微波技術(shù)：第1章 什么是微波

1、 微 波 技 術(shù)1、什么是微波2、微波的起源3、微波的用途4、課程內(nèi)容電 磁 波 譜什么是微波微波：頻率為 300 MHz 3000 GHz 的電磁波， 對應(yīng)的波長1m 0.1mm。 1T = 103G; 1G =103 M; 1M= 103 K; 自由空間中，電磁波的波長與頻率f 的關(guān)系: = c / f 其中自由空間光速: c =3 108 m /s 。什么是微波波段名稱波長范圍頻率范圍頻段名稱分米波1m-10cm0.3-3GHz超高頻(UHF厘米波10cm-1cm3-30GHz特高頻(SHF)毫米波1cm-1mm30-300GHz極高頻(EHF)亞毫米波1mm-0.01mm300-300

2、00GHz（微波與紅外的過渡）一般將微波分為四個波段： 分米波、厘米波、 毫米波、亞毫米波。微波波段微波波段的代號及對應(yīng)的頻率范圍波 段頻率范圍(GHz)波 段頻率范圍(GHz)UHF0.301.12Ka26.5040.00L1.121.70Q33.0050.00LS1.702.60U40.0060.00S2.603.95M50.0075.00C3.955.85E60.0090.00XC5.858.20F90.00140.00X8.2012.40G140.00220.00Ku12.4018.00R220.00325.00K18.0026.50工程應(yīng)用上又把微波波段更細地劃分并給予相應(yīng)的表示符號

3、。 S 波段 10 cm 波段； C 波段 5 cm 波段； X 波段 3 cm 波段； Ku 波段 2 cm 波段； K 波段 1.3cm 波段； Ka波段 8 mm 波段； U 波段 6 mm 波段； F 波段 3 mm 波段； 某些波段習(xí)慣上的稱謂： 2 微波的特性及應(yīng)用 （1）波長短 微波的波長很短， 似光性：其傳播特性與光相似，直線傳播，有反射、折射、繞射、干涉、衍射等現(xiàn)象，某些幾何光學(xué)原理仍適用于微波。 易于實現(xiàn)窄波束的定向輻射; 軍用的有制導(dǎo)雷達、跟蹤雷達、警戒雷達、炮瞄雷達等；民用的有導(dǎo)航雷達、氣象雷達和遙感雷達等。應(yīng)用： 雷達利用微波信號準(zhǔn)確地測定目標(biāo)的方向、距離和速度,從而

4、對運動目標(biāo)實現(xiàn)定位、跟蹤和識別。 例：拋物面天線， At the heart of the F-15E is the APG-70 radar. In the air-to-air mode, the APG-70 can provide range, altitude, airspeed, and other information on aircraft at ranges exceeding 100 miles. The APG-70 can also produce near photo quality images of the ground by using synthetic a

5、perture radar (SAR) technology. SAR imaging is made possible by enhancing the radar returns received from the process known as the Doppler Shift. The NASAs Goldstone Solar System Radar, situated in California, is part of the Deep Space Network. The radar is made of two dishes : DSS-14, the largest d

6、ish of 70 meters and the second DSS-13. The Radar woks at 8510 MHz, transmitting 500 kW. Reception can be performed by both of the two dishes, making it possible to use this radar in bistatic mode.我國對空警戒引導(dǎo)雷達REL-1我國大型三坐標(biāo)雷達JY-14相控陣雷達Synthetic Aperture Radar (SAR) The SAR mode of the APG-70 provides th

7、e Strike Eagle aircrews with a capability unmatched by any other fighter. SAR technology provides a resolution (or the ability to see closely spaced objects clearly as opposed to one large return) over 100 times greater than a conventional radar. SAR technology starts with the antenna. The larger th

8、e antenna - the better the resolution. (2) 穿越電離層的透射特性 地球外圍有對流層、同溫層、電離層和外層大氣等。 60-300km 電離層對 較長(短波）的電磁波產(chǎn)生強烈的折射。 考慮到大氣吸收，穿越電離層直至外層空間(視距傳播）通常采用微波波段，大氣吸收電磁能量弱的波段，稱為（低損耗）大氣窗口。電離層微 波 微波中繼通信 a) 中繼通信（接力通信） 應(yīng)用： 實現(xiàn)地球與宇宙空間通信 、星際通信 、衛(wèi)星導(dǎo)航 、衛(wèi)星通訊(GPS:北斗)； 將中繼站設(shè)立在人造地球衛(wèi)星上，目前廣泛使用的是赤道上空距地面約36000km的同步軌道上的同步衛(wèi)星，三顆衛(wèi)星就可以覆蓋

9、全球的大部分面積（除南北極）圖1-7 利用地球同步衛(wèi)星實現(xiàn)全球通信b) 散射通信利用對流層對微波的散射作用進行遠距離通訊(1000公里無盲區(qū)) 在射電天文學(xué)中，利用微波作為一種觀測手段，可發(fā)現(xiàn)星體，研究宇宙的演變；實現(xiàn)航空航天遙感遙測；隱身測試：（3） 頻率高 (a) 微波波段頻率高，頻帶寬，信息容量大。 微波波段: 300MHz3000GHz，頻帶寬為f1 ； 普通無線電波：3KHz300MHz，總的頻帶寬f2 ； f1 / f2 =10,000 根據(jù)目前的技術(shù)，一條通信線路一般只有不超過百分之幾的相對帶寬，為了把許多路電視、電話同時在一條線路上傳送，信道的中心頻率要比所傳遞信息的總帶寬高幾

10、十倍乃至百倍、千倍，因此采用微波波段通信其信息容量可以很大，現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾乎都工作在微波波段。 無線通訊（手機），計算機、網(wǎng)絡(luò)，速度飛躍，芯片的主頻達微波波段，這就必須用微波技術(shù)的概念解決芯片之間的脈沖反射(失配引起)和串?dāng)_(互耦引起)等問題。電視信號線：同軸無線通訊PCB 印刷電路板共面波導(dǎo) 微帶 帶狀線 (3) 量子特性 微波具有波粒二象性。根據(jù)量子理論，電磁輻射的能量不是連續(xù)的，而是一個個“能量子”組成，每個量子的能量 E = h f (其中,f 為頻率，普朗克常數(shù) h = 6.62610-34 Js )。微波的頻率很高, 其量子能量范圍約在10-5 10-2eV，低

11、功率電平下，微波的量子特性明顯地表現(xiàn)出來。一些分子和原子的超精細結(jié)構(gòu)能級落在微波波段，順磁物質(zhì)在磁場作用下的能級差也落在這一波段。因此，微波可用來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而形成近代尖端學(xué)科，如“微波波譜學(xué)”、“量子電子學(xué)”等。 （4）微波的熱效應(yīng)與微波能 用微波進行疾病診斷和治療，如用微波理療儀對病灶進行局部輻射，以殺死病變細胞，治療癌癥等；用微波針灸治療風(fēng)濕、關(guān)節(jié)炎等疾病。 微波可作為一種能源，用于加熱和烘干。如利用微波與水分子相互作用產(chǎn)生熱效應(yīng)，用大功率微波輻射，使木材、橡膠、煙草、織物等快速烘干；農(nóng)業(yè)上用于殺菌、除蟲及處理種子等；家用微波爐的能量利用率高、烹調(diào)食物快而且干凈。 可將太空中的太陽

12、能發(fā)電站的電能傳送到地面以供利用； 利用空間站將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娏鳎俎D(zhuǎn)換成微波能量發(fā)射回地面接收站，最后將接收的微波能轉(zhuǎn)換成直流電能，供人類使用（1）工作頻段不斷向高頻段擴展。 分米波厘米波毫米波亞毫米波3、進展與前景THz (太赫茲)電磁波段的物理、器件及應(yīng)用研究 THz輻射通常指的是波長在1mm33mm區(qū)間(300GHz10THz)的電磁輻射，近十幾年來超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地促進了THz輻射的機理研究、檢測技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。這一曾被稱為“THz空白”的電磁波段領(lǐng)域，近幾年來取得了許多進展，成為一個引人注意的前沿領(lǐng)域。作為一種新型相干光源，THz輻射的獨特性質(zhì)在物理、信息、材

13、料和生物等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如凝聚態(tài)體系中的各種超快過程探測、寬帶通訊、高速光電子器件、材料表征、無標(biāo)記生物芯片、醫(yī)學(xué)診斷等等。由此帶動的交叉研究將會有力地推動和促進這些相關(guān)學(xué)科的進一步發(fā)展。The last word in the imaging saga has not been said yet. Below you can see a T-ray image of a living cartoon character. The image has been kept top secret so far and we have promised to protect our sou

14、rce, so we cannot tell in which THz laboratory this image was recorded. The high spatial resolution is demonstrated by the fact that we resolve the compact object near the center of the image. ;-) Figure 3: In vivo T-ray image of a cartoon character A fully clothed man imaged by a QinetiQ millimetri

15、c wave camera. Note the concealed gun. T-ray cameras are said to be similar but more powerful. Image used with permission.the first pictures of very slow electrons leaving atoms after being ionized with a very small excess energy.Submillimeter Wave Cryogenic Telescope disposal on the Research Module

16、. Courtesy: Astro Space Center, Moscow Free flying variant of the Submillimeter Wave Cryogenic Telescope. Courtesy: Astro Space Center, MoscowRussian Progress cargo ship can be specially outfitted to become a free-flying Submillimetron telescope. Courtesy: Astro Space Center, MoscowT-ray image of a

17、packaged semiconductor chip. Most plastics are transparent to t-rays, so that the silicon circuit as well as the metal leads can be made out inside the package. T-ray image of an AT&T SmartCard. The inductive loops for powering as well as some of microchips inside can be seen through the plastic pac

18、kage. T-ray images of (left to right) a freshly cut leaf, two-day old leaf, color bar. Water absorbs t-rays, so the t-rays map out the water distribution inside the fresh leaf, left. The water distribution is clearly changed in the same leaf after 48 hours, center. Water has selectively evaporated f

19、rom the leaf. Color bar, right, indicates the relative water concentration inside the leaves. T-ray image of a piece of bacon. White colors in this image correspond to no absorption, and red correspond to strong absorption of t-rays. The fatty portions of meat are almost transparent to t-rays, while

20、 the lean portions absorb roughly 25 times as much t-rays. which are designed and constructed at the Submillimeter-Wave Technology Laboratory (STL), provide radar signature data at X-, Ka-, and W-bands, and can be customized for other radar frequencies.（2） 微波元器件及整機不斷向小型化、寬頻帶發(fā)展。（IC-SOC) 微波元器件經(jīng)歷了從電真空器

21、件到半導(dǎo)體微波器件、從分離元件到集成電路的發(fā)展過程; 目前正開發(fā)研究超導(dǎo)微波元器件（高溫超導(dǎo)微波電路）。 整機設(shè)備不斷向體積小、重量輕、寬頻帶、可靠性高和壽命長方向發(fā)展。THz混頻器Schottky-barrier diode 混頻器 (半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)）SIS混頻器 (超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)）約瑟夫森（Josephson）混頻器HEB混頻器(熱電子輻射混頻器）UWB Antenna (1)Printed circular disc monopole with a microstrip line feed Antenna photo Return loss UWB Antenna (2)Printed ci

22、rcular disc monopole with a CPW feed Antenna photo Return loss Semi-smart antenna technology:Conventional cellular coverageExcessively high traffic in one cell leads to lost callsbut with semi-smart antennas“Hotspot” cell reduced in sizeSurrounding cells adjust co-operativelyTypical coverage shapes

23、showing adaptive contraction of busy cells蜂窩電話個人通信系統(tǒng)無線局域數(shù)據(jù)網(wǎng)直播衛(wèi)星GPSRFID超寬帶無線通信微波遙感光通信，光集成、光傳感微波與光導(dǎo)波技術(shù)：都是被導(dǎo)電磁波，研究對象所涉及的波長均與器件尺寸可比或小于器件尺寸，因此微波和光導(dǎo)波所依據(jù)的基本理論、基本方法相同或相近，以maxwell方程為基礎(chǔ)的宏觀電磁理論是它們共同的最基本、最重要的研究方法Lidar: a light-radar A Lidar is a particular, light radar. This instrument sends a pulse of light to

24、 the target body and measures the round trip time required for the light signal to travel to and from the bounce point on the target body. By measuring this so-called light travel time, the distance between the spacecraft and target body can be accurately determined. This instrument is often used to define the shape of the target body and to help navigate the spacecraft when it is in close proximity to the target body. 4 微波技術(shù)的基本內(nèi)容和研究方法本課程的基本內(nèi)容 微波技術(shù)是研究微波信號的產(chǎn)生、傳輸、變換、發(fā)