第1次課微波技術(shù)基礎(chǔ)

微波技術(shù)基礎(chǔ)詹銘周副教授mzzhan@

科研樓C305：61831021第1課緒論P(yáng)1~P5內(nèi)容：1、微波的定義（頻率或波長(zhǎng)的范圍）；2、微波頻段的劃分（波段代號(hào)）；3、微波的特性；4、微波的應(yīng)用；5、微波輻射的危害與標(biāo)準(zhǔn)；6、微波技術(shù)基礎(chǔ)關(guān)注的內(nèi)容。1、微波的定義定義：波長(zhǎng)在1m～0.1mm的電磁波，對(duì)應(yīng)頻率范圍為300MHz～3000GHz。波段細(xì)分：分米波：300MHz～3GHz，1m～10cm厘米波：3GHz～30GHz，10cm～1cm毫米波：30GHz～300GHz，1cm～1mm太赫茲波：300GHz～3THz，1mm～0.1mm電磁頻譜分布圖2、微波波段劃分源于第二次世界大戰(zhàn)期間，為了保密和描述方便，用大寫(xiě)英文字母表示工作雷達(dá)的工作波段。德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)有自己的雷達(dá)波段標(biāo)準(zhǔn)，而且不同于其他國(guó)家的劃分，似乎是界于美國(guó)與德國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)之間。波段類型波長(zhǎng)[cm]頻率[GHz]A米波

<0.25B米波

0.25-0.5C分米波30-600.5-1D分米波15-301-2E分米波30-602-3F分米波15-303-4G分米波7.5-154-6H厘米波4-56-8I厘米波3-48-10J厘米波1.5-310-20K厘米波0.75-1.520-40L毫米波0.5-0.7540-60M毫米波0.3-0.560-100歐洲新標(biāo)準(zhǔn)下的部分波段表波段代號(hào)標(biāo)稱波長(zhǎng)[cm]頻率范圍[GHz]波長(zhǎng)范圍[cm]L221-230-15S102-415-7.5C54-87.5-3.75X38-123.75-2.5Ku212-182.5-1.67K1.2518-271.67-1.11Ka0.827-401.11-0.75U0.640-600.75-0.5V0.460-800.5-0.375W0.380-1000.375-0.3我國(guó)現(xiàn)用微波分波段代號(hào)BandFrequencyRangeOriginofNameP

250to1000MHz

由于最早的雷達(dá)使用的是米波，這一波段被稱為P波段（P為Previous的縮寫(xiě)，即英語(yǔ)“以往”的字頭)。L1to2GHz最早用于搜索雷達(dá)的電磁波波長(zhǎng)為23cm，這一波段被定義為L(zhǎng)波段（英語(yǔ)Long的字頭），后來(lái)這一波段的中心波長(zhǎng)變?yōu)?2cm。S

2to4GHz

當(dāng)波長(zhǎng)為10cm的電磁波被使用后，其波段被定義為S波段(英語(yǔ)Short的字頭，意為比原有波長(zhǎng)短的電磁波）。短波通信的“短”(3-30MHz).C4to8GHz為了結(jié)合X波段和S波段的優(yōu)點(diǎn)，逐漸出現(xiàn)了使用中心波長(zhǎng)為5cm的雷達(dá)，該波段被稱為C波段（C即Compromise，英語(yǔ)“結(jié)合”一詞的字頭）。X8to12GHz在主要使用3cm電磁波的火控雷達(dá)出現(xiàn)后，3cm波長(zhǎng)的電磁波被稱為X波段，因?yàn)閄代表座標(biāo)上的某點(diǎn)。Ku

12to18GHz

Kufor“kurz-under”.避開(kāi)吸收峰。K

18to26GHz

在英國(guó)人之后，德國(guó)人也開(kāi)始獨(dú)立開(kāi)發(fā)自己的雷達(dá)，他們選擇1.5cm作為自己雷達(dá)的中心波長(zhǎng)。這一波長(zhǎng)的電磁波就被稱為K波段（K=Kurtz，德語(yǔ)中“短”的字頭）?！安恍摇钡氖?，德國(guó)人以其日爾曼民族特有的“精確性”選擇的波長(zhǎng)可以被水蒸氣強(qiáng)烈吸收。Ka26to40GHzKafor“kurz-above”.避開(kāi)吸收峰。Q30to50GHzU40to60GHzV50to75GHzVfor"very"highfrequencyband(nottobeconfusedwithVHF)E60to90GHzW75to110GHzWfollowsVinthealphabetF110to140GHzG140to220GHzD110to170GHzR220to325GHz家用電器也有“波段”無(wú)線電通信與廣播（頻道）電視頻道無(wú)線電委員會(huì)已經(jīng)將有限的頻率資源劃分了各自的應(yīng)用領(lǐng)域。以免系統(tǒng)之間的相互干擾。各頻段典型的應(yīng)用如下表所示。SystemFrequencyrangeRFIDsystems125to134kHz

13.56MHz

UHF(400to930MHz)

2.45GHz

5.8GHzAMradio(UnitedStates)535kHzto1.7MHzShortwaveradio5.9to26.1MHzCitizen'sband(CB)radio(40channels)26.96to27.41MHzRadiocontrolledairplanes27.255MHz(sharedwithCBchannel23)Broadcasttelevisionchannels2-654to88MHzFMradio88to108MHzBroadcasttelevision,channels7-13174to220MHzGaragedooropeners,alarms~40MHzCordlessanalogphones40-50MHzBabymonitors49MHzSystemFrequencyrangeRadiocontrolledairplanes~72MHzRadiocontrolledcars~75MHzRemotekeylessentry(RKE)systems,tirepressuremonitoringsystems(TPMS)315or433MHzRFIDUHF433MHzUHFtelevision(channels14-83)470to890MHzWildlifetrackingcollars,bankmoneydyepacksnotafrequencyyouwanttotransmit...215to220MHzPersonalLocatorBeaconsandotheremergencybeacons.406MHzCordlessphones864to868MHz

944to948MHzIndustrial,medical&scientific(ISM)bandEuropeincludingRFID866-870MHzCellphones(GSM)824to960MHzSystemFrequencyrangeIndustrial,medical&scientific(ISM)bandUnitedStatesincludingRFID902to928MHzAirtrafficcontrolradar960to1215MHzGlobalpositioningsystem(GPS)1227.6MHz(L2band,20MHzwide)

1575.42MHz(L1band,20MHzwide)Globalstarsatellitephonedownlink

Globalstarsatellitephoneuplink1610to1625MHz

2484to2499MHzCellphones(GSM)1710to1990MHzDigitalcordlessphones1880to1900MHzPersonalhandyphonesystem(PHS)1895to1918MHzDeepspaceradiocommunications:2290to2300MHz，ku/W-bandIndustrial,medical&scientific(ISM)band2400to2483.5MHzSharedwirelessdataprotocols(Bluetooth,802.11b):2402to2495MHzMicrowaveovens2450MHzSystemFrequencyrangeSatelliteradiodownlinkXMSatellite

SiriusSatellite2330to2345MHz2332.50to2,345.00MHz

2320.00to2,332.50MHzClear(Sprint)4G2.5to2.6GHzRadioaltimeters4.2to4.4GHz802.11awirelesslocalareanetwork(WLAN)5.15to5.25GHz(lowerband)

5.25to5.35GHz(middleband)

5.725to5.825(upperband)Industrial,medical&scientific(ISM)band5.725to5.85GHzSatelliteradiouplink7.050to7.075GHzPoliceradar10.525GHz(X-band)

24.150(K-band)

33.4to36GHz(Ka-band)DirectbroadcastsatelliteTVdownlink(Europe)11.7to12.5GHzDirectbroadcastsatelliteTVdownlink(US)

forexample,Echostar'sDishNetwork12.2to12.7GHzSystemFrequencyrangeSatelliteTransmissionuplink(newstrucks,etc)inUnitedStates(thanksChris!)

14-14.5GHzAutomotiveradar,distancesensors24GHzUnlicensedwirelessGigaBit,("WiGig",aportmanteau).GibabitWirelessAllianceiscoveredbyIEEE802.11acstandard.57to64GHzAutomotiveradar,adaptivecruisecontrol76to77GHzE-band(newFCC-approvedultra-highspeeddatacommunicationsband)71to76GHz,81to86GHzand92to95GHz防撞雷達(dá)，導(dǎo)引雷達(dá)，機(jī)場(chǎng)跑道異物監(jiān)測(cè)94GHz機(jī)場(chǎng)安檢，高速通信，生物檢測(cè)THz3、微波的主要特性微波和低頻的無(wú)線電波、可見(jiàn)的和不可見(jiàn)的光波、X射線、γ射線一樣，本質(zhì)上都是隨時(shí)間和空間變化的、呈波動(dòng)狀態(tài)的電磁波。盡管它們的表現(xiàn)各不相同，例如可見(jiàn)光可以被人眼所感覺(jué)而其他波段則不能；X射線、γ射線具有穿透導(dǎo)體的能力而其他波段則不具有這種能力；無(wú)線電波可以穿又透濃又厚的云霧而光波則不能等，但它們都是電磁波。之所以出現(xiàn)這么多不同的表現(xiàn)，歸根結(jié)底是因?yàn)樗鼈兊念l率不同即波長(zhǎng)不同。3、微波的主要特性1）似光性和似聲性1.1

似光性：當(dāng)微波照射到某些電大物體上時(shí)，將產(chǎn)生顯著的反射和折射，就和光線的反、折射一樣。同時(shí)微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣地直線傳播和容易集中，即具有似光性。這樣利用微波就可以獲得方向性好、體積小的天線設(shè)備，用于接收地面上或宇宙空間中各種物體反射回來(lái)的微弱信號(hào)，從而確定該物體的方位和距離，這就是雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)。1.2似聲性微波的波長(zhǎng)與物體的尺寸具有相同的量級(jí)，使得微波的特點(diǎn)又與聲波相近，具有繞射和散射現(xiàn)象，即似聲性。如微波波導(dǎo)喇叭類似與聲學(xué)的傳聲筒。如微波波導(dǎo)喇叭天線類似于聲學(xué)喇叭。2）穿透性微波照射于物體時(shí)，能深入該物體內(nèi)部的特性稱為穿透性。2.1微波能穿透電離層；

微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波（除光波外），探測(cè)外層空間的“宇宙窗口”。穿透電離層——深空探測(cè)TheAtacamaLargeMillimeter/submillimeterArray(ALMA),aninternationalpartnershipofEurope,NorthAmericaandEastAsiaincooperationwiththeRepublicofChile,isthelargestastronomicalprojectinexistence.ALMAwillbeasingletelescopeofrevolutionarydesign,composedinitiallyof66highprecisionantennaslocatedontheChajnantorplateau,5000metersaltitudeinnorthernChile.2.2穿透云、雨、植被、積雪、煙塵和地表層；

全天候、全天時(shí)工作能力，遙感技術(shù)的重要波段。2.3穿透生物體；

微波能穿透生物體，成為醫(yī)學(xué)檢測(cè)和透熱療法的重要手段；2.4穿透等離子體

再入遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器重返大氣層時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和末端制導(dǎo)的重要手段。再入遠(yuǎn)程導(dǎo)彈速度可達(dá)12000km/h，彈體外表高溫，空氣電離化。3）非電離性（非離子化輻射）微波的量子能量不夠大，因而不會(huì)改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞其分子的化學(xué)鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。而由物理學(xué)可知，分子、原子和原子核在外加電磁場(chǎng)的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因此微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。最受關(guān)注的是電磁輻射的生物效應(yīng)。離子化輻射會(huì)破壞分子結(jié)構(gòu)；非離子化輻射僅有加熱作用，使分子運(yùn)動(dòng)。紫外線以上3、非電離性（非離子化輻射）電磁波能量的載體是光子。頻率越高，光子的能量就越大。當(dāng)光子能量高到足夠使被照射物質(zhì)的電子發(fā)生躍遷時(shí)，稱為離子化輻射。比如，工作在2.45GHz的微波爐，工作時(shí)，每個(gè)光子的能量為0.00001eV，僅是離子化輻射所需能量的百萬(wàn)分之一。微波輻射的危害主要在于加熱性。日光浴的致癌幾率遠(yuǎn)大于微波輻射。為什么X射線小劑量就會(huì)對(duì)人造成傷害，而微波要大劑量才會(huì)？4）信息性微波的頻率很高，所以在不太大的相對(duì)帶寬下，其可用的頻帶很寬，這意味著微波的信息容量大。是低頻無(wú)線電波無(wú)法比擬的?！⒉夹g(shù)主要應(yīng)用之處?。?！UnlicensedwirelessGigaBit,("WiGig",aportmanteau).GibabitWirelessAllianceiscoveredbyIEEE802.11acstandard.57to64GHz該頻段的開(kāi)發(fā)是目前微波技術(shù)的熱點(diǎn)之一！“要實(shí)現(xiàn)數(shù)Gbps以上速率的唯一方法就是利用毫米波。”微波的大氣吸收特性（海拔）電磁波的大氣吸收特性（海平面）微波頻段10GHz以下，大氣衰減對(duì)微波的影響很小。5）微波的大氣傳播特性5.1氧氣和水蒸氣對(duì)微波頻率會(huì)產(chǎn)生選擇性的吸收和散射，在毫米波頻段尤為突出；→大氣層之外衰減很小。5.2氧氣分子諧振引起的吸收峰出現(xiàn)在60GHz和120GHz附近，而由水蒸氣諧振引起的吸收峰在22GHz和183GHz附近。5.3四個(gè)傳播衰減相對(duì)較小的“窗口頻率”，其中心頻率分別在35、94、140和220GHz，相應(yīng)波長(zhǎng)分別為8.6、3.2、2.1和1.4mm；5.4隨著電磁波的工作頻率升高，總的衰減呈上升趨勢(shì)。小結(jié)微波的主要特性：似光性和似聲性穿透性非電離性信息性————————————————————微波的大氣傳播特性（窗口頻率）這些特性是紅外與光波頻段的電磁波所不具備的。4、微波的應(yīng)用（從家中廚房到宇宙太空）在介紹微波特性的時(shí)候，已經(jīng)隨機(jī)地介紹了某些典型應(yīng)用。歸納如下：微波的應(yīng)用：4.1信息載體傳統(tǒng)應(yīng)用——雷達(dá)、通信、導(dǎo)航/定位、遙感、測(cè)量、交通管制和目標(biāo)特性分析等軍民用領(lǐng)域。4.2微波能微波能——強(qiáng)功率和弱功率應(yīng)用。4.1信息載體雷達(dá)(1930)（包括導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)）

1.目前95％以上的雷達(dá)工作在微波頻段 ——微波雷達(dá)；

2.微波工作的雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)：

可以使用尺寸較小的天線，來(lái)獲得很窄的波束寬度，以獲取關(guān)于被測(cè)目標(biāo)性質(zhì)的更多的信息——幅度、頻率、相位、極化、多普勒頻率等信息。微波傳輸用的波導(dǎo)就雷達(dá)波段而言UHF用于超遠(yuǎn)程警戒；L波段用于定位、遠(yuǎn)程警戒、空中交通管制；S波段用于中程警戒、機(jī)場(chǎng)交通管制、遠(yuǎn)程氣象觀測(cè)；C波段用于遠(yuǎn)程跟蹤、機(jī)載氣象觀測(cè)；X波段用于遠(yuǎn)程跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、測(cè)繪、機(jī)載攻擊；Ku波段用干地形測(cè)繪、衛(wèi)星測(cè)高度，汽車防撞；Ka用于精確制導(dǎo)；E波段可用于汽車防撞雷達(dá)等；W波段測(cè)速、精確制導(dǎo)，機(jī)場(chǎng)異物檢測(cè)等。4.1信息載體通信

1.微波具有頻率高、頻帶寬和信息量大的特點(diǎn)；

2.應(yīng)用業(yè)務(wù)包括：微波多路通信、微波中繼通信、散射通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信和無(wú)線局域網(wǎng)等。4.1信息載體機(jī)場(chǎng)安檢美國(guó)交通安全實(shí)驗(yàn)室主任SusanHallowell。（2003年）——本土安全。類似系統(tǒng)已裝備多機(jī)場(chǎng)，已成為必須的安檢手段。4.2微波能高功率應(yīng)用微波爐微波加熱的是一些能夠吸收微波的吸收性介質(zhì)，即含有極性分子的介質(zhì)材料。當(dāng)有極性分子的介質(zhì)材料置于微波電磁場(chǎng)中時(shí)，介質(zhì)材料中會(huì)形成偶極子或已有的偶極子重新排列，在交變電磁場(chǎng)的作用下，并隨著高頻交變電磁場(chǎng)以每秒高達(dá)數(shù)億次的速度擺動(dòng)，分子要隨著不斷變化的高頻電場(chǎng)的方向重新排列，就必須克服分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和分子相互間作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生類似于摩擦的作用，產(chǎn)生大量的熱量。由于微波頻率高，極性分子擺動(dòng)速度很快，因此，快速加熱是微波加熱的突出特點(diǎn)。4.2微波能高功率微波能武器1、用于反恐（見(jiàn)視頻）2、破壞電子設(shè)備，癱瘓有生力量共振——在微波電磁場(chǎng)的作用下，生物體內(nèi)的一些分子將會(huì)產(chǎn)生變形和振動(dòng)，使細(xì)胞膜功能受到影響，使