微波技术与天线第0章绪论.ppt
微波技术与天线,授课教师：耿志卿,课程性质：本课程为考查课,学科基础：电路理论，电磁场与电磁波,考核形式：开卷考试or大作业缺勤一次扣3分，作业未交一次扣三分，总共累计4次及以上按挂科处理。特殊情况需提供导员签字的请假条，按出勤计算。上课回答问题正确：额外奖励3分。全勤奖：点名全到，作业全交，额外奖励5分。（不包括请假并提供假条者。）,教学参考书,2、微波技术基础 全绍辉编著 高等教育出版社,1、微波技术与天线第三版 郭辉萍、刘学观编著 西安电子科技大学出版社,微波技术与相关课程之间的关系,一、微波及其特点 微波是频率非常高的电磁波，通常我们将频率为300MHz至3000GHz的电磁波称作微波，又将微波波段分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个波段。一般地说，微波在电磁波频谱中所处的位置在甚高频(UHF)和光波之间。微波在电磁波频谱中所处的位置决定了它的许多特点，并使得微波技术具有许多不同于低频电路理论和光学理论的概念及独特分析方法。,电磁波谱,30M4GHz，射频（RF）,根据电磁波频率、波长与速度的关系：f 3108 米/秒可知，微波的波长范围在1米至0.1毫米之间。整个微波频段又可以划分为几段，它们是：,常用微波波段的划分,为了充分利用微波频谱资源，避免相互干扰，国际上对各射频微波频段的用途都有一些规定。,对于低频电磁波，其波长远大于电路的实际尺寸，主要强调“路”的概念，在实际的设计与应用中，集总参数的使用相对来说占主导地位，分布参数相对来说不是很明显；对于微波，由于频率越高，波长较短，可与电系统的实际尺寸相比拟，实质上是“场”的概念在主导。由于微波波长的特殊性，它具有以下特点：1.穿透性 2.似光性 3.热效应特性 4.宽频带特性 5.抗低频干扰特性 6.散射特性 7.视距传播特性 8.电磁兼容与电磁环境污染 9.分布参数的不确定性,1.穿透性 微波照射到介质时具有穿透性，主要表现在云、雾、雪等对微波传播影响较小，这为全天候微波通信和遥感技术打下了基础；微波能穿透生物体，这为微波生物医学打下基础；另一方面，微波具有穿越电离层的透射特性，实验证明：微波波段的几个分波段如110GHz、2030GHz及91GHz附近受电离层的影响较小，可以较为容易地由地面向外层空间传播，从而成为人类探索外层空间的“无线电窗口”，它为空间通信、卫星通信、卫星遥感和射电天文学的研究提供了难得的无线电通道。,2.似光性 微波具有类似光一样的特性，主要表现在反射性、直线传播性及集束性等几个方面。由于微波的波长与地球上的一般物体（如飞机、轮船、汽车等）的尺寸相比要小得多，或在同一数量级，因此当微波照射到这些物体时会产生强烈的反射，基于此特性人们发明了雷达系统；微波如同光一样在空间直线传播，如同光可聚焦成光束一样，微波也可通过天线装置形成定向辐射，从而可以定向传输或接收由空间传来的微弱信号，实现微波通信或探测。,3.热效应特性 当微波电磁能量传送到有耗物体的内部时，就会使物体的分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热，这就是微波的热效应特性。利用微波的热效应特性可以进行微波加热，由于微波加热具有内外同热、效率高、加热速度快等特点，因而被日益广泛应用于粮食、茶叶、卷烟、木材、纸张、皮革、食品等各种行业中。另外，微波对生物体的热效应也是微波生物医学的基础。,4.宽频带特性 任何通信系统为了传递一定的信息必须占有一定的频带，为传输某信息所需的频带宽度叫做带宽。要传输的信息越多，所用的频带就越宽。通常一个传输信道的相对带宽（即频带宽度与中心频率之比）不能超过百分之几，所以为了使多路电视、电话能同时在一条线路上传送，就必须使信道中心频率比所要传递的信息总带宽高几十至几百倍。而微波具有较宽的频带特性，其携带信息的能力远远超过中短波及超短波，因此现代多路无线通信几乎都工作在微波波段。随着数字技术的发展，单位频带所能携带的信息越来越多，这为微波通信提供了更加广阔的应用前景。,5.抗低频干扰特性 地球周围充斥着各种各样的噪声和干扰，主要归纳为：由宇宙和大气在传输信道上产生的自然噪声，由各种电气设备工作时产生的人为噪声。由于这些噪声一般在中低频区域，与微波波段的频率成分差别较大，它们在微波滤波器的阻隔下，基本不会影响微波通信的正常进行。这就是微波的抗低频干扰特性。,6.散射特性 当电磁波入射到某物体上时，会在除入射波方向外的其他方向上产生散射。散射是入射波和该物体相互作用的结果，所以散射波携带了大量关于散射的信息。这个信息就是通过大气或云对阳光的散射作用而传递给人们的。由于微波具有频域信息、相位信息、极化信息、时域信息等多种信息，人们通过对不同物体的散射特性的检测，从中提取目标特性信息，从而进行目标识别，这是实现微波遥感、雷达成像等的基础。另外，还可以利用大气对流层的散射实现远距离微波散射通信。,7.视距传播特性 各波段的传播特性是不一样的，长波可沿地表传播，短波可利用电离层反射实现天波传播，而超短波和微波只能在视距内沿直线传播，这就是微波的视距传播特性。但由于地球表面的弯曲和障碍物（高山、建筑物等）的阻拦，微波不能直接传播到很远的地方去（一般不超过50km），因此在地面上利用微波进行远距离通信时，必须建立中继接力站，并使站与站之间的距离不超过视距，微波信号就像接力棒一样，一站一站地传递下去。增加了通信的复杂程度。,8.电磁兼容与电磁环境污染 随着无线电技术的不断发展，越来越多的无线设备在相同的区域同时工作，势必会相互干扰。尤其是在飞行器、舰船上不同的通信设备之间的距离极小就会相互干扰。另外，在十分拥挤的公共场合，众多的移动用户之间的相互影响也是显而易见的，这就必须考虑电磁兼容的问题。另一方面，越来越多的无线信号充斥于人们的生活空间，必然对人体产生影响。因此从某种意义上说，电磁环境污染已成为新的污染源。这一点，已引起各国政府和科技界的广泛重视。,9.分布参数的不确定性 在低频情况下，电系统的元器件尺寸远远小于电波的波长，因此稳定状态的电压和电流源效应可以被认为是在整个系统各处同时建立起来的，系统各种不同的元件可用既不随时间、也不随空间变化的参量表征，这就是集总参数元件。而微波的频率很高，电磁震荡周期极短，与微波电路中从一点到另一点的电效应的传播时间相比是可比拟的，因此就必须用随时间、空间变化的参量，即分布参量来表征。由于分布参量具有明显的不确定性，增加了微波理论与技术的难度，从而增加了微波设备的成本。,微波和微波技术的早期应用和发展是与第二次世界大战对雷达的需求分不开的。在第二次世界大战中及其战后的相当长时期内，微波产品的主要应用领域是在军事中。近几十年来，由于国际形势的变化，以及微波产品价格的下降，微波产品在民用领域也得到了广泛的应用。微波的实际应用领域和潜在应用领域是相当广泛的，我们这里只能就几个主要方面做些简单介绍。,二、微波应用领域,1、雷达(Radar=Radio Detection And Ranging)雷达是微波技术的传统应用领域。雷达、青霉素和原子弹被称为二战期间的三大科学发明。1931 年至 1935 年，英国皇家无线电研究所的科学家首先发明了雷达，当时雷达的作用距离仅为 80 公里。雷达在第二次世界大战中投入实用，并在许多重要战役中起到了决定性的作用，其中包括著名的不列颠空战和中途岛海战。由于雷达在第二次世界大战中的重要作用，第二次世界大战之后，世界各国都很重视发展雷达技术。现代雷达的种类很多，性能也日益提高，其应用领域也从军事领域向民用领域扩展。,雷达与隐形飞机,隐形飞机,雷达,英国研制独特隐形飞机的Replica计划中的隐形机模型,雷达的其它应用：,公众应用：机场监视、海上导航、气象雷达、测量学、飞机着陆、夜间防盗、速度测量（警戒雷达）、测绘等,军事应用：空间和海事导航，飞机、导弹、空间飞行器的检测和跟踪，导弹的精确制导，导弹和火炮的点火控制，武器保险、侦察等,科学应用：天文学、绘图和成像，精密距离测量，自然资源遥感等,2、信息技术领域微波通讯系统的工作频带宽、信息容量大、机动性好，特别适合于卫星通讯，宇航通讯和移动通讯等，因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位。微波、毫米波通讯系统不但频带宽、信息容量大，而且还具有便于架设、机动性好、保密性好等优点。目前常见的蜂窝移动电话、寻呼机、微波电话网、微波电视网、卫星电视网等等，都属于微波通讯系统。,3、科学研究微波作为一种科学研究的手段也得到了广泛的应用。国际计量大会确定的时间标准铯（se）133原子时钟的谱线就是处在微波频段。微波在物理学、天文学、化学、医学、气象学等科学领域里的应用导致了许多重要的科学发现和进展。所谓 20 世纪 60 年代天文学的四大发现类星体、中子星、2.7 OK 微波背景辐射和星际有机分子都是利用微波作为主要观测手段而发现的。,4、其它领域微波加热微波是一种特殊的能源，利用微波的热效应可以对一些物质进行加热。-微波炉,微波治疗微波可以对人体内的炎症、溃疡、肿瘤和其它病变产生抑制或治疗作用。目前，已经有很多类型的微波治疗仪器投入了实用。微波武器微波武器的工作原理与微波炉基本相同。高能微波束可以干扰甚至摧毁敌方的各种电子设备；可以引爆敌方的炮弹、导弹甚至核武器等；可以干扰敌方人员的神经系统和大脑的思维，可以灼伤人的眼睛和人体组织，破坏大脑、心脏和呼吸系统的工作，直至杀伤敌方的人员。微波武器、激光武器和粒子束武器被称为新一代定向能武器，它们都是光速武器，而且看不见摸不着。微波武器又是这三种新概念兵器中研制费用最低，最容易实现的一种。,在电磁波频谱中，微波的位置处于甚高频和光波之间。研究低频电磁波系统的理论有：电磁学和电子线路等等，研究光波的理论有几何光学和波动光学等等。研究微波的理论就是微波技术。概括地讲，微波技术包含两种基本分析方法：一)经典电磁理论微波技术的基本研究方法是“场解法”。场解法就是在一定的边界条件下，求解麦克斯韦方程组。从理论上讲，所有微波技术中的问题都可以用“场解法”求解。遗憾的是，除了在非常简单的边界条件下，我们可以得到封闭的场解，在某些边界条件下，可以借助于电子计算机得到数值解外（计算电磁学），在大多数的边界条件下，我们不可能得到封闭的场解。,三、微波的研究方法,二)微波网络研究方法在微波工程应用领域中，需要有简便的工程计算方法。在一定的条件下，类比于低频电路的概念，可以将本质上属于“场”的微波电路化为微波等效电路，从而使微波工程的计算和分析得到简化。对于大多数微波工程问题，我们不可能得到封闭的场解，所以，在解决微波工程问题时，需要在基本理论、基本概念和近似计算的指导下，进行大量的实验和调试。因此，可以说：基本概念和实验技能是微波技术的基本内核；清晰的基本概念和熟练的实验技能是微波工程技术人员应该具备的基本素质。,四、天线用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射天线用于发射电磁波，它将发射机通过馈线送来的高频振荡能量转换成电磁波的能量向预定的方向辐射。接收天线将在空间接收到的电磁波能量变为高频振荡能量经馈线送入接收机。无线系统均需要天线，微波天线是天线的一种。研究天线问题，实质上是研究天线在空间所产生的电磁场分布。,天线分类常规天线智能天线,智能天线：常规天线和信号处理的结合，第三代移动通信关键技术之一，有广泛的应用前景。,卡塞格伦天线,八目天线,北京天文台密云观测站的射电望远镜天线阵,1、微波技术与天线的共同基础是电磁场理论,两者都是电磁场在不同边界值条件下的应用。2、微波技术主要研究如何导引电磁波在微波传输系统中有效传输。3、天线技术主要研究如何将导行电磁波变换为向空间辐射的电磁波。,
