雷達(dá)射頻微波器件及電路 課件 第0章 緒論

緒論0.1電磁波的特性參數(shù)0.2雷達(dá)的工作頻率及射頻器件和電路0.3分貝的概念小結(jié)

0.1電磁波的特性參數(shù)

電磁波總是沿著與電場(chǎng)和磁場(chǎng)垂直的方向傳播。電場(chǎng)電力線指向、磁場(chǎng)磁力線指向及電磁波的傳播方向三者符合右手螺旋關(guān)系，如圖

0-1

所示。雷達(dá)發(fā)射的電磁波又稱為雷達(dá)波，是電磁輻射的一種形式。描述電磁波特性的參數(shù)有傳播速度、頻率、周期、波長(zhǎng)和相位等。

圖

0-1

電磁波的傳播

1.

傳播速度

電磁波在真空中以恒定的速度傳播，傳播速度為光速，用字母c表示，c=

3×108m/s。

電磁波在空氣、水等媒質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度v與媒質(zhì)的特性有關(guān)，計(jì)算公式如下：

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度；εr是表征媒質(zhì)絕緣性能的物理量，稱為相對(duì)介電常數(shù)；μr是表征媒質(zhì)磁導(dǎo)性能的物理量，稱為相對(duì)磁導(dǎo)率。

2.

頻率

電磁波的頻率是指交變電磁場(chǎng)單位時(shí)間(1s)內(nèi)完成變化的次數(shù)或周數(shù)，即電磁波每秒鐘上下波動(dòng)的次數(shù)或每秒鐘出現(xiàn)波峰的次數(shù)，常用字母f表示。如圖

0-2

所示，電磁波每秒鐘出現(xiàn)

5

次波峰，所以頻率為

5

Hz。

圖

0-2

頻率的定義

例如，市電頻率為

50-Hz，表示單位時(shí)間(即

1

ｓ)內(nèi)電磁波振動(dòng)的次數(shù)為

50-次。比較圖0-3(a)和圖

0-3(b)所示的兩個(gè)波形(橫軸為時(shí)間軸)，相同時(shí)間內(nèi)，圖

0-3(b)所示波形振動(dòng)次數(shù)高于圖

0-3(a)所示波形振動(dòng)次數(shù)，由頻率的定義可知，圖

0-3(b)所示波形的頻率高于圖

0-3(a)對(duì)應(yīng)的波形頻率。由此可知，時(shí)間軸上波形越密集，對(duì)應(yīng)頻率越高；波形越稀疏，對(duì)應(yīng)頻率越低。

圖

0-3

不同頻率波形對(duì)比

常用頻率的單位有赫茲(Hz)、千赫茲(kHz)、兆赫茲(MHz)及吉赫茲(GHz)等。頻率的國際單位制(SI)單位為赫茲(Hz)，其命名是為了紀(jì)念德國物理學(xué)家海因里?！ず掌潱状斡脤?shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。各種頻率單位之間的關(guān)系為

3.

周期

電磁波的周期是指交變電磁場(chǎng)完成一次變化所需的時(shí)間，常用字母

Ｔ

表示。周期與頻率成倒數(shù)關(guān)系，即

4.

波長(zhǎng)

電磁波的波長(zhǎng)是指電磁波在一個(gè)周期內(nèi)所傳播的距離，常用字母λ表示。如圖

0-4所示，電磁波的波長(zhǎng)是順著電磁波傳播方向，兩個(gè)相鄰的同相位點(diǎn)(如波峰或波谷)

之間的距離。

圖

0-4電磁波的波長(zhǎng)

顯然，電磁波的波長(zhǎng)等于電磁波的傳播速度與周期的乘積，也等于電磁波的傳播速度與頻率的比值，即

由于空氣中電磁波的傳播速度

v可視為常數(shù)c，因此只要知道電磁波的頻率，便可由式(0-3)計(jì)算出它的波長(zhǎng)。反之，知道了電磁波的波長(zhǎng)，也能計(jì)算出它的頻率。由此可知，空氣中電磁波的波長(zhǎng)與頻率間的關(guān)系為

由式(0-4)和式(0-5)可看出，電磁波的頻率和波長(zhǎng)兩者成反比關(guān)系：頻率越高，波長(zhǎng)越短；頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)。電磁波隨時(shí)間和空間而變化，圖

0-5

所示為某一時(shí)刻兩個(gè)不同頻率的電磁波傳播的情況。可以看出，波長(zhǎng)越短(即波峰與波峰間隔越近)，在給定時(shí)間內(nèi)通過指定點(diǎn)的電磁波周期數(shù)就越多，即頻率越高。

由于波長(zhǎng)表示的是一種距離，因此它的單位為長(zhǎng)度單位。常用的波長(zhǎng)單位有米(m)、分米(dm)、厘米(cm)或毫米(mm)等，SI單位為米(m)。

圖

0-5

電磁波的頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系

5.

相位

電磁波的相位是描述電磁波瞬時(shí)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，一般用角度表示，因此又稱為相角，常用字母φ

表示。通常把正弦電磁波變化一周分為

360°，圖

0-6(a)所示為電場(chǎng)的變化曲線。

(1)

在

t=0時(shí)刻，電磁波的振幅為零，φ=

0°；

(2)

在

t

=

t1時(shí)刻，電磁波的振幅達(dá)到最大值，φ=

90°；

(3)

在

t

=

t2時(shí)刻，電磁波的振幅又變?yōu)榱?，?

180°；

(4)

在

t

=

t3時(shí)刻，電磁波的振幅達(dá)到最大值(反向)，φ=

270°；

(5)

在

t

=

t4時(shí)刻，電磁波的振幅又回到零，φ=

360°。

圖

0-6(b)中，按正弦規(guī)律變化的電磁波Ⅰ和電磁波Ⅱ，它們的頻率和振幅相同，但在任一時(shí)刻，兩個(gè)電磁波的狀態(tài)都不相同。在

t=0時(shí)刻，電磁波Ⅰ的振幅達(dá)到最大值，而電磁波Ⅱ的振幅為零；在

t1時(shí)刻，電磁波Ⅱ的振幅達(dá)到最大值，而電磁波Ⅰ的振幅為零。這是因?yàn)檫@兩個(gè)電磁波的相位不同，即存在相位差，由圖

0-6(b)可以看出，兩個(gè)電磁波的相位差為

90°。若兩個(gè)電磁波的相位差為

180°，則稱為反相；若相位差為

0°或

360°，則稱為同相。

圖

0-6

電磁波的相位和相位差

例

0.1

已知電磁波在空氣中傳播的頻率為

10

GHz，求波長(zhǎng)。

解

由題意知，電磁波的頻率f=10GHz

=

10×109

Hz

=

1010Hz，空氣中電磁波的傳播速

度近似為光速c，則由式(0-4)可得

即頻率為

10

GHz

的電磁波對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為

3

cm。

例

0.2

已知電磁波在空氣中傳播的波長(zhǎng)為

10

cm，求頻率。

解

由題意知，電磁波的波長(zhǎng)λ=10

cm=0.1

ｍ，空氣中電磁波的傳播速度近似為光速c，則由式(0-5)可得

即波長(zhǎng)為

10cm

的電磁波對(duì)應(yīng)的頻率為

3

GHz。

0.2

雷達(dá)的工作頻率及射頻器件和電路

1.

雷達(dá)的工作頻率雷達(dá)的基本工作原理示意圖如圖

0-7

所示，雷達(dá)發(fā)射一定頻率的電磁波，并接收距離雷達(dá)R處目標(biāo)反射回來的回波，根據(jù)回波判定目標(biāo)的某些狀態(tài)。

圖

0-7

雷達(dá)的基本工作原理示意圖

1)

雷達(dá)工作頻率的選擇

雷達(dá)發(fā)射的電磁波的頻率就是雷達(dá)的工作頻率。工作頻率對(duì)雷達(dá)起著至關(guān)重要的作用。選擇雷達(dá)的工作頻率時(shí)，要對(duì)幾項(xiàng)因素進(jìn)行權(quán)衡，主要的因素有：雷達(dá)的尺寸、角分辨率、大氣衰減、多普勒頻移和雷達(dá)環(huán)境噪聲等。

頻率越低，電磁波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，產(chǎn)生發(fā)射電磁波的發(fā)射管的尺寸就越大，同時(shí)發(fā)射管的重量也就越重；反之，頻率越高，發(fā)射管的尺寸就越小，重量也就越輕，這樣發(fā)射管即可用于一些空間受限的場(chǎng)合(如機(jī)載雷達(dá))。

多普勒頻移不僅與目標(biāo)和雷達(dá)的接近速度成正比，而且與電磁波的頻率成正比，頻率越高，多普勒頻移越顯著。但是，過大的多普勒頻移有時(shí)也會(huì)造成麻煩，所以在某些場(chǎng)合需要限制雷達(dá)的工作頻率。而在另一些場(chǎng)合，需要選擇相當(dāng)高的工作頻率，以提高多普勒測(cè)速的靈敏度。

雷達(dá)的回波信號(hào)受到噪聲的干擾，這些噪聲一方面來自雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)部，另一方面來自背景噪聲。背景噪聲主要包括宇宙電磁輻射和大氣噪聲。宇宙噪聲在低頻段較高，而大氣噪聲在高頻段較高。很多雷達(dá)的噪聲主要來自雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)部，但當(dāng)需要探測(cè)范圍很大的雷達(dá)而使用低噪聲的接收機(jī)時(shí)，背景噪聲就占據(jù)主導(dǎo)地位。

2)

雷達(dá)工作頻率的劃分

在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國軍方開始在雷達(dá)等方面使用微波頻段。出于安全考慮，微波區(qū)的每個(gè)頻段用一個(gè)拉丁字母命名。常用微波頻段的劃分如表

0-1

所示。

常用的

5

個(gè)雷達(dá)的工作頻段通常用中心頻率的波長(zhǎng)表示，如表

0-2

所示。雷達(dá)饋線和前端器件及天線尺寸等與雷達(dá)波長(zhǎng)息息相關(guān)，有必要對(duì)常用

5

個(gè)雷達(dá)工作頻段對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)有確切的認(rèn)識(shí)。如圖

0-8

所示為常用雷達(dá)頻段波長(zhǎng)對(duì)比圖。

圖

0-8

常用雷達(dá)頻段波長(zhǎng)對(duì)比圖

2.

射頻器件和電路

大多數(shù)的雷達(dá)工作于微波頻段，因此在雷達(dá)發(fā)射機(jī)及接收機(jī)中使用了大量的微波器件。為區(qū)別于雷達(dá)中的中頻及視頻信號(hào)，將工作于雷達(dá)工作頻率的各種器件和電路稱為射頻器件和電路。

各種微波器件和電路構(gòu)成了微波系統(tǒng)，如圖

0-9

所示。從圖

0-9

中可以清楚地看出微波電路在系統(tǒng)中的核心作用以及微波電路的種類。

圖

0-9

微波系統(tǒng)組成框圖

微波振蕩器、微波放大器、微波混頻器、上變頻器與倍頻器、微波控制電路(開關(guān)、衰減、移相、調(diào)制等)都屬于有源電路，也稱為微波電子線路。有源電路的共同特點(diǎn)是必須有需要供電的核心電真空或半導(dǎo)體器件，也稱為微波電子器件。半導(dǎo)體器件有肖特基二極管、變?nèi)荻O管、階躍恢復(fù)二極管、雪崩管、體效應(yīng)管、PIN管、雙極晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等。微波電真空器件在大功率、高頻率方面至今仍占獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如磁控管、行波管、速調(diào)管等。它們是集器件、電路、供電系統(tǒng)于一身的自成獨(dú)立的復(fù)雜系統(tǒng)。

微波無源元件簡(jiǎn)稱為微波元件，如匹配負(fù)載、短路活塞、波導(dǎo)電抗元件(膜片、窗孔、銷釘、螺釘?shù)?、衰減器、移相器、阻抗匹配器、轉(zhuǎn)換器、濾波器、諧振器、功率分配器、環(huán)行器、隔離器、定向耦合器等。它們起低頻電路中電阻、電感、電容、電位器、繼電器等基本元件的作用，但其功能及發(fā)生在元件內(nèi)的物理過程比低頻元件復(fù)雜得多。

微波元件的主要特點(diǎn)是具有分布參數(shù)，雖然有些微波元件在一定條件下可用集總參數(shù)元件等效，但其基本理論體系是建立在微波傳輸線理論基礎(chǔ)上的另一套全新體系。微波電路的最大魅力在于：同一網(wǎng)絡(luò)功能的電路可以用不同種類的傳輸線和各種不同的元器件組合實(shí)現(xiàn)，因而其成本、性能、結(jié)構(gòu)差異非常大。

0.3

分

貝

的

概

念

如圖

0-10

所示的二端口網(wǎng)絡(luò)，假定兩個(gè)端口的電壓分別是

U1和

U2

，則該電路的電壓增益(或損耗)ＧU用分貝(dB)表示為

圖

0-10-二端口網(wǎng)絡(luò)及端口電壓

如圖

0-11

所示，假定兩個(gè)端口的功率電平分別是

P1和

P2

，則該電路的功率增益(或損耗、隔離)G用分貝(dB)表示為圖

0-11

二端口網(wǎng)絡(luò)及端口功率

由以上定義可以看出，分貝實(shí)際上是對(duì)數(shù)值，因此可以用比較小的數(shù)值來表示非常大的比值，從而可以清楚地表示非常大的數(shù)量變化。在后續(xù)計(jì)算多部件系統(tǒng)的整體增益(如級(jí)聯(lián)的放大器)時(shí)，可以直接用各部件的增益(分貝)相加而求得，計(jì)算極其簡(jiǎn)單。

例

0.3

假設(shè)圖

0-11

所示二端口器件為一個(gè)放大器，其輸入功率為

10mW，輸出功率為

20mW，則該放大器輸出功率為輸入功率的多少倍？

對(duì)應(yīng)增益(dB)是多少？

例

0.4

假設(shè)圖

0-11

所示二端口器件為一段傳輸微波信號(hào)的傳輸線，若其輸入功率為10mW，輸出功率為

8mW，則該傳輸線的損耗是多少？

結(jié)果為負(fù)，說明功率減小，稱為損耗，即該傳輸線的損耗為1dB(這種損耗也稱為插入損耗)。

小

結(jié)

(1)

變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)不斷地交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)以有限的速度在空間傳播，形成電磁波。(2)

描述電磁波特性的參數(shù)有傳播速度、頻率、周期、波長(zhǎng)和相位。(3)

雷達(dá)發(fā)射的電磁波的頻率就是雷達(dá)的工作頻率。(4)