微波與毫米波技術基本知識

關于微波與毫米波技術基本知識第1頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三提綱概述1電磁場與電磁波2無線電波傳播特性4毫米波的特點5無線電系統(tǒng)組成6毫米波應用(測速雷達有關問題)第2頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三概述我們周圍充斥著無線電波，學名叫“電磁波”，例如：電視、廣播、通信、雷達、導航、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。第3頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三無線電系統(tǒng)組成發(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）第4頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三概述本講座介紹無線系統(tǒng)的射頻部分相關知識，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，使學員建立電磁場與微波技術的基本概念，奠定設計、調(diào)試微波部件和子系統(tǒng)的技術基礎。第5頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三一、電磁場與電磁波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。第6頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三電磁場的概念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、科學實驗中觀察分析后發(fā)現(xiàn)新的事物；（2）從科學理論出發(fā)，預言新的事物存在。電磁波的發(fā)現(xiàn)，屬于后一種。第7頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三電磁場的概念源于麥克斯韋的預言麥克斯韋的預言：如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場，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，這就是電磁場第8頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三麥克斯韋預言麥克斯韋提出了有旋電場的概念和位移電流的假設，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）的適當數(shù)學工具，得到了描述電磁場特性的規(guī)律，并預言了電磁波的存在——這就是著名的麥克斯韋方程。10年后，他的學生赫茲用實驗方法證實了麥克斯韋的偉大預言，發(fā)射并接收了電磁波，從而開創(chuàng)了無線電技術的新時代。

第9頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

麥克斯韋預言麥克斯韋的理論要點之一

——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。第10頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

麥克斯韋預言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：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。第11頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

麥克斯韋預言麥克斯韋根據(jù)自己的理論進一步預言：如果在空間某域中有周期性變化的電場，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……

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。第12頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

麥克斯韋預言麥克斯韋預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)磁感應強度（或電場強度）的變化量相等，或者說磁感應強度（或電場強度）對時間變化率一定.第13頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三

麥克斯韋預言（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。第14頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三電磁波

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。第15頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三電磁波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)＝2π/λ第16頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三麥克斯韋方程(微分形式）法拉第電磁感應定律安培全電流定律磁通連續(xù)性高斯定律三個組成關系：電荷守恒定律第17頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三麥克斯韋方程（積分形式）法拉第電磁感應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第18頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三電磁場量和電路量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系：第19頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三電磁場和電路定律將麥氏方程改寫成電路方程：法拉第電磁感應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第20頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三電磁場和電路定律用求和表示積分：克?；舴螂妷憾桑姶鸥袘桑┛讼；舴螂娏鞫桑姾墒睾愣桑┑?1頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三電磁頻譜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。第22頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三常用頻段稱呼射頻(RF)：1MHz-1GHz(廣義射頻指無線電頻率）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：0.76－0.4μm第23頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三表1無線電頻段劃分名稱長波中波短波超短波(VHF)微波和毫米波頻率15－100kHz100－1500kHz1.5－30MHz30－300MHz300MHz以上波長20km－3km3km－200m200m－10m10m－1m1m以下第24頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三表2微波頻段劃分(UHF)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133.2-76.9cm76.9-19.3cm19.3-7.69cm7.69-4.35cm4.35-2.42cm2.42-1.67cm1.67-1.13cm第25頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三表3毫米波頻段(EHF)名稱KaQUVEWFDG頻率GHz26.5-4033-5040-6050-7560-9075-11090-140-110-170140-220波長mm11.3-7.59.1-67.5-56-45-3.34-2.73.3-2.12.7-1.72.1-1.4大氣透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz大氣吸收頻段：60GHz，120GHz,185GHz第26頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三二、無線電波傳播特性長波在地面與電離層下邊界之間形成的“球形波導”內(nèi)以空間波形式傳播；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。第27頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三無線電波傳播特性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。第28頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三無線電波傳播特性對流層的上界被稱為對流層頂，在赤道上空為16－18公里，在溫帶緯度為10－12公里，而在極地地區(qū)為7－10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約50－60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。第29頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三無線電波傳播特性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合過程。實際上,電離與復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、負離子的復合體。因此,電離層要受到太陽活動的影響，因而白天和夜晚差別較大。第30頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三無線電波傳播特性

電離層基本結(jié)構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。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。第31頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三無線電波傳播特性

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系。

大氣電參數(shù)的不均勻性、氣候和天氣現(xiàn)象會導致傳播媒質(zhì)與其中傳播的無線電波發(fā)生作用，產(chǎn)生如下效應：（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。第32頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三大氣對無線電波的衰減第33頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三地球曲率的影響當R≤0.8Rmax時，屬于視線區(qū)，當，為半陰影區(qū)，當，則為陰影區(qū)。視距第34頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三地球曲率的影響第35頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三雷達回波的多徑效應

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，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?shù)孛娌黄秸叨取鱤滿足下式（瑞利準則）時，地面可視為平坦的，可按鏡面考慮：其中θ是電磁波的入射余角，即與地面夾角。第36頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三正向波束與來自地面的反射波束的干涉（平坦地面）第37頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三平坦地面的影響平坦地面的干涉因子雷達接收的信號與天線高度和距離有關，可用干涉因子Φ表示。第38頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三毫米波在地球大氣中衰減的物理原因◆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?！舸髿鈿怏w的吸收具有雙重特性：

非諧振吸收和諧振吸收—

在10GHz頻率以上尤為明顯。第39頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三雨、霧、云和冰雹的衰減

◆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)。第40頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三各種強度雨的主要特性雨的類型

雨的強度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

第41頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三路徑衰減γд與雨的強度I的關系1–30GHz2–40GHz3–80GHz4–100GHz5－250GHz

第42頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三雪的衰減a)圖：1–35GHz，2–95GHz，3–140GHz，4–217GHz上的路徑衰減γ與降雪ρ的關系；b)圖：1－140GHz頻率上的路徑衰減γ與等效降雪強度(I)的關系；2－毫米波在140GHz頻率上的路徑衰減γ與降雨強度(I)的關系

第43頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三毫米波頻段的特點毫米波介于微波、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?！粼诤撩撞l段，由大氣中的水蒸汽和氧分子引起的衰減與頻率有關，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。

第44頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三毫米波的特點

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——在進行目標導航、定位和跟蹤時，實現(xiàn)目標在空間上的更高定位精度；◆目標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。第45頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三毫米波的特點◆在毫米波頻段，由于信道和無線電電子設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?！舳嗥绽疹l移高，易于提取；在相參毫米波雷達系統(tǒng)中，在雜波背景下實現(xiàn)更高的目標速度分辨率和更佳的目標可觀測性。第46頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三毫米波的特點◆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域開辟了新天地，也為目標識別增加了手段。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)。

第47頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線基本知識天線是能量變換器：將空間的電磁波能量變換為傳輸能量，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。第48頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的特性參數(shù)（1）增益（2）輻射方向圖（3）輸入駐波系數(shù)（4）極化第49頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的特性參數(shù)

——輻射方向圖

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。第50頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的輻射特性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：（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。第51頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的特性參數(shù)

——方向性系數(shù)和增益方向性系數(shù)增益＝方向性系數(shù)╳效率第52頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的特性參數(shù)

——極化

⊙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）橢圓極化波第53頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的極化特性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δ：Ex=E1sin(wt)

Ey=E2sin(wt+δ)“瞬時”合成矢量的端點軌跡是一個橢圓方程：第54頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的極化特性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（長軸與短軸之比）；（2）傾角（參考方向與橢圓長軸間的交角，當沿傳播方向觀察是，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。第55頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的極化特性當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接收的功率之比。第56頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的特性參數(shù)

——輸入駐波系數(shù)

天線的輸入阻抗是天線在饋電點的電壓與電流的比值。天線阻抗設計的目的就是要提供一匹配阻抗，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，Γ是反射系數(shù)第57頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三天線的基本類型（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。第58頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三微帶天線和微帶天線陣在一個薄介質(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。第59頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三微帶天線和微帶天線陣微帶天線單元的增益一般只有6dB－8dB。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。第60頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三微帶天線和微帶天線陣第61頁，講稿共69頁，2023年5月2日，星期三微波/毫米波系統(tǒng)構成

傳輸線及不連續(xù)性無源和有源器件(半導體或電真空)

微波部件微波模塊微波系統(tǒng)第