微波技术基础电子科大第次课ppt课件

微波技术基础 詹铭周副教授mzzhan 科研楼B区336 考核规则 最终成绩 期末成绩 100分 80 平时成绩 100分 20 平时成绩 点名 随机 作业 5次 每次10分 周一布置 下一个周三交 课件 课后一周之类 上传到basis of mwt 第1课 绪论P1 P5内容 1 微波的定义 频率或波长的范围 2 微波频段的划分 波段代号 3 微波的特性 4 微波的应用 5 微波辐射的危害与标准 6 微波技术基础关注的内容 1 微波的定义 定义 波长在1m 0 1mm的电磁波 对应频率范围为300MHz 3000GHz 波段细分 分米波 300MHz 3GHz 1m 10cm厘米波 3GHz 30GHz 10cm 1cm毫米波 30GHz 300GHz 1cm 1mm太赫兹波 300GHz 3THz 1mm 0 1mm 电磁频谱分布图 2 微波波段划分 源于第二次世界大战期间 为了保密和描述方便 用大写英文字母表示工作雷达的工作波段 德国标准 美国标准和欧洲标准 中国有自己的雷达波段标准 而且不同于其他国家的划分 似乎是界于美国与德国的标准之间 欧洲新标准下的部分波段表 我国现用微波分波段代号 家用电器也有 波段 无线电通信与广播 频道 电视频道无线电委员会已经将有限的频率资源划分了各自的应用领域 以免系统之间的相互干扰 各频段典型的应用如下表所示 15 1 1Microwavefrequencies Thefieldofradiofrequency RF andmicrowaveengineeringgenerallycoversthebehaviorofalternatingcurrentsignalswithfrequenciesintherangeof30MHzto3000GHz RFfrequenciesrangefromveryhighfrequency VHF 30 300MHz toultrahighfrequency UHF 300 3000MHz whilethetermmicrowaveistypicallyusedforfrequenciesbetween0 3and300GHz withacorrespondingelectricalwavelengthbetween c f 10cmand 1mm respectively Signalswithwavelengthsontheorderofmillimetersareoftenreferredtoasmillimeterwaves 30 300GHz whileTerahertzwavesrangesfrom0 3to3THz 16 Becauseofthehighfrequencies andshortwavelengths standardcircuittheoryoftencannotbeuseddirectlytosolvemicrowavenetworkproblems Inasense standardcircuittheoryisanapproximation orspecialcase ofthebroadertheoryofelectromagneticsasdescribedbyMaxwell sequations Microwavecomponentsoftenactasdistributedelements wherethephaseofthevoltageorcurrentchangessignificantlyoverthephysicalextentofthedevicebecausethedevicedimensionsareontheorderoftheelectricalwavelength 17 微波频段 Atmuchlowerfrequenciesthewavelengthislargeenoughthatthereisinsignificantphasevariationacrossthedimensionsofacomponent Theotherextremeoffrequencycanbeidentifiedasopticalengineering inwhichthewavelengthismuchshorterthanthedimensionsofthecomponent 18 微波频段 InRFandmicrowaveengineering then onemustoftenworkwithMaxwell sequationsandtheirsolutions ItisinthenatureoftheseequationsthatmathematicalcomplexityarisessinceMaxwell sequationsinvolvevectordifferentialorintegraloperationsonvectorfieldquantities andthesefieldsarefunctionsofspatialcoordinates 19 微波频段 Afieldtheorysolutiongenerallyprovidesacompletedescriptionoftheelectromagneticfieldateverypointinspace whichisusuallymuchmoreinformationthanweneedformostpracticalpurposes 场解法 Wearetypicallymoreinterestedinterminalquantitiessuchaspower impedance voltage andcurrent whichcanoftenbeexpressedintermsoftheseextendedcircuittheoryconcepts Itisthiscomplexitythataddstothechallenge aswellastherewards ofmicrowaveengineering 等效电路解法 20 发展历史简介 Microwaveengineeringisoftenconsideredafairlymaturedisciplinebecausethefundamentalconceptsweredevelopedmorethan50yearsago andprobablybecauseradar thefirstmajorapplicationofmicrowavetechnology wasintensivelydevelopedasfarbackasWorldWarII However recentyearshavebroughtsubstantialandcontinuingdevelopmentsinhigh frequencysolid statedevices microwaveintegratedcircuits andcomputer aideddesigntechniques andtheever wideningapplicationsofRFandmicrowavetechnologytowirelesscommunications networking sensing andsecurityhavekeptthefieldactiveandvibrant 21 发展历史简介 Thefoundationsofmodernelectromagnetictheorywereformulatedin1873byJamesClerkMaxwell whohypothesized solelyfrommathematicalconsiderations electromagneticwavepropagationandtheideathatlightwasaformofelectromagneticenergy Maxwell sformulationwascastinitsmodernformbyOliverHeavisideduringtheperiodfrom1885to1887 HeavisidewasareclusivegeniuswhoseeffortsremovedmanyofthemathematicalcomplexitiesofMaxwell stheory introducedvectornotation andprovidedafoundationforpracticalapplicationsofguidedwavesandtransmissionlines 理论 HeinrichHertz aGermanprofessorofphysicsandagiftedexperimentalistwhounderstoodthetheorypublishedbyMaxwell carriedoutasetofexperimentsduringtheperiod1887 1891thatvalidatedMaxwell stheoryofelectromagneticwaves 实验 22 发展历史简介 Becauseofthelackofreliablemicrowavesourcesandothercomponents therapidgrowthofradiotechnologyintheearly1900soccurredprimarilyintheHFtoVHFrange Itwasnotuntilthe1940sandtheadventofradardevelopmentduringWorldWarIIthatmicrowavetheoryandtechnologyreceivedsubstantialinterest 应用 IntheUnitedStates theRadiationLaboratorywasestablishedattheMassachusettsInstituteofTechnologytodevelopradartheoryandpractice Anumberoftalentedscientists includingN Marcuvitz I I Rabi J S Schwinger H A Bethe E M Purcell C G Montgomery andR H Dicke amongothers gatheredforaveryintensiveperiodofdevelopmentinthemicrowavefield 完善理论 系统化研究 23 发展历史简介 Communicationssystemsusingmicrowavetechnologybegantobedevelopedsoonafterthebirthofradar benefitingfrommuchoftheworkthatwasoriginallydoneforradarsystems 应用爆发 Theadvantagesofferedbymicrowavesystems includingwidebandwidthsandline of sightpropagation haveprovedtobecriticalforbothterrestrialandsatellitecommunicationssystemsandhavethusprovidedanimpetusforthecontinuingdevelopmentoflow costminiaturizedmicrowavecomponents 微波的特性 微波和低频的无线电波 可见的和不可见的光波 X射线 射线一样 本质上都是随时间和空间变化的 呈波动状态的电磁波 尽管它们的表现各不相同 例如可见光可以被人眼所感觉而其他波段则不能 X射线 射线具有穿透导体的能力而其他波段则不具有这种能力 无线电波可以穿又透浓又厚的云雾而光波则不能等 但它们都是电磁波 之所以出现这么多不同的表现 归根结底是因为它们的频率不同即波长不同 微波的特性 1 似光性和似声性1 1似光性 当微波照射到某些电大物体上时 将产生显著的反射和折射 就和光线的反 折射一样 同时微波传播的特性也和几何光学相似 能像光线一样地直线传播和容易集中 即具有似光性 这样利用微波就可以获得方向性好 体积小的天线设备 用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号 从而确定该物体的方位和距离 这就是雷达导航技术的基础 1 2似声性微波的波长与物体的尺寸具有相同的量级 使得微波的特点又与声波相近 具有绕射和散射现象 即似声性 如微波波导喇叭类似与声学的传声筒 如微波波导喇叭天线类似于声学喇叭 2 穿透性微波照射于物体时 能深入该物体内部的特性称为穿透性 2 1微波能穿透电离层 微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波 除光波外 探测外层空间的 宇宙窗口 穿透电离层 深空探测 TheAtacamaLargeMillimeter submillimeterArray ALMA aninternationalpartnershipofEurope NorthAmericaandEastAsiaincooperationwiththeRepublicofChile isthelargestastronomicalprojectinexistence ALMAwillbeasingletelescopeofrevolutionarydesign composedinitiallyof66highprecisionantennaslocatedontheChajnantorplateau 5000metersaltitudeinnorthernChile 2 2穿透云 雨 植被 积雪 烟尘和地表层 全天候 全天时工作能力 遥感技术的重要波段 2 3穿透生物体 微波能穿透生物体 成为医学检测和透热疗法的重要手段 2 4穿透等离子体再入远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段 再入远程导弹速度可达12000km h 弹体外表高温 空气电离化 3 非电离性 非离子化辐射 微波的量子能量不够大 因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键 所以微波和物体之间的作用是非电离的 而由物理学可知 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 因此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 最受关注的是电磁辐射的生物效应 离子化辐射会破坏分子结构 非离子化辐射仅有加热作用 使分子运动 紫外线以上 3 非电离性 非离子化辐射 电磁波能量的载体是光子 频率越高 光子的能量就越大 当光子能量高到足够使被照射物质的电子发生跃迁时 称为离子化辐射 比如 工作在2 45GHz的微波炉 工作时 每个光子的能量为0 00001eV 仅是离子化辐射所需能量的百万分之一 微波辐射的危害主要在于加热性 日光浴的致癌几率远大于微波辐射 为什么X射线小剂量就会对人造成伤害 而微波要大剂量才会 4 信息性 微波的频率很高 所以在不太大的相对带宽下 其可用的频带很宽 这意味着微波的信息容量大 是低频无线电波无法比拟的 微波技术主要应用之处 UnlicensedwirelessGigaBit WiGig aportmanteau GibabitWirelessAllianceiscoveredbyIEEE802 11acstandard 57to64GHz该频段的开发是目前微波技术的热点之一 要实现数Gbps以上速率的唯一方法就是利用毫米波 微波的大气吸收特性 海拔 电磁波的大气吸收特性 海平面 微波频段 10GHz以下 大气衰减对微波的影响很小 5 微波的大气传播特性 5 1氧气和水蒸气对微波频率会产生选择性的吸收和散射 在毫米波频段尤为突出 大气层之外衰减很小 5 2氧气分子谐振引起的吸收峰出现在60GHz和120GHz附近 而由水蒸气谐振引起的吸收峰在22GHz和183GHz附近 5 3四个传播衰减相对较小的 窗口频率 其中心频率分别在35 94 140和220GHz 相应波长分别为8 6 3 2 2 1和1 4mm 5 4随着电磁波的工作频率升高 总的衰减呈上升趋势 小结 微波的主要特性 似光性和似声性穿透性非电离性信息性 微波的大气传播特性 窗口频率 这些特性是红外与光波频段的电磁波所不具备的 4 微波的应用 从家中厨房到宇宙太空 在介绍微波特性的时候 已经随机地介绍了某些典型应用 归纳如下 微波的应用 4 1信息载体传统应用 雷达 通信 导航 定位 遥感 测量 交通管制和目标特性分析等军民用领域 4 2微波能微波能 强功率和弱功率应用 4 1信息载体 雷达 1930 包括导弹制导雷达 1 目前95 以上的雷达工作在微波频段 微波雷达 2 微波工作的雷达的优点 可以使用尺寸较小的天线 来获得很窄的波束宽度 以获取关于被测目标性质的更多的信息 幅度 频率 相位 极化 多普勒频率等信息 微波传输用的波导 就雷达波段而言UHF用于超远程警戒 L波段用于定位 远程警戒 空中交通管制 S波段用于中程警戒 机场交通管制 远程气象观测 C波段用于远程跟踪 机载气象观测 X波段用于远程跟踪 导弹制导 测绘 机载攻击 Ku波段用干地形测绘 卫星测高度 汽车防撞 Ka用于精确制导 E波段可用于汽车防撞雷达等 W波段测速 精确制导 机场异物检测等 4 1信息载体 通信1 微波具有频率高 频带宽和信息量大的特点 2 应用业务包括 微波多路通信 微波中继通信 散射通信 移动通信 卫星通信和无线局域网等 4 1信息载体 机场安检 美国交通安全实验室主任SusanHallowell 2003年 本土安全 类似系统已装备多机场 已成为必须的安检手段 4 2微波能 高功率应用微波炉微波加热的是一些能够吸收微波的吸收性介质 即含有极性分子的介质材料 当有极性分子的介质材料置于微波电磁场中时 介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列 在交变电磁场的作用下 并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动 分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列 就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍 产生类似于摩擦的作用 产生大量的热量 由于微波频率高 极性分子摆动速度很快 因此 快速加热是微波加热的突出特点 4 2微波能 高功率微波能武器1 用于反恐 见视频 2 破坏电子设备 瘫痪有生力量共振 在微波电磁场的作用下 生物体内的一些分子将会产生变形和振动 使细胞膜功能受到影响 使细胞膜内外液体的电状况发生变化 引起生物作用的改变 进而可影响中枢神经系统等 造成永久伤害制热 在短时间 适当功率下 无永久伤害 主动拒止系统 4 2微波能 小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 育种 杀毒 干燥谷物 烟草 生物医学应用1 利用微波对生物体的热效应 选择性局部加热 进行治疗 例如微波治癌机 主要用于治疗乳腺癌 环境保护专利US527692