1射频微波工程介绍.ppt

1、第1/微波工程介绍，1.1常用射频频带1.2射频/微波的重要特性1.3射频/微波工程中的核心问题1.4射频/微波电路的应用1.5射频/微波系统示例1.6射频/微波工程基础常识1.7微波器件的发展1.8课程的基本内容和要求，2，1.1常用无线电频带，当前社会、技术发展的迅猛，对人们生活的影响的严重性，首次推进无线电技术。 无线电/微波工程是这个领域的核心。 过去一百年来，人们对无线电/微波技术的认识和使用越来越成熟。 从图1-1所示无线技术的发展历史来看，无线通信是近年来射频和微波电路发展的最大推动力。 3、图1-1无线技术的发展历史，4、电磁波谱的划分由美国国防部在第二次世界大战中提出，由国际电工电子工程协会(IEEE )推动，被工业界和政府部门广泛接受。 具体电磁波频谱的区分如表1-1所示。 在整个电磁波频谱中，射频/微波位于普通电波和红外线之间，是频率最高的电波，其带宽比普通电波频带的总和大1000倍以上，难以想象可携带的信息量。 通常，无线频率/微波频带还包括毫米波(波长101m，频率30300MHz )、分毫米波(波长101dm，频率3003000MHz )、厘米波(波长101cm，频率330GHz )和毫米波(波长101mm，频率然后是亚毫米波、远红外线、红外线和可见光。 5、表1-1电磁波频谱的区分_57348； 6、这些频带的划分不仅是唯一的，还有许多其他不同的划分方法，它们是分别由不同的学术组织和政府机构提交的，并且由于相同名称也有不同范围，所以这些频带号码仅仅是粗略的频谱范围。 接下来，上述频带的边界也不严格，在接近作用于边界线的两侧的频率的系统中没有质量和量的飞跃，这些部分完全是人为的，仅仅是助记符。 喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓地653，频谱作为资源，各国各级政府拥有严格管理无线设备的工作频率和发送功率的机构。 在国际范围内，更详细的频谱用途规定(即CCIR提案文件)对诸如雷达、通信、导航、工业应用等军用或私人无线设备可接受的频带进行了规定。 表1-2是各无线频带的基本用途。 每种用途只占据对应的频带内很小的频带或频带。 8、表1-2各无线电频带的基本用途，9、和平时代，在一个地区，如果避免用途不同的无线电设备使用相同的频率，会导致毁灭性的结果。 相反，在电子对抗和电子战争系统中，掌握敌人使用的射频，设法给对方以毁灭性的打击。 ； 现在发展最快的民间领域是移动通信。 巨大的市场潜力和迅速更新步伐，使这个领域成为世界上的一个支柱产业。 表1-3表示一般的移动通信系统的带宽分布及其机制。 作为工学电子系的学生，有必要掌握这方面的知识。 另外，表1-3中常用的移动通信系统的频带分布，11，通常，与无线电/微波技术相关的无线电频谱是表1-1中从高频(VHF )到毫米波段或从p波段到毫米波段的宽范围的无线电信号的收发设备的工作频率。 具体地，这些技术包括各种模块单元的设计和制造，诸如信号的生成、调制、功率放大、发射、接收、低噪声放大、混合、解调、检测、滤波、衰减、相移、开关等。 其基本理论是古典电磁场理论。 研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法，从麦克斯韦方程式，在特定的边界条件下解电磁波动方程式，求出场量的时空间变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性，一种是“路”的分析方法，将传输线作为分布参数电路，用基尔霍夫定律建立传输线方程式，并进行传输用这两种方法研究相同的问题，其结论是相同的。 “场”的方法还是“道”的方法取决于研究的便利性。 对于射频/微波工程中的许多问题，不拘泥于严格的麦克斯韦方程及其数值解法，而是采用网络方法和分布参数的概念，可以得到满意的工程结果。 13、在射频/微波频率范围内，模块的几何尺寸和信号的工作波长是无法比较的，分布参数的概念始终通向工程技术的各个方面。 此外，相同功能的模块在不同的工作频带下的结构和实现方式会有很大不同。 “结构是电路”是无线电/微波电路的显着特征。 高频/微波电路的设计目标是处理材料、结构与电路功能的关系。 14，1.2射频/微波的重要特性，1.2.1射频/微波的基本特性1 .光射频/微波像光线一样在空气或其他介质中以光速传播，在不同介质界面上存在入射和反射现象。 这是因为无线电/微波的波长很短，比地球上的一般物体(舰船、飞机、火箭、导弹、汽车、房屋等)的几何学尺寸小得多，或处于相同的数量水平。 无线电/微波接触这些物体时，会产生明显的反射，部分物体会产生镜面反射。 15、因此，为了传输信息，实现通信，可以制作尺寸、体积适当的天线，接收物体引起的回声或其他物体发出的微弱信号，确定物体的方向、距离和特征，实现雷达的探测。 2 .透过性无线电/微波照射某物体时，能深入物体内部。 微波(特别是厘米波段)信号能穿过电离层，穿过作为宇宙窗口的云雾、植被、积雪、地面表层，具有24小时365天的工作能力，能穿过作为遥感技术的重要手段的生物组织，是医学热透射疗法的重要方法，能穿过等离子体16、3 .非电离性； 一般来说，无线电波/微波的量子能还不够，不足以改变物质分子的内部结构，破坏物质分子的结合结构。 从物理学可以看出，如果施加电磁场的周期力，物质内的分子、原子、原子核会产生各种各样的共振现象。 其中，很多谐振频率处于无线电波/微波频带。 它为研究物质的内部结构提供了有力的实验手段，形成了独立的分支学科微波光谱学。 另一方面，可以利用物质的射频/微波谐振特性来开发特定物质的射频/微波部件，以完成许多射频/微波系统的建立。17，4 .信息性射频/微波频带意味着比普通的中波、短波、超短波的频带宽几千倍以上，意味着射频/微波能具有的信息量远远多于普通的无线电波能具有的信息量。 因此，在现代生活中的移动通信、多路通信、图像传输、卫星通信等设备全部使用无线电/微波作为传输手段。 射频/微波信号还提供相位信息、极化信息、多普勒移位信息等。 这些特性广泛应用于目标探测、目标特征分析、遥感、遥感等领域。 另外，根据上述基本特性，18，1.2.2射频/微波的主要优点可归纳：与普通无线相比，射频/微波具有以下优点：(1)带宽： 可以传输的信息量很大。 57348； (2)分辨率高。 连续波多普勒雷达频偏大，图像清晰，反应敏感。 57348； (3)尺寸小。 电路元件和天线的体积小。 57348； (4)噪声小。 不同的设备互相干扰很少。 57348； (5)速度快。 数字系统的数据传输和信号处理很快。 57348； (6)光谱宽度。频谱不拥挤，不易堵车，军事设备更可靠。19，1.2.3射频/微波的不利因素射频/微波自身的特征带来某些限制。 主要在以下几个方面，(1)零件成本很高。 57348； (2)放射损失大。 (3)大量使用砷化镓器件而不是普通的硅器件。 (4)电路中元件损耗大，输出功率小。 57348； (5)设计工具精度低，成熟技术少。 卡卡、卡卡、卡卡、卡耶、卡耶653、20、1.3射频/微波工程中的核心问题，1.3.1射频铁三个主要指标频率，阻抗和功率是贯穿射频/微波工程的三个主要指标。 可以形象地反映射频/微波工程的基本内容。 这三方面具有独立的特性，相互影响。 三者的关系可以用图1-2表示。 21、图1-2的频率、阻抗与功率的关系、22、1.3.2射频铁三角的包含1 .频率； 频率是射频/微波工序中最基本的参数，对应无线系统工作的频谱范围，规定了所研究的微波电路的基本前提，确定了微波电路的结构形式和器件材料。 直接影响射频/微波信号频率的主要电路有：喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀卡6、23、(2)频率变换器：将一个或两个频率的信号转换成另一期望频率的信号，如分频器、反相器、乘法器、混频器。 (3)频率选择电路：在复杂的频谱环境下，选择感兴趣的频谱范围。 典型的频率选择电路是低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器等滤波器。 近年来发展起来的高速电子开关由于体积小，在许多方面实现了取代滤波器的频率选择性。 在射频/微波步骤中，这些电路可以独立工作、相互组合，或者与其它电路结合来配置射频/微波电路子系统。 ； 这些电路的测量设备有频谱分析器、频率计数器、功率计、网络分析器等。 二十四、二.功率157348； 功率是用来描述射频/微波信号能量的大小。 所有电路和系统的设计目标是实现射频/微波能量的最佳传输。 影响射频/微波信号功率的主要电路如下所示。 通常由消耗材料(电阻性材料)构成，有固定衰减量和可变衰减量的区别。 (2)功率分离器：可以将一个射频/微波信号分成几个路径的组件，并且希望分配后的信号损耗尽可能地小。 功分器也能够用作功率合成器，向各分支电路连接相同频率的相同振幅的信号，在主电路上叠加输出。 57348； 25、(3)耦合器：定向耦合器是一种特殊的分配器。 通常将一部分功率耦合到分支电路，以检测主电路信号的操作状态是否正常。 支线耦合器和环形桥耦合器可以实现不同相位的功率分配/合成，与微波二极管合作，多种功能微波电路，如混合、频率变换、移位相等的(4)放大器：提高射频/微波信号功率的电路在射频/微波工序中极为重要接收中使用的是小信号放大器，该放大器重视低噪声、高增益。 用于发射的是功率放大器，并不吝惜装置和电源成本以便满足此类放大器所需的输出功率。 测试设备中使用的放大器，完善和丰富了设备的功能。 在特定频率下，阻抗26、3 .是描述各种射频/微波电路对微波信号的能量传输的影响的参数。 电路材料和结构对工作频率的响应确定电路阻抗的参数的量值。 工程实际上，必须改善阻抗特性，实现能量的最大传输。 相关的射频/微波电路如下：喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀耶耶6 (2)阻抗匹配器：的特定阻抗变换器，实现两个阻抗之间的匹配。(3)天线：的特定阻抗匹配器实现射频/微波信号的闭合传输线与空气介质之间的匹配传输。 27，1.4射频/微波电路的应用，射频/微波电路的典型应用是通信和雷达系统。 近年来，发展最快的几个个人通信系统自不必说，导航、遥感、科学研究、生物医学和微波能源的应用也占据了很大的市场份额。 射频/微波电路的各种应用总结并给出了几个应用实例。 (1)无线通信系统：空间通信、电信、无线对话、蜂窝移动、个人通信系统、无线LAN、卫星通信、航空通信、航海通信、机车通信、业馀无线等。 喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓！ 31、(5)射频识别：保安、防盗、入口控制、产品检查、身份识别、自动检票等。 57348； (6)广播系统：调幅(AM )、调频(FM )广播、电视(TV )等。 (7)汽车和高速公路：自动退避、路面警报、故障监视、道路交通、交通管理、速度测量、智能高速公路等。 (8)传感器：湿度传感器、温度传感器、长度传感器、探测传感器、机器人传感器等。 57348；32、(9)电子战争系统：间谍卫星、放射线信号监视、行军和封锁等。 57348； (10 )医疗应用：磁共振成像、微波成像、微波理疗、加热催化剂、病房监督等。 57348； (11 )空间研究：电波望远镜、外层空间探测等。 (12 )无线输电：在空对空、地对空、地对地传输电力等。33、雷达、34、35、36、卫星通信、37、38、39、无线电天文学望远镜、微波炉、40、41、微波治疗仪、42、1.5射频/微波系统的例子、1.5.1射频/微波通信系统； 1 .基本原理射频/微波通信的基本原理是利用其类似光传输特性，通过空气实现信息的无线通信。 如图13所示，基本通信系统是成对的发射机和接收器。 43、图1-3基本通信系统、44、2 .微波通信数据链路，图1-4是微波通信和专用微波数据链路的系统图。 45、图1-4微波通信数据链路系统示意图，46、3 .卫星通信图1-5是k波段卫星通信系统的地面站结构方框图。 图1-6是k波段卫星通信系统的示意图。 47、图1-5卫星地面站结构框图、48、图1-6卫星通信系统的示意图、49、1.5.2雷达系统； 1 .基本原理雷达的原理是无线探测和定位，基本原理是检测发射的微波信号撞击目标后反射回来，发射信号和接收信号的关系，确定目标信息。 图1-7示出了雷达的基本原理。 50、图1-7雷达的基本原理图，51、2 .脉冲雷达脉冲雷达是雷达的基本形式。 对连续波的微波信号进行脉冲振幅调制，发射的信号是微波脉冲。 回声脉冲信号和发射脉冲信号之间的时间差(微波传输的速度是光速)，可以确定目标距离。 图1-8是脉冲雷达的结构框图。 52、图1-8脉冲雷达的构成框图，53，3 .多普勒雷达多普勒雷达是依赖于移动目标的多普勒移位信息的雷达体制，具有很强的距离鉴别能力和速度鉴别能力，能在复杂的背景下检测目标。 如图1-9和图1-10所示，有连续波和脉冲两种形式。 54，图1-9连续波多普勒雷达结构示意图，55，图1-10脉冲多普勒雷达结构示意图，56，4 .高度计是各种飞机的必需仪表。 发送信号和接收信号的频率位移包括目标距离的信息。 如果目标是地面的话，就能确定飞机离地面的高度。 图1-11是c波段高度表的结构方框图。 57，图1-11C频带微波高度计结构框图，58，1.6射频/微波工程基础常识，