微波工程 第一章 绪论(2008).ppt

第一章引论1 1微波及其特点微波 microwave 是指频率从300MHz至3000GHz范围内的电磁波 其相应的波长从1m至0 1mm 这段电磁频谱包括分米波 频率从300MHz 0 3GHz 至3000MHz 3GHz 0 3 3GHz 波长1m 10cm 厘米波 频率从3GHz至30GHZ 波长10cm 1cm 毫米波 频率从30GHz至300GHz 波长1cm 10mm 1mm 和亚毫米波 频率从300GHz至3000GHz 波长0 1mm 1mm 四个波段 在雷达 通信及常规微披技术中 常用拉丁字母代号表示微波的分波段 表1 1 1 a b 分别示出常用微波分波段代号和家用电器的频段 见书P1 远红外波段的一部分与亚毫米波波段相重叠 如有的书中定义远红外波段为 0 75mm 15 m 波长范围 频率范围 名称 电磁波 无线电波 可见光 红外线 紫外线 远红外中红外近红外 射线 射线 分米波厘米波毫米波亚毫米波 超长波长波中波短波超短波 微波 30KHz30 300KHz300 3000KHz3 30MHz30 300MHz 300 3000MHz3 30GHz30 300GHz300 3000GHz 10dm1 10cm1 10mm0 1 1mm 10km1 10km100 1000m10 100m1 10m 25 1mm2 5 25 m0 76 2 5 m 4000 7600A 0 4 0 76 m 0 01 30A 0 0lA以下 表1 1电磁波频谱 30 4000A 特UHF 超SHF 极EHF 甚VHF 高HF 在微波和雷达工程中 通常还采用不同的字母来表示微波中的不同分波段 它们如表1 2所示 在微波波段 由于它的频率极高 所以通常采用比低频时常用的HZ 赫兹 和KHZ 千赫 更大的频率单位 它们是MHZ 兆赫 GHZ 吉赫或千兆赫 和THZ 太赫 它们与赫兹的换算关系为 微波波段的代号及对应的频率范围 向愈来愈高的工作频率推进是近代电子技术的一个重要发展方向 从中波 短波 到微波 直至激光 当前 微波技术又正向毫米波 亚毫米波段的开发推进 因为微波除了具有一般无线电波的共性以外 它还具有许多与低频无线电所不同的特性 下面我们将讨论微波的一些主要特点 从电子学和物理学的观点看 微波这段电磁谱具有不同于其它波段的如下重要特点 信息性 微波的频率很高 可用的频带很宽 微波的频带比所有低频无线电波频带的总和还要宽10000倍 这么宽的频谱空间的开发将大大克服频谱空间拥挤的困难 也意味着微波的信息容量大 所以现代多路通信系统 包括卫星通信系统 几乎无例外地都是工作在微波波段 另外 微波信号还可提供相位信息 极化信息 多普勒频率信息 这在目标探测 遥感 目标特征分析等应用中是十分重要的 这意味着微波的信息容量大 所以现代多路通信系统 包括卫星通信系统 几乎无例外地都是工作在微波波段 另外 微波信号还可提供相位信息 极化信息 多普勒频率信息 这在目标探测 遥感 目标特征分析等应用中是十分重要的 微波的特点 另一方面 在电路特点上 这时必须考虑在低频时不起主要作用的电路中的趋肤效应 辐射效应和分布参数效应等高频效应 因此 在低频下通常所采用的集中参数元件 普通双导线传输线和LC谐振回路等都将不能适用于微波 在微波下 将采用波导传输线 谐振腔和由它们所构成的分布参数电路元件 因此 微波分布参数电路不论在结构形式和工作原理上都将大大区别于低频集中参数电路 似光性和似声性 似光性 微波的波长很短 比地球上一般物体 对于尺寸大的物体 如飞机 舰船 汽车 坦克 火箭 导弹 建筑物等 的尺寸相对要小得多 它显示出粒子的特点 即似光性或直线性 这使微波的特点与几何光学相似 即所谓似光性 因此 使用微波工作 能使电路元件尺寸减小 使系统更加紧 凑 可以设计制成体积小 波束很窄 方向性很强 增益很高的天线系统 接收来自地面或宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号 从而确定物体的方位和距离 分析目标的特征 它特别适合于无线电定位 即雷达技术的需要 因为雷达为了正确测定目标位置就必须发射窄波束 而天线的波束宽度是正比于工作波长和天线口径之比 似声性 由于其波长很短 可以和一般的微波元 器件及电路的几何尺寸 如实验室中的无线电设备 相比拟 甚至比其更短 这时电磁波的波动性就表现了出来 使得微波的特点又与声波相近 即所谓似声性 例如微波波导类似于声学中的传声筒 喇叭天线和缝隙天线类似于声学喇叭 萧和笛 微波谐振腔类似于声学共鸣箱等 3 穿透性微波照射于物体 介质体 时 能深入物质内部 微波能穿透电离层 成为人类探测外层空间的 宇宙窗口 微波能穿透云雾 雨 植被 积雪和地表层 具有全天候和全天时的工作能力 成为遥感技术的重要波段 微波能穿透生物体 成为医学透热疗法的重要手段 毫米波还能穿透等离子体 是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末制导的重要手段 4 非电离性微波的量子能量还不够大 不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键 而由物理学知道 分子 原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围 因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段 另一方面 利用这一特性和原理 可研制许多适用于微波波段的器件 6 微波测量不同于低频无线电测量 低频无线电测量的基本量是电压 v 电流 I 和频率 f 以及电路元件参数电阻 R 电容 C 和电感 L 微波测量的基本量是功率 P 阻抗 Z 和波长 以及电路的衰减和相移 因为上述低频参量 除频率以外 在微波下通常都已经没有确切的物理意义了 5 微波能够深入物质内部与物质产生相互作用 水和含水物质对微波具有吸收作用 因此 可以利用微波对含水物质进行选择性加热 可治疗和诊断人体的某些疾病 7 微波的研究方法不同于低频无线电 低频无线电电路中的电压 电流仅是时间的函数而与空间位置无关 因此 它采用由克希霍夫定律描述的电路理论来研究 而微波的空间的电场 E 磁场 H 不但是时间的函数而且还是空间位置的 函数 因此 它必须采用由麦克斯韦场方程组所描述的电磁场理论来进行研究 综上所述 正是由于微波具有许多独特的特性 才为它的迅速发展和广阔应用提供了动力和开辟了前景 也正是由于微波在理论和技术上都大大区别于低频元线电 所以就必须把它作为一门独立的科学技术来进行研究 1 2微波的应用 微波理论和技术的发展是和它的实际应用密切相关的 目前它的应用已经几乎遍及尖端科技 军事国防 工农业生产和科学研究等各个部门 甚至深入到医疗卫生和人们的日常生活中 而且 新的应用领域还在不断地扩大 下面我们就讨论一些微波的主要应用 1 雷达与导航 雷达 是微波技术发展的策源地 它利用天线发送一个无线电窄波束 然后通过测定目标的反射回波来确定目标的位置 它根据发射脉冲与接收到的回波脉冲之间的时间间隔来确定目标的距离 其中C为光速 并根据接收到回波时雷达天线波束所指向的方位来确定目标的方位角和仰角位置 如果要测定目标的速度 则可根据所接收到的回波的多普勒频移来确定 式中 为 与波束中心线的夹角 雷达大多数都工作在微波波段 这是因为 目标的尺寸与波长之比越大 反射回波就越强 探测距离就越远 雷达天线口径与波长之比越大 发射波束就越细 测位精度就越高 而且为了能探测外层空间的目标 如导弹 卫星 宇窗飞船等 就必须利用微波能够穿透电离层的特性 现代雷达要求不仅能发现和测定目标位置 而且还要能跟踪目标 如炮瞄雷达 获得目标更多的信息 如目标的速度 加速度 大小 形状 类型和真假弹道和弹着点等 以及能进行信息处理并作出相应的应对措施 如指挥炮火或 导弹迎击 等 另一方面还要求能对规定区域同时进行多目标的探测和跟踪 为此 研究了各种新体制的雷达 如单脉冲雷达 合成孔径雷达 脉冲多普勒雷达 脉冲压缩雷达 扫频雷达和相控阵雷达等 为了实现雷达的小型化主要应采用微波集成电路技术和固体微波技术 小型化雷达不仅是机载和星载雷达的需要 而且也为雷达的新应用开辟了前景 如汽车防撞雷达 家庭防盗雷达和盲人防撞雷达等 随着毫米波和亚毫米波发射源研制的进展 毫米波 亚毫米波雷达的研制也已受到人们的重视 导航 就是正确地引导目标 飞机或舰船等 安全航行 利用导航设备可确定目标的位置和其他运动参数 如航向 航速等 可显示目标周围的情况 可指挥目标安全航行 例如 机场的空中交通管制雷达 可显示附近空域中的飞行情况 地面跑道上的车辆 行人等情况 从而可在任何恶劣气候条件下 全天候指挥飞机安全起飞和着陆 舰船上的导航雷达可显示周围海域的情况 可使领航员即使在雾天或夜间也能引导舰船航行或入港 并能在舰船和礁石或其他船只过分靠近时进行自动报警 2 通信由于微波具有频率高 频带宽 信息量大的特点 所以被广泛应用于各种通信业务 包括微波多路通信 微波中继通信 散射通信 移动通信和卫星通信 利用微波各波段的特点可作特殊用途的通信 例如从S到Ku波段的微波适用作以地面为基地的通信 毫米波适用于空间与空间的通信 毫米波段的60GHz频段的电波大气衰减较大 适于作近距离保密通信 而90GHz频段的电波在大气中的衰减却很小 是个窗口频段 适于作地空和远距离通信 对于很长距离的通信 则L波段更适合 因为在此波段容易获得较大的功率 微波能的工农业应用 微波能应用随着微波炉的商品化进入家庭而得到大力发展 微波能应用包括微波的强功率应用和弱功率应用两个方面 强功率应用是微波加热 弱功率应用是用于各种电量和非电量 包括长度 速度 湿度 温度等 的测量 微波加热可以深入物体内部 热量产生于物体内部 不依靠热传导 里外同时加热 具有热效率高 节省能源 加热速度快 加热均匀等特点 便于自动化连续生产 用于食品加工时 还有消毒作用 清洁卫生 既不污染食品 也不污染环境 而且不破坏食品的营养成份 微波加热现已被广泛应用于食品 橡胶 塑料 化学 木材加工 造纸 印刷 卷烟等工业中 在农业上 微波加热可用于灭虫 育种 育蚕 干燥谷物等 弱功率应用的电量和非电量的测量 其显著特点是不 需要和被测量对象接触 因而是非接触式的无损测量 特别适宜于生产线测量或进行生产的自动控制 现在应用最多的是测量湿度 即测量物质 如煤 原油等 中的含水量 微波的生物医学应用 也属于微波能的加热应用 利用微波对生物体的热效应 选择性局部加热 是一种有效的热疗方法 临床上可用来治疗人体的各种疾病 微波的医学应用包括微波诊断 微波治疗 微波解冻 微波解毒和微波杀菌等 用微波对生物体作局部照射 可提高局部组织的新陈代谢 并诱导产生一系列的物理化学变化 从而达到解痉镇痛 抗炎脱敏 促进生长等作用 广泛用于治疗骨折 创伤 小儿肺部疾病 膜腺疾病等 国际上规定的允许用于工业 科学 医学的微波加热专用频率是915土25MHz 2450土50MHz 5800土75MHz和22125土125MHz 目前广泛使用的是915MHz和2450MHz 需要指出的是 微波的生物医学效应不仅有对生物体的热效应 而且有非热效应 在某些情况下 后者比前者更为主要 微波的生物医学应用是利用微波有益的生物效应 微波的生物效应还有有害的效应 表现为超剂量的微波照射有三致作用 致癌 致畸和致突变 即是说 微波的致热作用既能治病又能致病 问题在于处理好微波的强度 包括频率 照射时间和作用条件三者之间的关系 微波的三致作用按其机理可分为热效应和非热效应两种 热效应或称致热效应是指由于微波照射生物体引起其组织器官的加热作用所产生的生理影响 非热效应或称热外效应是除了对生物体组织和器官的加热作用以外的对生物体的其它特殊生理影响 这些影响是用别的加热手段不会产生的 微波对人体的伤害作用主要是热效应 大剂量或长时间的微波照射全身时 可以使人体温度升高 产生高温生理反应 使人体组织和器官受到损伤 因此 应该采取适当的防护措施 并应对微波源的功率泄漏规定安全标准 中国在1979年制定的 微波辐射暂行卫生标准 中规定 1 一天八小时连续辐射时 其剂量不应超过38 W cm2 2 短时间间断辐射及一天超过八小时照射时 一天总剂量不超过300 w h cm2 3 由于特殊情况需要在辐射剂量大于1mW cm2环境中工作时 必须使用个人防护用品 但日剂量不得超过300 w h cm2时 一般不容许在剂量超过5mW cm2的辐射环境下工作 上述介绍的只是低功率微波频率资源应用 目前一些世界大国正在研究己接近实用化的高功率微波武器 HPM HPM所发射的总能量可在100kJ以上 而且定向性很好 据报道 在 0 01 1 W cm2剂量下 可使计算机芯片及通信雷达导航等系统性能显著下降或失效 在 10 100 W cm2剂量下即可使有壳体屏蔽的电子器件烧坏 并使工作在任何频段的电子系统失效而瘫痪 在 102 103 W cm2下能引起非线性效应 并能引爆炸弹 导弹 核弹等武器 在瞬间摧毁目标 在 3 10 mW cm2即可使人员产生精神错乱或行为失常 而在80mW cm2剂量上 持续时间1s即可致人死亡 这种高功率微波武器既可用于攻击 也可用于自卫 遥感技术和微波全息照相 微波遥感技术 因为各种物质都会不同程度地辐射微波 因此 在人造卫星上利用微波遥感技术通过接收和处理目标的微波辐射信号可确定目标的特性 以用于农林生产状况 地理 地质矿产分布 大气和海洋污染等调查 监视与监测等 科学研究方面 近些年来 在科学研究中 微波技术发挥着越来越大的作用 如原子钟和加速器的研制成功 就是微波技术的应用和发展的结果 再如20世纪60年代中 射电天文观察正是以微波技术作为主要观测手段才发现了类星体 中子星 2 7K背景辐射和星际有机分子等天文学的四大发现 另外 近年来还发展了微波 微波全息照相 是利用微波能够穿透不透光的非金属介质的特性对物体进行照相的技术 保安人员利用微波全息照相可发现隐藏的手枪 利用从卫星上对地球作全天候微波全息照相 微波技术所研究的内容 概略地讲 就是微波的产生 传输 变换 包括放大 调制 检测 发射和测量 以及与此相对应的微波器件和设备 等等 从物理学的角度讲 微波技术所研究的主要是微波产生的机理 它在各种特定边界条件下的存在特性 以及微波与物质的作用 从工程技术的角度讲 微波技术所研究的主要是具备各种不同功能的微波元 器 件 包括传输线 的设计 以及这些微波元 器 件的合理组合和微波的测量 由以上所述可知 微波技术的应用范围和包含的内容都是很广泛的 而且都有相关的学科对其进行专门的研究 因此 本课程作为理论基础课 没必要 也不可能都予