于平流層之上，大氣層上界以下。+對(duì)流層和平流層的區(qū)別在于其溫度隨高度分布的規(guī)律不同。+電離層與大氣層下面區(qū)域的區(qū)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。+大氣層中的主要成分是氧氣和氮?dú)? 其溫度在離地90公里以上隨高度增加而增加,由于太陽(yáng)輻射和其它宇宙射線的作用, 在距地面約90公里起氧氣開(kāi)始離解；+ 在距地面約200公里起氮?dú)忾_(kāi)始離解:將產(chǎn)生電子和離子的過(guò)程稱為電離過(guò)程; 消失電子和離子的過(guò)程稱為復(fù)合過(guò)程。實(shí)際上, 電離與復(fù)合過(guò)程是同時(shí)存在的。+ 電離層就是這種種過(guò)程形成的電子和正、負(fù)離子的復(fù)合體。因此, 電離層要

12、受到太陽(yáng)活動(dòng)的影響，因而白天和夜晚差別較大。 電離層基本結(jié)構(gòu)特征在地球北緯地區(qū)(我國(guó)處在此區(qū)) 的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)。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(yuǎn)距離電臺(tái)，夜間D層消失，可收到遠(yuǎn)地臺(tái)。+ 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(duì)毫米波頻段以上的電磁波傳播衰減與頻率有密切關(guān)系。+ 大氣電參數(shù)的不均勻性、氣候和天氣現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致傳播媒質(zhì)與其中傳播的無(wú)線電波發(fā)生作用，產(chǎn)生如下效應(yīng)：+（1）無(wú)線電波傳播軌跡的彎曲（折射）；+（2）極化面旋轉(zhuǎn)；+（3）大氣氣體對(duì)無(wú)線電

13、波的吸收（衰減）；+（4）水凝物對(duì)無(wú)線電波的吸收和散射；+（5）固體微粒和大微粒（塵粒和沙粒）對(duì)無(wú)線電波的吸收和散射；+（6）大氣湍流不均勻性對(duì)無(wú)線電波能量的耗散；+（7）信號(hào)色散失真。當(dāng)R0.8Rmax時(shí)，屬于視線區(qū)，當(dāng) ，為半陰影區(qū)， 當(dāng) ，則為陰影區(qū)。BKBR2 . 1RR8 . 0BkR2 . 1R視距+ 電磁波入射到物體表面將產(chǎn)生反射、散射和繞射，天線接收到的信號(hào)是直接波與這些波的合成。所謂多徑效應(yīng)，就是來(lái)自不同路徑的波對(duì)系統(tǒng)的影響，其中主要是地面反射的影響。+ 當(dāng)?shù)孛娌黄秸叨?h 滿足下式（瑞利準(zhǔn)則）時(shí)，地面可視為平坦的，可按鏡面考慮：其中是電磁波的入射余角，即與地面夾角。平坦地

14、面的干涉因子雷達(dá)接收的信號(hào)與天線高度和距離有關(guān)，可用干涉因子表示。毫米波在地球大氣中傳播時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減；在地球與人造地球衛(wèi)星通信線路上傳播時(shí)，由于核爆炸、流星侵入和其它因素作用下出現(xiàn)的大氣吸收,電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)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10 GHz頻率以上尤為明顯。 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(lái)自地表和空氣下層的自由輻射，空氣因此變冷凝結(jié)。 平流霧在濕熱空氣流經(jīng)較冷的表面時(shí)產(chǎn)生，其持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。 汽化霧在冷空氣流經(jīng)熱水面時(shí)出現(xiàn)。雨的類型 雨的強(qiáng)度

15、mm/h 雨滴半徑mm 1 m3內(nèi)的雨滴數(shù) 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 1 30 GHz2 40 GHz3 80 GHz4 100 GHz5250 GHz a)圖：1 35 GHz， 2 95 GHz，3 140 GHz，4 217 GHz上的路徑衰減與降雪的關(guān)系；b)圖：1140 GHz頻率上的路徑衰減與等效降雪強(qiáng)度(I)的關(guān)系；2毫米波在140 GHz頻率上的路徑衰減與降雨強(qiáng)度(

16、I)的關(guān)系 +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(guò)霧、雨、煙和塵埃等媒質(zhì)，穿過(guò)等離子體時(shí)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(guān)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線電波傳播路徑和大氣層進(jìn)行遙測(cè)和遙控的高效頻譜分析。在使用相同工作頻率的各種無(wú)線電系統(tǒng)間有較好的電磁兼容性和抗干擾能力；有利于系統(tǒng)保密性。 與微波比較： 毫米波頻段的波長(zhǎng)更短，在天線孔徑相對(duì)較小的情況下，實(shí)現(xiàn)更高的角分辨能力在進(jìn)行目標(biāo)導(dǎo)航、定位和跟蹤時(shí)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在空間上的更高定位精度；目標(biāo)信號(hào)與無(wú)源干擾信號(hào)的比值更高，并對(duì)有源干擾具有更好的抗干擾穩(wěn)定性。在毫米波頻段，由于信

17、道和無(wú)線電電子設(shè)備的有源器件絕對(duì)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(wú)線電定位時(shí)的距離分辨率和無(wú)源無(wú)線電定位（輻射計(jì)）的靈敏度。多普勒頻移高，易于提?。辉谙鄥⒑撩撞ɡ走_(dá)系統(tǒng)中，在雜波背景下實(shí)現(xiàn)更高的目標(biāo)速度分辨率和更佳的目標(biāo)可觀測(cè)性。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(lǐng)域開(kāi)辟了新天地，也為目標(biāo)識(shí)別增加了手段。+毫米波的主要缺點(diǎn)是：+在大氣層中傳播時(shí)頻率選擇性吸收和散射比較低頻率上的無(wú)線電波更為嚴(yán)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(wú)線電系統(tǒng)。 +天線是能量變換器：+將空間的電磁波能量變換為傳

18、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(fā)射機(jī)或接收機(jī)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。（1）增益 （2）輻射方向圖（3）輸入駐波系數(shù)（4）極化+一天線用作發(fā)射時(shí)在空間各方向上的輻射是不均勻的，而天線用作接收時(shí)從各方向上接收的能量也是不均勻的。（天線作為發(fā)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。 +輻射方向圖通常由下列參數(shù)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(yuǎn)副瓣最高電平或平均電平。+對(duì)于單脈沖天線，還要求：+（

19、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(diǎn)深度，即差波束交叉點(diǎn)最小值與最大值之差。+方向性系數(shù)增益方向性系數(shù)效率+電磁波的極化：表示+作為時(shí)間函數(shù)的場(chǎng)+矢量端點(diǎn)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 橢圓極化波可視為兩個(gè)同頻線極化波的合成，或兩個(gè)同頻反向圓極化波的合成。兩線極化場(chǎng)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： Ex=E1sin(wt) Ey=E2sin(wt+)“瞬時(shí)”合成矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)橢圓方程：+描述橢圓極化特性的參數(shù)：+橢圓極化特性可由三個(gè)參數(shù)表示：+（1）軸比AR（長(zhǎng)軸與

20、短軸之比）；+（2）傾角（參考方向與橢圓長(zhǎng)軸間的交角，當(dāng)沿傳播方向觀察是，傾角為順時(shí)針?lè)较虻慕嵌龋?（3）旋轉(zhuǎn)方向：當(dāng)觀察者沿波的傳播方向由發(fā)射端向接收端看去，極化平面內(nèi)電場(chǎng)矢量的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí)，極化方向被為右旋，否則稱為左旋。+當(dāng)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(shí)，由此給定方向上天線將獲取最大信號(hào)。+若入射波的極化與接收天線的極化不匹配，將產(chǎn)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(shí)際接收的功率與極化匹配良好時(shí)天線在此方向所應(yīng)接收的功率之比。+天線的輸入阻抗是天線在饋電點(diǎn)的電壓與電流的比值。天線阻抗設(shè)計(jì)的目的就是要提供一匹配阻抗

21、，以保證最大功率傳輸。+輸入駐波系數(shù)表示天線阻抗與饋線的匹配程度：+駐波系數(shù)：+其中，是反射系數(shù)+（1）元天線：?jiǎn)螛O天線、環(huán)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(duì)數(shù)周期天線 、表面波天線 、長(zhǎng)介質(zhì)棒 等+（3）陣列天線：平面陣 、側(cè)射陣、共形陣 、自適應(yīng)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。在一個(gè)薄介質(zhì)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(dǎo)體貼片和接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng),并通過(guò)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。微帶天線單元的增益一般只有6dB8dB 。為獲得更大增益,或?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)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。 傳輸線及不連續(xù)性無(wú)源和有源器件(半導(dǎo)體或電真空) 微波部件微波模塊微波系統(tǒng)+波導(dǎo)管 同軸線 微帶線+按照工藝分類：+立體電路+微波混合集成電路：采用分離元件及分布參數(shù)電路混合集成。+微波集成電路（MIC）：采用管芯及陶瓷或復(fù)合材料基片。+微波單片集成電路（MMIC）