微波與毫米波技術(shù)基本知識

1、毫米波的特點+我們周圍充斥著無線電波，學(xué)名叫“電磁波”，例如：+電視、廣播、通信、雷達、導(dǎo)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(fā)射機、接收機和天線組成。+發(fā)射機發(fā)射的帶有信息的信號能量通過發(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，這樣就完成了信息的無線傳輸。發(fā)射機（信號產(chǎn)生、放大）接收機（信號放大、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）+本講座介紹無線系統(tǒng)的射頻部分相關(guān)知識，包括天線、發(fā)射機、接收機以及電磁波的基本知識，微波部件和子系統(tǒng)參數(shù)測量的基本原理和方法，使學(xué)員建立電磁場與微波技術(shù)的基

2、本概念，奠定設(shè)計、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)。電磁場是描述電磁波的一種方式。電場和磁場總是緊密聯(lián)系在一起的。+在交流電路中，通電線圈周圍要產(chǎn)生磁場，如果電流的大小隨時間變化，所產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生交流電。+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(fā)現(xiàn)新的事物，有兩種方式：+（1）從生產(chǎn)實踐、科學(xué)實驗中觀察分析后發(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，那么，這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場；+這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場如此周而復(fù)始；+變化的電場和變化的磁場總是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場+麥克斯韋提出了有旋電場的概念和位移電流的假設(shè)，揭示了電磁場的內(nèi)在聯(lián)系和相互依存，麥克斯韋熟練地運用了當(dāng)時正在發(fā)展的矢量分析，找到了表述電磁場 （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)生赫茲用實驗方法證實了麥克斯韋的偉大預(yù)言，發(fā)射并接收了電磁波，從而開創(chuàng)了無線電技術(shù)的新時代。 +麥克斯韋的

4、理論要點之一+ 變化的磁場產(chǎn)生電場：+ 變化的磁場在線圈中產(chǎn)生電場，正是這種電場在線圈中驅(qū)使自由電子做定向的移動，引起了感應(yīng)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(chǎn)生電場，這是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合+電路是否存在無關(guān)。+麥克斯韋的理論要點之二+ 變化的電場產(chǎn)生磁場 ：+ 麥克斯韋研究了電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的相似和聯(lián)系提出一個假設(shè)： 變化的電場產(chǎn)生磁場。+根據(jù)麥克斯韋的理論，在給電容器充電的時候，不僅導(dǎo)體中電流要產(chǎn)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(chǎn)生磁場。 +麥克斯韋根據(jù)自己的理論進一步預(yù)言：+ 如果在空間某域中有周期性變化

5、的電場，那么，這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)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(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場。 +麥克斯韋預(yù)言的基本要點概括如下：+（1）變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場， 變化的電場能夠在周圍產(chǎn)生磁場； +（2）均勻變化的磁場，產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，均勻變化的電場，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場；這里的“均勻變化”指在相等時間內(nèi)磁感應(yīng)強度（或電場強度）的變化量相等，或者說磁感應(yīng)強度（或電場強度）對時間變化率一定. +（3）不均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，不均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場；+（4）周期性變化（振

6、蕩）的磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場，周期性變化（振蕩）的電場產(chǎn)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(lián)系著，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場，它們向周圍空間傳播就是電磁波。+這種變化的電場和變化的磁場總是交替產(chǎn)生，并且由發(fā)生的區(qū)域向周圍空間傳播電磁場由發(fā)生區(qū)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(zhì)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(shù)，頻率表征。+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(shù)，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(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(guān)系 ：將麥?zhǔn)戏匠谈膶懗呻娐贩匠蹋悍ɡ陔姶鸥袘?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?；舴螂娏鞫桑姾墒睾愣桑?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(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)+可見光：0.760.4m名稱長波中波短波超短波(VHF)微波和毫米波頻率15100kHz1001500kHz1.530MHz30300MHz300MHz以上波長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(xiàn)遠距離傳播。+大氣層是包圍地球表面并和地球一起作為一個整體旋轉(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(qū)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(guān)。+對流層的上界被稱為對流層頂，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。對流層高度季節(jié)性變化很小。+平流層從對流層延伸到

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(chǎn)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(fù)合過程。實際上, 電離與復(fù)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(fù)合體。因此, 電離層要

12、受到太陽活動的影響，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)(我國處在此區(qū)) 的實驗結(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距離電臺，夜間D層消失，可收到遠地臺。+ 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(guān)系。+ 大氣電參數(shù)的不均勻性、氣候和天氣現(xiàn)象會導(dǎo)致傳播媒質(zhì)與其中傳播的無線電波發(fā)生作用，產(chǎn)生如下效應(yīng)：+（1）無線電波傳播軌跡的彎曲（折射）；+（2）極化面旋轉(zhuǎn)；+（3）大氣氣體對無線電

13、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。當(dāng)R0.8Rmax時，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，天線接收到的信號是直接波與這些波的合成。所謂多徑效應(yīng)，就是來自不同路徑的波對系統(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，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、面的干涉因子雷達接收的信號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，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(fā)生衰減；在地球與人造地球衛(wèi)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(xiàn)的大氣吸收,電場強度會發(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)較冷的表面時產(chǎn)生，其持續(xù)時間最長。 汽化霧在冷空氣流經(jīng)熱水面時出現(xiàn)。雨的類型 雨的強度

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霧、雨、煙和塵埃等媒質(zhì)，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(guān)，可實現(xiàn)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(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： 毫米波頻段的波長更短，在天線孔徑相對較小的情況下，實現(xiàn)更高的角分辨能力在進行目標(biāo)導(dǎo)航、定位和跟蹤時，實現(xiàn)目標(biāo)在空間上的更高定位精度；目標(biāo)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(wěn)定性。在毫米波頻段，由于信

17、道和無線電電子設(shè)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??；在相參毫米波雷達系統(tǒng)中，在雜波背景下實現(xiàn)更高的目標(biāo)速度分辨率和更佳的目標(biāo)可觀測性。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)域開辟了新天地，也為目標(biāo)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(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。（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(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面遠副瓣最高電平或平均電平。+對于單脈沖天線，還要求：+（

19、1）和差矛盾，即差波束與和波束最大值之差+（2）差波束的零點深度，即差波束交叉點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+作為時間函數(shù)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 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： Ex=E1sin(wt) Ey=E2sin(wt+)“瞬時”合成矢量的端點軌跡是一個橢圓方程：+描述橢圓極化特性的參數(shù)：+橢圓極化特性可由三個參數(shù)表示：+（1）軸比AR（長軸與

20、短軸之比）；+（2）傾角（參考方向與橢圓長軸間的交角，當(dāng)沿傳播方向觀察是，傾角為順時針方向的角度）；+（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)電場矢量的旋轉(zhuǎn)方向為順時針時，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，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(chǎn)生極化損耗，其大小由極化效率給出。+極化效率定義為：+天線實際接收的功率與極化匹配良好時天線在此方向所應(yīng)接收的功率之比。+天線的輸入阻抗是天線在饋電點的電壓與電流的比值。天線阻抗設(shè)計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：單極天線、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 、對數(shù)周期天線 、表面波天線 、長介質(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。微帶天線單元的增益一般只有6dB8dB 。為獲得更大增益,或為了實現(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）