華中科技大學(xué)微波緒論改2013.02.20.ppt

1、微 波 技 術(shù) 基 礎(chǔ),華中科技大學(xué)電信系 陳柯 Email：,緒論,0.1 電磁波的實(shí)質(zhì)與發(fā)展歷程 0.2 微波在電磁波譜中的位置 0.3 微波的特點(diǎn) 0.4 微波的應(yīng)用,0.1電磁波的實(shí)質(zhì)與發(fā)展歷程,一.電磁波的產(chǎn)生與實(shí)質(zhì) 波的產(chǎn)生是由物質(zhì)的各部分振動(dòng)造成的；如： 水波：是由于水分子的上下振動(dòng)引起的 聲波：是由于空氣分子的來回振動(dòng)引起的 電磁波是由電磁場的振動(dòng)產(chǎn)生的（即電場和磁場的方向、大小的循環(huán)變化）； 注：電磁波由于其“不可捉摸”而顯得十分抽象；,0.1電磁波的實(shí)質(zhì)與發(fā)展歷程,電場：是由帶電物體（多余電子或失去電子）產(chǎn)生的； 磁場：是由于電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的； 電磁波實(shí)質(zhì)是不斷變化著的電場

2、和磁場在空間中的傳播；,0.1 電磁波的產(chǎn)生及實(shí)質(zhì),下圖是導(dǎo)體周圍某一確定時(shí)刻空間各點(diǎn)電磁場強(qiáng)度變化的圖形(此猶如我們在某一瞬間拍攝下來的水面上各點(diǎn)水波的凹凸起伏圖形一樣)。,電磁場理論的學(xué)科內(nèi)涵,電磁場 理論的科學(xué)內(nèi) 涵和應(yīng)用領(lǐng)域,無線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)： 電磁場與物質(zhì)相互作用 信息傳輸新器件和系統(tǒng) 信息獲取新方法和技術(shù),人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,一.電磁波的發(fā)展歷程 電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的自然現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象。 19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象被廣泛的關(guān)注和研究。正是由于這些研究為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。 其中貢獻(xiàn)最大的有富蘭克林

3、、伏打、安培、法拉第、高斯等科學(xué)家。,人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,1864年,麥克斯韋提出位移電流的新假設(shè),用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)方式揭示了電場與磁場的內(nèi)在聯(lián)系, 以及它們所遵循的規(guī)侓-麥克斯韋方程,從而建立了系統(tǒng)而完整的電磁場理論。-經(jīng)典電磁理論。 1868年,麥克斯韋從他所建立的偏微分方程中推出電磁波來,科學(xué)的預(yù)言了電磁波的存在。,麥克斯韋 （1831-1879）,人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,1855年：開始致力于電磁學(xué)的研究 1864年：電磁場的動(dòng)力學(xué)理論 1873年：電磁通論著作完成 1873年: 經(jīng)典宏觀電磁場理論建立,人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,麥克斯韋預(yù)言電磁

4、波的存在，但卻沒有能通過親手實(shí)驗(yàn)證實(shí)他的預(yù)言。1887年德國科學(xué)家赫茲透過閃爍的火花，第一次證實(shí)電磁波的存在。此后過了 不到7年時(shí)間，電磁波開始實(shí)際應(yīng)用到通信領(lǐng)域。從此開始了電磁場和電磁波理論的應(yīng)用與發(fā)展時(shí)代。,赫茲 （1857-1894）,赫茲實(shí)驗(yàn),頻率的單位Hz即以他的姓氏命名。,人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,20歲的馬可尼偶然讀到赫茲論述電磁波實(shí)驗(yàn)的文章，從而把興趣全部轉(zhuǎn)移到利用電磁波進(jìn)行通信的實(shí)驗(yàn)上，立志實(shí)現(xiàn)無線電通信。1901年，他試驗(yàn)成功了在加拿大的紐芬蘭與英國的昆沃爾之間、橫跨大西洋3000公里的越洋無線電通信。從而使無線電技術(shù)的發(fā)展成為20世紀(jì)的熱門話題。開辟了人類應(yīng)用

5、無線電的新紀(jì)元。 馬可尼成為1909年 的諾貝爾獎(jiǎng)得主,馬可尼 （1874-1937）,人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,無線電報(bào)(telegraph） 1895年，馬可尼進(jìn)行了2.5公里無線電報(bào)傳送 1896年，波波夫進(jìn)行了250米的電報(bào)傳送試驗(yàn) 1899年, 跨越英吉利海峽電報(bào)傳送試驗(yàn)成功 1901年，跨越大西洋的3200公里的試驗(yàn)成功,人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,有線電話 （telephone) 1876年, 美國科學(xué)家貝 爾在美國建國100周年 博覽會上展示了他所發(fā) 明的有線電話。,人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,廣播 (broadcasting ) 1906年，美

6、國費(fèi)森登用50 KHz的發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)， 用微音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào) 制，使大西洋航船上的報(bào) 務(wù)員聽到了廣播播出的音樂。1919年第一個(gè) 定時(shí)的無線電廣播電臺在英國建成,人類探索、開發(fā)和利用電磁波的歷史回顧,電視 (television video ) 1884年，德國尼普科夫提出機(jī) 械掃描電視的設(shè)想，1927年， 英國貝爾德成功用電話線路把 圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金在 1923年和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。 1931年，世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)出現(xiàn)。,在發(fā)現(xiàn)電磁波不到6年，利用電磁波的技術(shù)，如雨后春筍般相繼問世。 無線電報(bào)（1894年） 無線電廣播（1906年） 無線電

7、導(dǎo)航（1911年） 無線電話（1916年）,短波通信（1921年） 無線電傳真（1923年） 電視（1929年） 微波通信（1933年） 雷達(dá)（1935年） 遙控、遙感、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、射電天文學(xué)它們使整個(gè)世界面貌發(fā)生了深刻的變化。,0.2 微波在電磁波譜中的位置,一、電磁波譜 電磁場的振動(dòng)有快有慢，因此電磁波的頻率有高有低，電磁波的頻率十分寬廣。根據(jù)不同頻段（或波段）電磁波的不同特性和不同的適用場合，可以將電磁波劃分成幾個(gè)大的類別范圍，即電磁波的頻譜。,0.2 微波在電磁波譜中的位置,圖0-3 電磁波譜,0.2 微波在電磁波譜中的位置,微波波段的劃分 長期以來，人們對微波范圍內(nèi)的電磁波又

8、進(jìn)行了進(jìn)一步的頻率范圍劃分，并給予了相應(yīng)的波段代號,0.2 微波在電磁波譜中的位置,THz波是指頻率在(0.1-10)THz（波長為300030微米）范圍內(nèi)的電磁波，THz=1012Hz。由波譜圖可見，它在長波段與毫米波（亞毫米波）相重合，而在短波段，與紅外線相重合下。長期以來，由于缺乏較為理想的THz源和相關(guān)檢測系統(tǒng)，致使在電磁波譜中形成一段發(fā)展相對落后的“THz空白”（ THz Gap） ，是有待開發(fā)利用的最后一個(gè)電磁窗口。,0.2 微波在電磁波譜中的位置,另外，其它波段的波長為：紅外線0.75mm 0.76um(遠(yuǎn)、中、近紅外線的范圍分別為0.75mm 15um，151.5um，1.50

9、.76um；遠(yuǎn)紅外線波段的一部分與亞毫米波段相重疊)；紫外線(0.39 0.005um)；X射線(0.00510-8um)；y射線(10-8um以下)。,0.2 微波在電磁波譜中的位置,顧名思義“微波”是波長極短，頻率極高的電磁波。在電磁波譜中是介于普通無線電波與紅外線之間的波段。 因此，波長的長與短、頻率的高與低都是相對的，在微波波段內(nèi)部又可劃分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波. 不同頻率的電磁波，其傳播特性不同，適用場合也不同：,0.2 微波在電磁波譜中的位置,0.3 微波的特點(diǎn),由所處的波長和頻率決定，微波除了與普通無線電波具有共同點(diǎn)外，還有其本身的一些特點(diǎn)： 一、微波具有似光特性 具

10、有反射和視距傳輸?shù)奶匦?0.3 微波的特點(diǎn),微波可通過拋物天線定向輻射,1.光波可以通過拋物面反射鏡形成強(qiáng)烈的定向照射。,2微波也可以通過尺寸很小的（1m左右）拋物天線形成很強(qiáng)的定向輻射。,拋物天線發(fā)射電磁波的波束角約等于,短波段的最短波長,微波波長,0.3 微波的特點(diǎn),二、可以穿越電離層 普通無線電波會被高空的電離層所吸收或被反射回來；而微波由于存在大氣“窗口”，則能穿過電離層至外層空間。 無線電窗口: 在1-10GHz(千兆赫),20-30GHz,91GHz附近的微波受云霧,雨雪等的影響不大,可以較為容易地由地面向外層空間傳播。這種現(xiàn)像稱為”無線電窗口”或“大氣窗口”。 因此利用這些窗口，

11、我校微波遙感研究室研制了8mm、3mm微波輻射計(jì)及其成像系統(tǒng)。具有全天時(shí)、全天候的工作能力。,0.3 微波的特點(diǎn),0.3 微波的特點(diǎn),三、頻率高，頻帶寬、信息容量大,0.3 微波的特點(diǎn),四、有一定的穿透性 可深入到物質(zhì)內(nèi)部，并與分子和原子產(chǎn)生相互作用。利用這一特性可以探測物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 另外，某些物質(zhì)吸收微波后會產(chǎn)生熱效應(yīng)，可利用來對物質(zhì)進(jìn)行加熱和烘干，如微波爐、工業(yè)上的食品加工處理等,0.4 微波的應(yīng)用,微波以上特點(diǎn)決定了在雷達(dá)、通信、遙感、醫(yī)療設(shè)備、以及軍事國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。,0.4 微波的應(yīng)用（一、雷達(dá)）,0.4 微波的應(yīng)用（一、雷達(dá)）,雷達(dá)（Radar）是無線電定位的簡稱(r

12、adio detection and ranging的縮寫),Y,Z,雷達(dá)監(jiān)視屏,s,D,x,H,微波雷達(dá)的突出優(yōu)點(diǎn)是:能用較小的天線尺寸得到較窄的天線波束,外部噪聲較低,全天候不受云層覆蓋的影響.,0.4 微波的應(yīng)用（一、雷達(dá)）,1922年，馬可尼發(fā)表無線電波能檢測物體的論文，是雷達(dá)最早的概念。雷達(dá)作為一種探測目標(biāo)的電子設(shè)備，產(chǎn)生于二次世界大戰(zhàn)。 1936年，英國設(shè)計(jì)警戒雷達(dá)投入了運(yùn)行 1938年，美國研制成第一部火炮控制雷達(dá) 1940年，微波雷達(dá)的研制成為可能 1944年，自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功 1945年，顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)發(fā)明,0.4 微波的應(yīng)用（一、雷達(dá)）,測速雷達(dá),孔徑雷達(dá)

13、,探地雷達(dá),0.4 微波的應(yīng)用（二、通信）,演示,典型微波無線通信線路示意圖,中繼站,終端站,樞紐站,分路站,包括天線接收，發(fā)射信號系統(tǒng),兩條以上微波通信線路的匯接點(diǎn),0.4 微波的應(yīng)用（二、通信）,移動(dòng)通信：,微波設(shè)備安裝方便使用可靠，尤其近年來采用先進(jìn)的微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，使設(shè)備體積更小，功耗更低，可靠性更高，安裝更方便，可使用在各種場合備受用戶關(guān)注.我國移動(dòng)通信(GSM)技術(shù),頻率為900MHz和1800MHz.,0.4 微波的應(yīng)用（二、通信）,移動(dòng)通信,i3G基站和移動(dòng)站通信測試,PDMA i3G Base Station and Mobile Station Test in mo

14、tion,i3G All IP Mobile Communication Network,衛(wèi)星通信,衛(wèi)星通信 (satellite communications ) 1958年, 美國低軌“斯科爾”衛(wèi)星發(fā)射成功 1964年, 同步通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了三大洲的通信 1965年, 第一顆商用定點(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行 1969年, 衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年發(fā)展終趨于成熟,GPS導(dǎo)航定位,北斗定位系統(tǒng)是我國建立 的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。北 斗一代由三顆衛(wèi)星、地面 控制中心、用戶三部分組 成。功能為定位, 通信和 授時(shí). 北斗二代為全地定 位系統(tǒng), 2011年完成系統(tǒng) 組網(wǎng)，基本具備運(yùn)行能力。2020年完成建設(shè)任務(wù)。,北斗

15、定位系統(tǒng),0.4 微波的應(yīng)用（二、通信）,近年來出現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)備受關(guān)注，它采用微波通信技術(shù)，把計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）用無線網(wǎng)絡(luò)連接起來構(gòu)成無線傳輸網(wǎng)，它比有線連接更加靈活方便，計(jì)算機(jī)移動(dòng)隨心所欲。,無線互聯(lián)網(wǎng),通信系統(tǒng)使用的微波電路,PLL 頻率合成器（PCB）,通信系統(tǒng)使用的微波電路,微波（射頻RF）功率放大器,0.4 微波的應(yīng)用（三、遙感）,遙感技術(shù)是在一定距離以外感受、 探測和識別所需要研究的對象。 微波遙感是遙感技術(shù)的重要分支之一, 它通過微波傳感器, 收集地面目標(biāo)輻射或反射的電磁波, 獲得其特征信息, 并經(jīng)過處理變成可以直接識別的信號或圖像, 從而揭示被測目標(biāo)的性質(zhì)和變化規(guī)律。,0.4 微

16、波的應(yīng)用（三、遙感）,微波遙感系統(tǒng)的遙感器，可分為被動(dòng)遙感和主動(dòng)遙感。所謂被動(dòng)遙感，是指遙感器直接接收目標(biāo)的反射或散射信號; 而主動(dòng)遙感是指利用人工輻射源向目標(biāo)發(fā)射電磁波, 再接收由目標(biāo)反射或散射的電磁波。 微波輻射計(jì) 任何溫度高于絕對零度的物體, 都會有熱輻射, 熱輻射的波長范圍從1m到1m左右, 而熱輻射的功率主要取決于物體的溫度和輻射率。微波輻射計(jì)就是測量物質(zhì)在微波波段的電磁熱輻射能量的高靈敏度接收機(jī)。,0.4 微波的應(yīng)用（三、遙感）,0.4 微波的應(yīng)用（三、遙感）,微波輻射計(jì),二厘米輻射計(jì),0.4 微波的應(yīng)用（三、遙感）,0.4 微波的應(yīng)用（三、遙感）,青島海岸場景,青島海岸3mm輻射

17、圖像,0.4 微波的應(yīng)用（三、遙感）,地形光學(xué)圖片,3mm微波輻射圖像,高分辨率微波輻射圖像,高分辨率微波輻射圖像,衛(wèi)星地面測控站,衛(wèi)星對地遙感,衛(wèi)星對地遙感圖像,中國雪深分布,太湖藍(lán)藻分布,衛(wèi)星對地遙感圖像,海面石油泄露檢查,星載遙感設(shè)備,嫦娥一號衛(wèi)星,海洋二號衛(wèi)星,0.4 微波的應(yīng)用（ 四、軍事目標(biāo)探測）,掩埋金屬目標(biāo)探測（如地雷） 實(shí)時(shí)活體成像（分辯敵我）,0.4 微波的應(yīng)用（ 四、軍事目標(biāo)探測）,末敏彈（攻擊坦克）信號處理器,0.4 微波的應(yīng)用（ 四、軍事目標(biāo)探測）,英國希思羅機(jī)場的（約94GHz)被動(dòng)成像實(shí)驗(yàn)圖,可分清楚飛機(jī)和建筑物等目標(biāo),0.4 微波的應(yīng)用（ 四、軍事目標(biāo)探測）,W

18、波段T80坦克的成像,Ka波段（35GHz）F-16成像,0.4 微波的應(yīng)用（ 四、軍事目標(biāo)探測）,0.4 微波的應(yīng)用（ 五、反恐安檢）,利用微波高頻段（毫米波和THz）具有穿透物質(zhì)的特性和較高的分辨率進(jìn)行隱匿武器探測,0.4 微波的應(yīng)用（ 五、反恐安檢）,危險(xiǎn)武器探測,0.4 微波的應(yīng)用（ 六、射電天文）,射電望遠(yuǎn)鏡,0.4 微波的應(yīng)用（ 七、醫(yī)療化工）,醫(yī)療診斷： 如牙齒病變成像，可提前預(yù)知病變，彌補(bǔ)了目前臨床應(yīng)用的儀器設(shè)備只能在癥狀明顯后才能測到的缺陷,0.4 微波的應(yīng)用（ 七、醫(yī)療化工）,微波抗癌儀,微波橡膠連續(xù)硫化設(shè)備,0.4 微波的應(yīng)用（ 八、微波加熱）,微波爐,微波藥丸烘干機(jī),0.4 微波的應(yīng)用,低頻電路元件,微波電路元件,低頻電纜,低頻二三級管,波導(dǎo),微波二三級管,微波接插頭,諧振腔,微波技術(shù)當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r簡析,隨著國民經(jīng)濟(jì)和國防事業(yè)的發(fā)展，微波技術(shù)應(yīng)用愈來愈廣泛，微波人才已成為“緊俏人才”，待遇相對較高。 1、通信領(lǐng)域：通信容量要求大，頻率向更高發(fā)展。手機(jī)、直放站、基站，微波集成電路(MMIC)