微波与毫米波技术基本知识

关于微波与毫米波技术基本知识提纲概述1电磁场与电磁波2无线电波传播特性4毫米波的特点5无线电系统组成6毫米波应用(测速雷达有关问题)第2页,共69页，2024年2月25日，星期天概述我们周围充斥着无线电波，学名叫“电磁波”，例如：电视、广播、通信、雷达、导航、各种家用电子…….

它们工作在不同频段，但有一个共同的特点：由发射机、接收机和天线组成。发射机发射的带有信息的信号能量通过发射天线转换为电磁波接收天线将接收到的电磁波变换成传输能量送到接收机，这样就完成了信息的无线传输。第3页,共69页，2024年2月25日，星期天无线电系统组成发射机（信号产生、放大）接收机（信号放大、变换）接收终端（信息处理）发射天线（辐射能量）接收天线（搜集能量）发射终端（信息产生）第4页,共69页，2024年2月25日，星期天概述本讲座介绍无线系统的射频部分相关知识，包括天线、发射机、接收机以及电磁波的基本知识，微波部件和子系统参数测量的基本原理和方法，使学员建立电磁场与微波技术的基本概念，奠定设计、调试微波部件和子系统的技术基础。第5页,共69页，2024年2月25日，星期天一、电磁场与电磁波电磁波是能量在空间传播的一种形态。电磁场是描述电磁波的一种方式。电场和磁场总是紧密联系在一起的。在交流电路中，通电线圈周围要产生磁场，如果电流的大小随时间变化，所产生的磁场也会随时间变化；线圈在恒定磁场中移动，将在线圈中产生直流电；如果是在随时间变化的磁场中移动，将在线圈中产生交流电。第6页,共69页，2024年2月25日，星期天电磁场的概念我们能否把交流电路的概念推广到电磁场中呢？人类认识客观世界，发现新的事物，有两种方式：（1）从生产实践、科学实验中观察分析后发现新的事物；（2）从科学理论出发，预言新的事物存在。电磁波的发现，属于后一种。第7页,共69页，2024年2月25日，星期天电磁场的概念源于麦克斯韦的预言麦克斯韦的预言：如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场……如此周而复始；变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场第8页,共69页，2024年2月25日，星期天麦克斯韦预言麦克斯韦提出了有旋电场的概念和位移电流的假设，揭示了电磁场的内在联系和相互依存，麦克斯韦熟练地运用了当时正在发展的矢量分析，找到了表述电磁场（空间连续分布的客体）的适当数学工具，得到了描述电磁场特性的规律，并预言了电磁波的存在——这就是著名的麦克斯韦方程。10年后，他的学生赫兹用实验方法证实了麦克斯韦的伟大预言，发射并接收了电磁波，从而开创了无线电技术的新时代。

第9页,共69页，2024年2月25日，星期天

麦克斯韦预言麦克斯韦的理论要点之一

——变化的磁场产生电场：

变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。麦克斯韦认为,线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，这是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。第10页,共69页，2024年2月25日，星期天

麦克斯韦预言麦克斯韦的理论要点之二

——变化的电场产生磁场：麦克斯韦研究了电现象和磁现象的相似和联系．提出一个假设：变化的电场产生磁场。根据麦克斯韦的理论，在给电容器充电的时候，不仅导体中电流要产生磁场，而且在电容器两极板周期性变化着的电场周围也要产生磁场。第11页,共69页，2024年2月25日，星期天

麦克斯韦预言麦克斯韦根据自己的理论进一步预言：如果在空间某域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场……

可见，变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。第12页,共69页，2024年2月25日，星期天

麦克斯韦预言麦克斯韦预言的基本要点概括如下：（1）变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围产生磁场；（2）均匀变化的磁场，产生稳定的电场，均匀变化的电场，产生稳定的磁场；这里的“均匀变化”指在相等时间内磁感应强度（或电场强度）的变化量相等，或者说磁感应强度（或电场强度）对时间变化率一定.第13页,共69页，2024年2月25日，星期天

麦克斯韦预言（3）不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变化的电场产生变化的磁场；（4）周期性变化（振荡）的磁场产生同频率的振荡电场，周期性变化（振荡）的电场产生同频率的振荡磁场；（5）变化的电场和变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场，它们向周围空间传播就是电磁波。第14页,共69页，2024年2月25日，星期天电磁波

这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，并且由发生的区域向周围空间传播．电磁场由发生区域向远处传播就是电磁波。电磁波是一种以巨大速度通过空间而不需要任何物质作为传播媒介的粒(量)子流，具有波粒二象性。波动性可以用波长，波数，频率表征。第15页,共69页，2024年2月25日，星期天电磁波波长是波传播路线上具有相同振动相位的相邻两点之间的线性距离，频率是每秒的波动次数，单位为Hz。真空中有如下公式：频率＝光速/波长光速＝30万公里/秒波数＝2π/λ第16页,共69页，2024年2月25日，星期天麦克斯韦方程(微分形式）法拉第电磁感应定律安培全电流定律磁通连续性高斯定律三个组成关系：电荷守恒定律第17页,共69页，2024年2月25日，星期天麦克斯韦方程（积分形式）法拉第电磁感应定律安培全电流定律磁通连续性高斯定律电荷守恒定律第18页,共69页，2024年2月25日，星期天电磁场量和电路量电压磁势电通量磁通量电流电荷由积分形式可看出场量与电路量之间的关系：第19页,共69页，2024年2月25日，星期天电磁场和电路定律将麦氏方程改写成电路方程：法拉第电磁感应定律安培全电流定律磁通连续性高斯定律电荷守恒定律第20页,共69页，2024年2月25日，星期天电磁场和电路定律用求和表示积分：克希霍夫电压定律（电磁感应定律）克希霍夫电流定律（电荷守恒定律）第21页,共69页，2024年2月25日，星期天电磁频谱通常将电磁频谱分为长波、中波、短波、超短波、微波、毫米波、亚毫米波、红外和光波，其对应的频率如表1所示。不同频段的电磁波传播特性不同，它们的用途也不同。第22页,共69页，2024年2月25日，星期天常用频段称呼射频(RF)：1MHz-1GHz(广义射频指无线电频率）微波：1GHz-30GHz毫米波：30GHz-300GHz亚毫米波：300-3000GHz(1000GHz=1THz)红外：300-416000GHz(1000THz=1pHz)可见光：0.76－0.4µm第23页,共69页，2024年2月25日，星期天表1无线电频段划分名称长波中波短波超短波(VHF)微波和毫米波频率15－100kHz100－1500kHz1.5－30MHz30－300MHz300MHz以上波长20km－3km3km－200m200m－10m10m－1m1m以下第24页,共69页，2024年2月25日，星期天表2微波频段划分(UHF)名称PLSCXKuK频率225-390MHz0.39-1.55MHz1.55-3.9GHz3.9-6.9GHz6.9-12.4GHz12.4-18GHz18-26.5GHz波长133.2-76.9cm76.9-19.3cm19.3-7.69cm7.69-4.35cm4.35-2.42cm2.42-1.67cm1.67-1.13cm第25页,共69页，2024年2月25日，星期天表3毫米波频段(EHF)名称KaQUVEWFDG频率GHz26.5-4033-5040-6050-7560-9075-11090-140-110-170140-220波长mm11.3-7.59.1-67.5-56-45-3.34-2.73.3-2.12.7-1.72.1-1.4大气透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz大气吸收频段：60GHz，120GHz,185GHz第26页,共69页，2024年2月25日，星期天二、无线电波传播特性长波在地面与电离层下边界之间形成的“球形波导”内以空间波形式传播；中波在白天以表面波形式传播，而夜间既有表面波也有空间波形式传播；短波的远距离传播则依靠电离层反射的空间波；白天与夜晚电离层高度和密度差别大。无线电波正是依赖电离层的反射才有可能实现远距离传播。第27页,共69页，2024年2月25日，星期天无线电波传播特性大气层是包围地球表面并和地球一起作为一个整体旋转的气体外壳。地表属于大气层下界，而上界是不定的。从无线电波传播的观点来看，大气层分为三层：对流层、平流层、电离层。这些区域之间的界限不是很明显，并且它们与时间和观察点的地理位置有关。第28页,共69页，2024年2月25日，星期天无线电波传播特性对流层的上界被称为对流层顶，在赤道上空为16－18公里，在温带纬度为10－12公里，而在极地地区为7－10公里。对流层高度季节性变化很小。平流层从对流层延伸到约50－60公里的高度。电离层位于平流层之上，大气层上界以下。对流层和平流层的区别在于其温度随高度分布的规律不同。电离层与大气层下面区域的区别在于是否具有大量的自由电子和离子。电离层分为为D

层,E

层,F1层和F2层。第29页,共69页，2024年2月25日，星期天无线电波传播特性大气层中的主要成分是氧气和氮气,其温度在离地90公里以上随高度增加而增加,由于太阳辐射和其它宇宙射线的作用,在距地面约90公里起氧气开始离解；在距地面约200公里起氮气开始离解:将产生电子和离子的过程称为电离过程;消失电子和离子的过程称为复合过程。实际上,电离与复合过程是同时存在的。

电离层就是这种种过程形成的电子和正、负离子的复合体。因此,电离层要受到太阳活动的影响，因而白天和夜晚差别较大。第30页,共69页，2024年2月25日，星期天无线电波传播特性

电离层基本结构特征在地球北纬地区(我国处在此区)的实验结果如下表所示.

电离层并不能反射所有频率的电磁波，反射频率与离子浓度有关。电离层也吸收电磁波，如白天形成的D层使短波传播衰减，因而白天不能收到远距离电台，夜间D层消失，可收到远地台。第31页,共69页，2024年2月25日，星期天无线电波传播特性

超短波以上频段的电磁波基本上是视距传播，频率越高，其特征越接近于光波；大气特性对毫米波频段以上的电磁波传播衰减与频率有密切关系。

大气电参数的不均匀性、气候和天气现象会导致传播媒质与其中传播的无线电波发生作用，产生如下效应：（1）无线电波传播轨迹的弯曲（折射）；（2）极化面旋转；（3）大气气体对无线电波的吸收（衰减）；（4）水凝物对无线电波的吸收和散射；（5）固体微粒和大微粒（尘粒和沙粒）对无线电波的吸收和散射；（6）大气湍流不均匀性对无线电波能量的耗散；（7）信号色散失真。第32页,共69页，2024年2月25日，星期天大气对无线电波的衰减第33页,共69页，2024年2月25日，星期天地球曲率的影响当R≤0.8Rmax时，属于视线区，当，为半阴影区，当，则为阴影区。视距第34页,共69页，2024年2月25日，星期天地球曲率的影响第35页,共69页，2024年2月25日，星期天雷达回波的多径效应

电磁波入射到物体表面将产生反射、散射和绕射，天线接收到的信号是直接波与这些波的合成。所谓多径效应，就是来自不同路径的波对系统的影响，其中主要是地面反射的影响。当地面不平整高度△h满足下式（瑞利准则）时，地面可视为平坦的，可按镜面考虑：其中θ是电磁波的入射余角，即与地面夹角。第36页,共69页，2024年2月25日，星期天正向波束与来自地面的反射波束的干涉（平坦地面）第37页,共69页，2024年2月25日，星期天平坦地面的影响平坦地面的干涉因子雷达接收的信号与天线高度和距离有关，可用干涉因子Φ表示。第38页,共69页，2024年2月25日，星期天毫米波在地球大气中衰减的物理原因◆毫米波在地球大气中传播时，由于大气气体的吸收，水凝物（雨、冰雹、雪、雾、云）的散射和吸收电场强度会发生衰减；◆在地球与人造地球卫星通信线路上传播时，由于核爆炸、流星侵入和其它因素作用下出现的大气吸收,电场强度会发生衰减。◆大气气体的吸收具有双重特性：

非谐振吸收和谐振吸收—

在10GHz频率以上尤为明显。第39页,共69页，2024年2月25日，星期天雨、雾、云和冰雹的衰减

◆雾依其形成条件也分为三种

—辐射雾、平流雾、汽化雾。

◆辐射雾形成的主要原因是来自地表和空气下层的自由辐射，空气因此变冷凝结。

◆平流雾在湿热空气流经较冷的表面时产生，其持续时间最长。

◆汽化雾在冷空气流经热水面时出现。第40页,共69页，2024年2月25日，星期天各种强度雨的主要特性雨的类型

雨的强度mm/h

雨滴半径mm

1

m3内的雨滴数

雨滴间平均距离cm

含水量

g/m3

毛毛雨

0.250.10.092

小雨

10.2250.14中雨

4

0.5530120.28

大雨15

0.75

4500.83

暴雨4011.9倾盆大雨

100

1.5-2.5

400

14

5.4

第41页,共69页，2024年2月25日，星期天路径衰减γд与雨的强度I的关系1–30GHz2–40GHz3–80GHz4–100GHz5－250GHz

第42页,共69页，2024年2月25日，星期天雪的衰减a)图：1–35GHz，2–95GHz，3–140GHz，4–217GHz上的路径衰减γ与降雪ρ的关系；b)图：1－140GHz频率上的路径衰减γ与等效降雪强度(I)的关系；2－毫米波在140GHz频率上的路径衰减γ与降雨强度(I)的关系

第43页,共69页，2024年2月25日，星期天毫米波频段的特点毫米波介于微波、红外和光波之间，其特征：与红外和光波比较：◆毫米波比红外或者光波能更好地穿过雾、雨、烟和尘埃等媒质，穿过等离子体时衰减不大。◆在毫米波频段，由大气中的水蒸汽和氧分子引起的衰减与频率有关，可实现对无线电波传播路径和大气层进行遥测和遥控的高效频谱分析。◆在使用相同工作频率的各种无线电系统间有较好的电磁兼容性和抗干扰能力；有利于系统保密性。

第44页,共69页，2024年2月25日，星期天毫米波的特点

与微波比较：

◆毫米波频段的波长更短，在天线孔径相对较小的情况下，实现更高的角分辨能力——在进行目标导航、定位和跟踪时，实现目标在空间上的更高定位精度；◆目标信号与无源干扰信号的比值更高，并对有源干扰具有更好的抗干扰稳定性。第45页,共69页，2024年2月25日，星期天毫米波的特点◆在毫米波频段，由于信道和无线电电子设备的有源器件绝对频率带宽更宽，◆因此，具备更高的信息传输能力，尤其是提高了有源无线电定位时的距离分辨率和无源无线电定位（辐射计）的灵敏度。◆多普勒频移高，易于提取；在相参毫米波雷达系统中，在杂波背景下实现更高的目标速度分辨率和更佳的目标可观测性。第46页,共69页，2024年2月25日，星期天毫米波的特点◆毫米波可用频带宽。频带宽可以提高信息的传输率，这为日益拥挤的微波频段的通信领域开辟了新天地，也为目标识别增加了手段。毫米波的主要缺点是：在大气层中传播时频率选择性吸收和散射比较低频率上的无线电波更为严重，特别是在大气中存在水凝物和其它不均匀性条件下。因此，毫米波更适用于短程无线电系统。

第47页,共69页，2024年2月25日，星期天天线基本知识天线是能量变换器：将空间的电磁波能量变换为传输能量，或者将传输能量变成向空间辐射的电磁波能量。这就要求：（1）与发射机或接收机的传输线匹配；（2）与自由空间的波阻抗匹配；（3）具有一定的方向性，即向指定空间辐射；（4）具有要求的极化特性。第48页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的特性参数（1）增益（2）辐射方向图（3）输入驻波系数（4）极化第49页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的特性参数

——辐射方向图

一天线用作发射时在空间各方向上的辐射是不均匀的，而天线用作接收时从各方向上接收的能量也是不均匀的。（天线作为发射和接收性能相同。）天线的这种方向选择性可用它的辐射方向图描述。第50页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的辐射特性辐射方向图通常由下列参数描述：H面和E面3dB波束宽度；H面和E面第一副瓣电平；H面和E面远副瓣最高电平或平均电平。对于单脉冲天线，还要求：（1）和差矛盾，即差波束与和波束最大值之差（2）差波束的零点深度，即差波束交叉点最小值与最大值之差。第51页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的特性参数

——方向性系数和增益方向性系数增益＝方向性系数╳效率第52页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的特性参数

——极化

⊙电磁波的极化：表示作为时间函数的场矢量端点轨迹的取向和形状。⊙包括：线极化波（垂直、水平）圆极化波（左旋、右旋）椭圆极化波第53页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的极化特性椭圆极化波可视为两个同频线极化波的合成，或两个同频反向圆极化波的合成。两线极化场的情况，它们位于垂直于传播方向的平面上，取向分别为x轴和y轴，相位差为δ：Ex=E1sin(wt)

Ey=E2sin(wt+δ)“瞬时”合成矢量的端点轨迹是一个椭圆方程：第54页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的极化特性描述椭圆极化特性的参数：椭圆极化特性可由三个参数表示：（1）轴比AR（长轴与短轴之比）；（2）倾角（参考方向与椭圆长轴间的交角，当沿传播方向观察是，倾角为顺时针方向的角度）；（3）旋转方向：当观察者沿波的传播方向由发射端向接收端看去，极化平面内电场矢量的旋转方向为顺时针时，极化方向被为右旋，否则称为左旋。第55页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的极化特性当入射平面波的极化椭圆在给定方向上与接收天线具有相同的轴比、倾角和极化方向时，由此给定方向上天线将获取最大信号。若入射波的极化与接收天线的极化不匹配，将产生极化损耗，其大小由极化效率给出。极化效率定义为：天线实际接收的功率与极化匹配良好时天线在此方向所应接收的功率之比。第56页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的特性参数

——输入驻波系数

天线的输入阻抗是天线在馈电点的电压与电流的比值。天线阻抗设计的目的就是要提供一匹配阻抗，以保证最大功率传输。输入驻波系数表示天线阻抗与馈线的匹配程度：驻波系数：其中，Γ是反射系数第57页,共69页，2024年2月25日，星期天天线的基本类型（1）元天线：单极天线、环天线、缝隙天线、微带辐射器等（2）行波天线：菱形天线、螺旋天线、对数周期天线、表面波天线、长介质棒等（3）阵列天线：平面阵、侧射阵、共形阵、自适应阵、极化分集天线、相控阵天线、DBF天线等（4）孔径天线：反射器天线、双反射器、喇叭天线、透镜天线等。第58页,共69页，2024年2月25日，星期天微带天线和微带天线阵在一个薄介质基板上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片。在导体贴片和接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线也可看作为一种缝隙天线。第59页,共69页，2024年2月25日，星期天微带天线和微带天线阵微带天线单元的增益一般只有6dB－8dB。为获得更大增益,或为了实现特定的方向性要求,常采用由微带辐射元组成的微带阵列天线。第60页,共69页，2024年2月25日，星期天微带天线和微带天线阵第61页,共69页，2024年2月25日，星期天微波/毫米波系统构成

传输线及不连续性无源和有源器件(半导体或电真空)

微波部件微波模块微波系统第62页,共69页，