微波技术与天线1011020102

1、 微波技术与天线基础理论与军事应用 微波武器与智能天线1011020102孟庆文目录微波技术与天线基础理论与军事应用0一 摘要2二 微波技术2(1)微波（Microwave)的概念2(2)微波技术的发展3(3)均匀传输线理论4（4）微波网络6（5）微波元器件7二 天线8(1)天线的概念8（2）天线辐射与接收的基本理论9三 微波技术应用实例微波武器10四 天线的应用实例智能天线.12五 心得体会.14六 参考文献15一 摘要本文阐述了微波技术与天线这门课程的主要内容，在经过多年的发展后，微波技术与天线已经越来越深入大众的生活当中，并且分支越来越细，微波与天线在民用和军用方面都很广泛，本文主要从微

2、波技术与天线技术的发展和具体应用两个方面来阐述。 微波，天线与电波传播是无线电技术的一个重要组成部分，他们三者研究的对象和目的有多不同，微波主要研究如何导引电磁波在微波传输系统中的有效传输，他的特点是：希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射滴传输，对传输系统而言，辐射是一种能量的损耗：天线的任务则是将导行波变换为向空间定向辐射的电磁波，或将在空间传播的电磁波变为微波设备中的导行波，因此天线有两个基本作用：一时有效的辐射或者接受电磁波，另一个是吧无线电波能量转换为导行波能量；颠簸传播则是分子和研究颠簸在空间的传播方式和特点。取自参考文献【1】二 微波技术(1)微波（Microwave)的概念

3、微波也是无线电波，但他是一个比普通无线电波段的波长更短（频率更高）的波段，故名微波。目前把波长为0.1m1mm的电磁波成为微波，气对应的频率在300MHZ3000GHZ,此波段就成为微波波段，有次可见微波是指波长很短的波,，从频率上看，恰好相反，频率非常高，对应数值也很大。 对于电磁频谱，按照从波长较长（频率较低）到波长愈来愈短（频率愈高）的次序可排列为：普通无线电波，微波，红外线，可见光，X射线和射线，可见，微波波段的低频段与普通无线电波中超短波的高频端相毗邻，而高频端则与红外线的低频端相衔接。(2)微波技术的发展 随着科学技术的迅速发展和生产工艺的不断改进，微波技术已在许多工业生产领域得到

4、应用。在国内，微波技术已应用于玻璃纤维、化工产品、保温材料、木材等的干燥，食品、医疗的灭菌、干燥和焙烤。并在医疗、环保、农业等领域也有所应用。微波技术的应用，提高了生产效率和产品质量，降低了能耗和环境污染，减轻了人的劳动强度，提高了生产效益。在国际上，许多工业发达国家都对微波的工业应用非常重视，把微波技术作为改进生产工艺和提高产品质量的重要手段。 微波技术的应用记载第二次世界大战前几年才开始，尽管在19世纪末，人们已经知道了超高频的许多特性，赫兹用火花振荡器得到了微波信号，并对其进行了研究。但盒子本人并没有想到将这种电磁波用于通信，他的实验仅是证实了麦克斯韦的一个语言电磁波的存在。他在给朋友的

5、信中甚至否认了将微波用于实际的可能性，因此很长一段时间内对微波没有更深入的研究。 20世纪初期对微波技术的研究又有了一定的进展，但仅限于实验室的研究。此阶段研制出了磁控管，速调器及其他一些新型的微波电子管。这些器件的功率较小，效率也很低在1936年4月美国科学家south worth用直径12.5cm的青铜管将9cm的电磁波传输了260m远。这一实验结果激励了当时的研究者，因此他证实了麦克斯韦的另一个预言电磁波可以再空心的金属管中传输，因此在第二次世界大战中微波技术的应用就成了一个热门的课题。 战争的需要，促进了微波技术的发展，而电磁波在波导中传输的成功，有提供了一个有效的能量传输的设备，因此

6、，这是微波电真空振荡器及微波器件的发展十分迅速。在1943年终于制造出了第一台微波雷达，工作波长为10cm。这一段由于战争的影响，只注重应用，理论问题的探讨远远落后于实际。 战后，可以人文是微波技术发展的第三阶段，这一阶段，不仅系统援救了微波技术的传输理论，而且乡镇多方应用发展，并且一直在不断的发展完善。取自参考文献【2】(3)均匀传输线理论 凡是用以引导电磁波的装置都称为传输线。（取自参考文献【1】），传输线分为a双导体传输线，b技术波导，c介质传输线。均匀传输线及其等效电路均匀传输线方程 特性阻抗Z： 传输线上入射波电压与入射波电流之比传播常数： 反映波经过单位长度传输线后波的幅度和相位变

7、化的一个物理量相速度v与相波长相速度定义为沿一个方向传播的波等相位点移动的速度，相波长定义为同一瞬间相位相差2的两点间的距离输入阻抗：对无耗均匀传输线, 线上各点电压U(z)、 电流I(z)与终端电压Ul、终端电流Il的关系如下： 反射系数：定义传输线上任意一点z处的反射波电压（或电流）与入射波电压（或电流）之比为电压（或电流）反射系数, 即：输入阻抗与反射系数的关系U(z)=U+(z)+U-(z)=A1e jz1+(z) I(z)=I+(z)+I-(z) = e jz1-(z)阻抗匹配： 分三种：负载阻抗匹配，源阻抗匹配，共轭阻抗匹配。 同轴线的特性阻抗： 同轴线是一种典型的双导体传输系统,

8、 它由内、 外同轴的两导体柱构成.（4）微波网络等效传输线：等效电压和等效电流 模式等效传输线单口网络：单口网络的传输特性：令参考面T处的电压反射系数为l, 由均匀传输线理论可知, 等效传输线上任意点的反射系数为：归一化电压和电流：由于微波网络比较复杂, 因此在分析时通常采用归一化阻抗, 即将电路中各个阻抗用特性阻抗归一, 与此同时电压和电流也要归一。 双端口网络的阻抗与转移矩阵：在各种微波网络中, 双端口网络是最基本的, 任意具有两个端口的微波元件均可视之为双端口网络。下面介绍线性无源双端口网络各端口上电压和电流之间的关系。 阻抗矩阵与导纳矩阵转移矩阵：转移矩阵也称为A矩阵,它在研究网络级联

9、特性时特别方便。（5）微波元器件5.1 连接匹配元件 (1) 短路负载(2) 匹配负载(3) 失配负载2. 微波连接元件微波连接元件是二端口互易元件, 主要包括: 波导接头、 衰减器、相移器、转换接头。 3. 阻抗匹配元件 (1) 螺钉调配器(2) 多阶梯阻抗变换器(3) 渐变型阻抗变换器5.2 功率分配元器件 1. 定向耦合器 1) 定向耦合器的性能指标 (1)耦合度(2)隔离度(3) 定向度 (4) 输入驻波比(5)工作带宽 2)波导双孔定向耦合器3)双分支定向耦合器4)平行耦合微带定向耦合器 2. 功率分配器将一路微波功率按一定比例分成n路输出的功率元件称为功率分配器。按输出功率比例不同

10、, 可分为等功率分配器和不等功率分配器。在结构上, 大功率往往采用同轴线而中小功率常采用微带线。 (1) 两路微带功率分配器 端口“”无反射; 端口“、”输出电压相等且同相; 端口“、”输出功率比值为任意指定值 (2) 微带环形电桥 微带环形电桥是在波导环形电桥基础上发展起来的一种功率分配元件。 3. 波导分支器将微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器, 它是微波功率分配器件的一种, 常用的波导分支器有E面T型分支、H面T型分支和匹配双T。 (1) E-T分支(2)H-T分支(3) 匹配双T5. 3 微波谐振器件在低频电路中, 谐振回路是一种基本元件, 它是由电感和电容串联或并联而成,

11、 在振荡器中作为振荡回路，用以控制振荡器的频率; 在放大器中用作谐振回路; 在带通或带阻滤波器中作为选频元件等。5.4 微波铁氧体器件1. 隔离器1) 谐振式隔离器2) 场移式隔离器3) 隔离器的性能指标2. 铁氧体环行器一个理想的环行器必须具备以下的条件:输入端口完全匹配, 无反射;输入端口到输出端口全通, 无损耗; 输入端口与隔离器间无传输。 于是环行器的散射参数应满足: 二 天线(1)天线的概念 无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接受无线电波的装置成为天线 天线的种类很多，按用途可将天线分为通信天线，广播电视天线，雷达天线等

12、；按工作波长，可将天线分为长波天线，中博天线，短波天线，超短波天线和微波天线等；按辐射远的类型可将天线分为两大类：线天线和面天线。所谓线天线是由半径小于波长的金属导线侯成，主要用于长波，中波，短波波段；面天线是由尺寸大于波长的金属或介质面构成的，主要用于微波波段，超短波波段则两者兼用。取自参考文献【1】（2）天线辐射与接收的基本理论基本振子的辐射电基本振子：电基本振子是一段长度l远小于波长, 电流I振幅均匀分布、 相位相同的直线电流元, 它是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可看成是由一系列电基本振子构成的。 磁基本振子的场：引入这种假想的磁荷和磁流的概念, 将一部分原来由电荷和电流产生的电

13、磁场用能够产生同样电磁场的磁荷和磁流来取代,即将“电源”换成等效“磁源”, 可以大大简化计算工作。 天线的电参数天线方向图及其有关参数：所谓天线方向图， 是指在离天线一定距离处, 辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的曲线图, 通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。 天线效率：天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比, 记为A， 即 增益系数：增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数, 它是方向系数与天线效率的乘积, 记为G, 即： G=DA极化和交叉极化电平：极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。具体地说,就是在空间某一固定位置上

14、,电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形,如果是直线, 就称为线极化;如果是圆就称为圆极化;如果是椭圆就称为椭圆极化。频带宽度(Frequency Band Width)：天线的电参数都与频率有关, 也就是说, 上述电参数都是针对某一工作频率设计的。当工作频率偏离设计频率时, 往往要引起天线各个参数的变化,输入阻抗与驻波比(Input Impedance and Standing Wave Ratio)：要使天线辐射效率高, 就必须使天线与馈线良好地匹配, 也就是天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗,才能使天线获得最大功率有效长度：有效长度是衡量天线辐射能力的又一个重要指标。 接收天线理论接收天线

15、主要考虑以下四个方面：1. 天线接收的物理过程及收发互易性2. 有效接收面积3. 等效噪声温度4. 接收天线的方向性三 微波技术应用实例微波武器 提起微波，很多人首先想到微波炉。微波炉的微波加热原理是基于物质对微波的吸收作用而产生的热效应。 微波炉是一种多功能、快捷、方便、能量转化均匀的加热工具。微波炉既能用于工业、医疗上进行加热与解冻、烘烤与干燥等，还能用于家庭进行烹饪、野外军事训练进行后勤保障的应用。 在未来的高技术战争中，人们很可能看到:太空中的侦察卫星和预警卫星等空间飞行器瞬间丧失功能成为“太空垃圾”；来袭导弹变成了无头苍蝇；对方的通信指挥控制情报系统突然瘫痪；飞机突然坠地或是因为胡乱

16、飞行而坠毁；正在有序行进的坦克车队忽然像中了魔一样，或突然停驶，或横冲直撞。这一切的形成都将归功于一种新概念武器高功率微波武器。这是一种目前正在研究发展的高技术武器，试验性高功率微波弹头已被美军在海湾战争中使用，数枚高功率微波炸弹配合其它武器曾使巴格达指挥系统一度中断。微波武器扬威21世纪，不仅会给武器系统带来质的变化，还将对作战方式带来革命性的影响，成为核威慑条件下信息战争的杀手铜。 当电子束以光速或接近光速通过等离子体时，产生定向微波能量，将这种波束能量高度集中，就会成为杀伤力很强的武器。基于这种原理，微波武器利用高增益定向天线，将强微波发生器输出的微波能量会聚在窄波束内，从而辐射出强大的

17、微波射束(频率为1300吉赫的电磁波)，直接毁伤目标或杀伤人员。由于微波武器是靠射频电磁波能量打击目标，所以又称“射频武器”。 高功率微波武器的关键设备有两个，即高功率微波发生器和高增益天线。高功率微波发生器的作用是将初级能源(电能或化学能)经能量转换装置(强流加速器等)转变成高功率强脉冲电子束，再使电子束与电磁场相互作用而产生高功率电磁波。这种强微波将经离增益天线发射，其能量汇聚在窄波束内，以极高的强微波波束(其能量要比雷达波的能量大几个数量级)辐射和轰击目标、杀伤人员和破坏武器系统。 微波武器的穿透力极强，能像中子弹那样杀伤目标(如装甲车辆)内部的战斗人员，如指挥人员、飞行员、武器装备操纵

18、人员等，从而瘫痪目标。不过微波武器对人体组织的杀伤，既非冲击伤，也非撞击伤，而是“软杀伤”，其杀伤作用是通过对人体产生热效应和非热效应而形成的。 热效应是强微波能量对人体照射引起的（如微波炉的效应）。微波照射人体时，一部分被吸收，一部分被反射。被人体吸收的强微波在人体内的细胞分子之间以惊人的速度碰撞、运动、产生强热效应。由于微波有很强的穿透力，所以不仅人体皮肤表面被加热，更重要的是人体内部器官组织也被加热。由于人体内深层软组织散热难，升温比表层更快，导致皮肤尚未感灼痛，深部组织已受损伤。当微波能量密度达20瓦/平方厘米时，照射1秒钟，就可能致人死亡。据美国研究表明，一次射频的直接闪击，大脑就可

19、死亡，整个神经系统会造成混乱，心跳和呼吸功能停止。未来高功率微波武器的作战运用主要有两种形式，一是地基固定式，即在固定地域配置高功率微波武器，以保护首脑机关的指挥中心、导弹发射阵地、重要城市、工厂、仓库、基地，配置若干个高功率微波武器系统，攻击来袭飞机、导弹，扰乱或摧毁这些来袭目标所使用的指挥、搜索、控制系统，使其丧失战斗力；另川一种是机动式，可分为机载、舰载、车载和弹载等几种形式，前三种分别以飞机、舰艇、车辆为平台，攻击空中、陆地、海上的各种目标，弹载则以各种导弹、炸弹为载体，利用爆炸能量产生微波能量攻击各类目标。随着航天技术的快速发展，微波武器的第三种作战形式己走进人们的视线，即将微波武器

20、装备在航天器上，攻击卫星等太空目标或地面、海上乃至空中目标。显然这第三种作战方式将随着太空战场越来越被重视而“行情看好。” 当然，微波武器和其它武器一样，也不是万能的。微波武器本身就需要一套情报、侦察、定位、发射、跟踪等相应系统的支持，干扰、破坏、摧毁这个系统中的任何一个环节也就是攻击了微波武器，此其一；微波武器最大弱点是易被反辐射导弹跟踪、攻击，此其二；被攻击的飞机、导弹、卫星等本身采取反微波措施，也能防微波武器的攻击。有矛就有盾，随着微波武器的研制发展和逐渐亮相，预防和对付的办法也会“与时俱进”。摘取自文章【4】 结合我所学的探测制导与控制技术专业，微波技术的应用将更加着重于武器方面的研究

21、， 微波武器-什么是微波武器？与常规武器、激光武器等相比，微波武器并不是直接破坏和摧毁武器设备，而是通过强大的微波束，破坏它们内部的电子设备。实现这种目的途径有两条：其一是通过强微波辐射形成瞬变电磁场，从而使各种金属目标产生感应电流和电荷，感应电流可以通过各种入口（如天线、导线、电缆和密封性差的部位）进入导弹、卫星、飞机、坦克等武器系统内部电路。当感应电流较低时，会使电路功能混乱，如出现误码、抹掉记忆或逻辑等；当感应电流较高时，则会造成电子系统内的一些敏感部件如芯片等被烧毁，从而使整个武器系统失效。这种效应与核爆炸产生的电磁脉冲效应相似，所以又称非核爆炸电磁脉冲效应；其二是强微波束直接使工作于

22、微波波段的雷达、通信、导航、侦察等电子设备因过载而失效或烧毁。因此，微波武器也被认为是现代武器电子设备的克星。四 天线的应用实例智能天线智能天线的基本工作原理是把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。它主要应用在信源定位确定阵列到信源的仰角和方位角，甚至距离(若信源位于近场)；源分离确定各个信源发射的信号波形。各个信源可从不同方向到达阵列，即使它们在时域和频域是叠加的；信道估计：确定信源与阵列之间的传输信道的参数(多径参数)。 自适应天线

23、系统（Adaptive Antenna Systems）是能够针对噪声、干扰和多径（Multipath,在发射机和接收机之间存在多条无线路径）而动态改变天线方向图的一个阵列，它能够实时改变方向图以跟踪用户。复杂的自适应天线系统应具备能够区分期望信号和非期望信号的能力。其工作原理是：自适应天线系统中的微处理器将解调出来的信号作为基准信号，将它与天线阵列的输出相减，得出误差信号，反馈控制网络根据误差信号的大小决定对各个天线阵元输出信号加权量wi的动态控制。方法之一就是，使用迭代的方法，以平方平均误差最小为目标，逐次更新w的取值，逐渐达到最佳，实现自适应的波束形成。在特定方向具有尽量高的增益及干扰源

24、方向有尽量低的增益。摘取自文章【5】 智能天线起源于军事上雷达和声纳系统中所采用的自适应天线。最初研究对象是雷达天线阵,目的是提高雷达的系统性能和电子对抗的能力。智能天线在合成孔径雷达(SAR)中的应用。智能天线在雷达中的应用体现在以下几点:提高雷达探测威力,对多个机动目标的跟踪能力,提高雷达抗干扰能力。智能天线在提高雷达抗干扰方面主要体现在高性能自适应抗干扰、电子对抗能力强以及隐蔽性好。采用智能天线技术的雷达系统有聚焦相控阵雷达(FOPAIR)和相控阵通用SAR(PHARUS)等。OUADRANT工程公司研制的FOPAIR,频率为10GHz,是128元连续采样的线性阵列,采用数字波束形成技术

25、产生96波束对海洋表面进行观察。同时在高图像对比度区域采用自适应算法抵消干扰信号,提高天线方向图特性。TNO公司研制的PHARUS,是频率为53GHz的偏振有源相控阵SAR,可在聚束模式下工作,提供零干扰和多目标跟踪。智能天线的应用越来越广,与SAR系统相关的最新应用如下。聚束SAR。与扇形波束扫描方式不同,笔形波束对准地面的某特定区域,以提高分辨力。非对地静止通信卫星在飞行过程中对某一区域提供覆盖时情况也是如此。补偿非理想运动的SAR天线平台。与采用方向系统的慢速机械补偿不同,快速电子补偿可以把SAR天线固定在小型飞机上,以降低运行成本,供恶劣条件下使用。补偿SAR阵列失真。为了减少重量,在

26、飞行过程通过测量形状以及主动失真补偿,可以放宽对平面的要求。双向波束形成。收发采用不同的天线方向图,可以通过用全功率统一激发发射来提高SNR。【6】五 心得体会 通过对微波技术与天线这门课程的学习，我了解了很多关于微波和天线方面的知识，这篇论文是通过课本，老师的课件还有一些课外书内容的深入学习总结出来的知识。 首先对微波技术方面，我了解到了均匀传输线理论、规则金属波导、微波集成传输线、微波网络基础、微波元器件、天线辐射与接收理论、电波传播概论、线天线的基本知识。以前对于这些知识，听着都十分的熟悉，但是不知道是什么，现在对也对这些知识有一些初步的了解。同时，也对其在军事领域的发展有了更多的认识，对于微波的实际应用也比前更加清晰，也不仅仅局限于对微波炉的了解了，结合我所学的探测制导与控制技术专业，在微波方面对导弹制导，我想微波也可以发挥很大的作用，我也查阅了很多资料比如说在1987年第三期出版的系统工程与电子技术这本杂志里面就提到了导弹制