微波技术第1章-绪论课件.ppt
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- 微波 技术 绪论 课件
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1、 微波技术是微波技术是20世纪初发展起来的,特别是第二次世界大战世纪初发展起来的,特别是第二次世界大战中雷达的研制加速了微波技术的发展,使其成为一门独立的学中雷达的研制加速了微波技术的发展,使其成为一门独立的学科。它是高等工科院校电子类专业的一门重要技术基础课科。它是高等工科院校电子类专业的一门重要技术基础课。自由空间中,自由空间中,电磁波的波长电磁波的波长与与频率频率 f 的关系为的关系为:=c/f 其中其中,c 为光速为光速 c=3 108 m/s表表1-1普通无线电波普通无线电波(从超长波到超短波从超长波到超短波)红红 外外 线线可可 见见 光光x 射射 线线 射射 线线 长长 短短 一
2、、微波的概念及波段的划分一、微波的概念及波段的划分 微波微波:频率为频率为300MHz3000GHz的电磁波的电磁波,对应的波长对应的波长1m0.1mm。(1T=103 G,1G=103 M,1M=106)微微 波波 波波 段段 划划 分分波段名称波段名称波长范围波长范围频率范围频率范围频段名称频段名称分米波分米波10010cm0.33GHz超高频超高频(UHF)厘米波厘米波101cm330GHz特高频特高频(SHF)毫米波毫米波101mm30300GHz极高频极高频(EHF)亚毫米波亚毫米波10.1mm3003000GHz超极高频超极高频一般将微波分为四个波段一般将微波分为四个波段:分米波、
3、厘米波、分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波。毫米波、亚毫米波。表表1-2 微波波段的代号及对应的频率范围微波波段的代号及对应的频率范围波波 段段频率范围频率范围(GHz)波波 段段频率范围频率范围(GHz)UHF0.301.12L1.121.70LS1.702.60S2.603.95C3.955.85XC5.858.20X8.2012.40Ku12.4018.00K18.0026.50Ka26.5040.00Q33.0050.00U40.0060.00M50.0075.00E60.0090.00F90.00140.00G140.00220.00R220.00325.00 为了工程应用的方便,国际
4、上为了工程应用的方便,国际上 又把微波波段更细地划分并又把微波波段更细地划分并给予相应的表示符号。如给予相应的表示符号。如表表1-2所示。所示。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 波段等等。某些波段习惯上的称谓:某些波段习惯上的称谓:二、微波的特点二、微波的特点1.似光性似光性 微波的波长很短微波的波长很短,其传播特性与光相似,其传播特性与光相似:直线传播,有反射、折射、绕射、干涉等现象,某些几何光直线传播,有反射、折射、绕射
5、、干涉等现象,某些几何光学原理仍适用于微波。学原理仍适用于微波。似光性是微波雷达、微波多路接力通信的应用基础。似光性是微波雷达、微波多路接力通信的应用基础。利用几何光学原理,构成各种微波天线,可形成很强的窄波利用几何光学原理,构成各种微波天线,可形成很强的窄波定向辐射定向辐射(/l)。2.穿越电离层的透射特性穿越电离层的透射特性 地球外围有对流层、同温层、电离层和外层大气等。地球外围有对流层、同温层、电离层和外层大气等。60 300km高空的电离层对高空的电离层对 较长的电磁波产生强烈的折射和吸收。较长的电磁波产生强烈的折射和吸收。微波利用本身的高频震荡,可穿越电离层直至外层空间,从微波利用本
6、身的高频震荡,可穿越电离层直至外层空间,从而开辟了无电线波谱中的一个而开辟了无电线波谱中的一个“”。微波的频率很高、波长很短,主要有以下特点:微波的频率很高、波长很短,主要有以下特点:电离层电离层微微 波波(空间波空间波)天波天波地波地波3.频率高频率高 (1)微波波段频率高,频带宽,信息容量大微波波段频率高,频带宽,信息容量大。微波波段:微波波段:300MHz3000GHz,频带宽为频带宽为 f1,普通无线电波:普通无线电波:3KHz300MHz,总的频带宽总的频带宽 f2;f1/f2=10,000 一般一般,通信系统所传输的信息量与系统的通信系统所传输的信息量与系统的 f 成正比。仅此,成
7、正比。仅此,微波的通信容量是超微波的通信容量是超长波到超短波长波到超短波总和的总和的。要解决由于广播、电视、电讯高速发展而引起的无线电波段要解决由于广播、电视、电讯高速发展而引起的无线电波段日益拥挤、相互干扰严重的问题日益拥挤、相互干扰严重的问题,唯一的办法是向高频段发展。唯一的办法是向高频段发展。要求信息高速传输要求信息高速传输,需用更高频率的电磁波作为载波需用更高频率的电磁波作为载波,因此,因此,微波通讯得到高速发展。微波通讯得到高速发展。电子计算机正向更高的运算速度飞跃,电子计算机正向更高的运算速度飞跃,P 的主频达的主频达 3 GHz(微波波段微波波段),这就必须用微波技术的概念解决芯
8、片之间的脉冲反射,这就必须用微波技术的概念解决芯片之间的脉冲反射(失配引起失配引起)和串扰和串扰(互耦引起互耦引起)等问题。等问题。地球周围充斥着各种各样的噪声和干扰。大多数干扰的电磁地球周围充斥着各种各样的噪声和干扰。大多数干扰的电磁能量的频谱集中在数兆、数十兆赫低、中频域内。能量的频谱集中在数兆、数十兆赫低、中频域内。在微波频段在微波频段,信号与干扰的频率成分差别很大信号与干扰的频率成分差别很大,低频干扰易低频干扰易被微波滤波器阻隔。因微波受外界干扰小被微波滤波器阻隔。因微波受外界干扰小,且不受电离层变化的且不受电离层变化的影响,其通信质量高于普通无线电波。影响,其通信质量高于普通无线电波
9、。(2)微波频率高,抗低频干扰能力强微波频率高,抗低频干扰能力强。(3)传输微波的电路是传输微波的电路是分布参数电路分布参数电路。微波频率高微波频率高,振荡周期振荡周期(10-9 10-12 s)与低频器件电子的渡越与低频器件电子的渡越时间时间(一般为一般为10-9 s)属同一数量级。低频电路可忽略的一些物属同一数量级。低频电路可忽略的一些物理现象如极间电容、引线电感、趋肤效应和辐射效应等理现象如极间电容、引线电感、趋肤效应和辐射效应等,在微在微波段则特别明显,必须考虑。因此,传输微波的电路是分布参波段则特别明显,必须考虑。因此,传输微波的电路是分布参数电路,使用的器件是特殊的微波器件。数电路
10、,使用的器件是特殊的微波器件。4.散射特性散射特性 当电磁波入射到某物体上当电磁波入射到某物体上,除了产生部分反射外除了产生部分反射外,入射波还会入射波还会在物体上激起感应电流,而引起向各个方向的二次辐射,称为散射。在物体上激起感应电流,而引起向各个方向的二次辐射,称为散射。散射是入射波和散射体相互作用的结果,故散射波携带有关于散射是入射波和散射体相互作用的结果,故散射波携带有关于散射体的频域、时域、幅度、相位、极化等多种信息。可以通过对散射体的频域、时域、幅度、相位、极化等多种信息。可以通过对不同物体的散射特性的检测,从中提取目标特征信息,进行目标识不同物体的散射特性的检测,从中提取目标特征
11、信息,进行目标识别,这是实现微波遥感、雷达成像、别,这是实现微波遥感、雷达成像、微波散射通信等微波散射通信等的基础。的基础。5.量子特性量子特性微波具有波粒二重性。微波具有波粒二重性。根据量子学理论根据量子学理论,电磁辐射的能量不是电磁辐射的能量不是连续的,而是由一个个连续的,而是由一个个“能量子能量子”组成组成,每个量子的能量每个量子的能量 E=h f (其中其中,f 为频率,普朗克常数为频率,普朗克常数 h=6.62610-34 Js)。微波的频率很高微波的频率很高,其量子能量范围约在其量子能量范围约在10-5 10-2 eV,低功率电低功率电平下,微波的量子特性才明显地表现出来。平下,微
12、波的量子特性才明显地表现出来。一些分子和原子的超精细结构能级落在微波波段,顺磁物质在一些分子和原子的超精细结构能级落在微波波段,顺磁物质在磁场作用下的能级差也落在这一波段。因此,微波可用来研究物质磁场作用下的能级差也落在这一波段。因此,微波可用来研究物质的结构,从而形成近代尖端科学,如的结构,从而形成近代尖端科学,如“微波波谱学微波波谱学”、“量子无线量子无线电物理电物理”等。等。第二节第二节 微波技术的发展和应用微波技术的发展和应用一、微波技术的发展一、微波技术的发展 微波技术在日益广泛的应用中不断发展与完善。目前,就其微波技术在日益广泛的应用中不断发展与完善。目前,就其发展方向来看,有以下
13、几个特点:发展方向来看,有以下几个特点:二战期间雷达的研制推动了微波技术的飞速发展。二战期间雷达的研制推动了微波技术的飞速发展。上世纪上世纪60年代以后,年代以后,微波通信、卫星通信兴起;上世纪微波通信、卫星通信兴起;上世纪70年代以来年代以来,扩大到遥感、医疗、无损检测和能源等领域,并相继扩大到遥感、医疗、无损检测和能源等领域,并相继形成微波波谱、微波生物、微波超导等交叉学科。形成微波波谱、微波生物、微波超导等交叉学科。80年代开展了年代开展了对目标反射特性的深入研究,已能利用反射回波的差异来识别地对目标反射特性的深入研究,已能利用反射回波的差异来识别地形地物,识别金星上的山脉,甚至能识别飞
14、机的型号。还有隐身、形地物,识别金星上的山脉,甚至能识别飞机的型号。还有隐身、反隐身技术等等。反隐身技术等等。上世纪上世纪90年代初,微波技术在海湾战争的电子战中大显身手。年代初,微波技术在海湾战争的电子战中大显身手。1.工作频段不断向高频段扩展。工作频段不断向高频段扩展。分米波分米波厘米波厘米波毫米波毫米波亚毫米波亚毫米波,进而迈入光波。进而迈入光波。2.微波元器件及整机不断向小型化、宽频带发展微波元器件及整机不断向小型化、宽频带发展。微波元器件经历了从电真空器件到半导体微波器件、从分离微波元器件经历了从电真空器件到半导体微波器件、从分离元件到集成电路的发展过程元件到集成电路的发展过程;目前
15、正开发研究超导微波元器件。目前正开发研究超导微波元器件。整机设备不断向体积小整机设备不断向体积小(微微微波技术微波技术)、重量轻、宽频带、可、重量轻、宽频带、可靠性高和寿命长方向发展。靠性高和寿命长方向发展。3.微波系统日趋向自动化微波系统日趋向自动化、智能化和多功能化和集成电路化智能化和多功能化和集成电路化。随着科学技术、特别是计算机技术的普及,各学科之间的相随着科学技术、特别是计算机技术的普及,各学科之间的相互渗透,促使微波设备、系统和测试仪器系统也逐步实现自动化、互渗透,促使微波设备、系统和测试仪器系统也逐步实现自动化、智能化、多功能智能化、多功能和集成电路和集成电路一体化。一体化。二、
16、微波的应用二、微波的应用微波应用广泛,主要有:微波应用广泛,主要有:雷达发现目标雷达发现目标 利用微波信号准确地测定目标的方向、距离和速度利用微波信号准确地测定目标的方向、距离和速度,以实现对以实现对运动目标的定位、运动目标的定位、跟踪和识别跟踪和识别。军用的有制导雷达、跟踪雷达、警戒雷达、炮瞄雷达等;军用的有制导雷达、跟踪雷达、警戒雷达、炮瞄雷达等;民用的有导航雷达、遥感雷达、气象探测雷达、医用雷达、盲民用的有导航雷达、遥感雷达、气象探测雷达、医用雷达、盲人雷达、防盗雷达、汽车防撞雷达、以及机场交通管制雷达等。人雷达、防盗雷达、汽车防撞雷达、以及机场交通管制雷达等。1.雷达雷达(Radar:
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