1、一 微波的波长(或频率)范围 二 微波的主要特性 三 微波的发展和应用,绪论,绪论,一 微波的波长(或频率)范围,绪论,一般定义 波长：1m 1mm，频率：0.3300GHz。 广义定义 波长：1m 0.03mm，频率：0.310000GHz。 本书定义 波长： 1m 0.1mm，频率：0.33000GHz。,绪论,一 微波的波长(或频率)范围,在实际应用中，为了方便，在微波波段内部又进行了细分，见表0.1。,表0.1 微波波段的细分,这四个波段的电磁波各有其特性，不仅传输方式有所区别，而且元器件的构成方法也不相同。,一 微波的波长(或频率)范围,本书定义 波长：m 0.1mm，频率：300M
2、Hz3000GHz。 纵观“左邻右舍”它处于超短波和红外光波之间。,微波在整个电磁波频谱中所处的位置见图0.1。,一 微波的波长(或频率)范围,一 微波的波长(或频率)范围,一 微波的波长(或频率)范围,太赫兹(THz)波是指频率在0.310THz(波长为100030m)范围内的电磁波，它在电磁波谱中占有很特殊的位置，处于电子学向光子学的过渡区域。,一 微波的波长(或频率)范围,(1) 量子能量和黑体温度很低(2) 许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。(3) THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，因此可
3、用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射还可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用。(4) THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用。(5) 带宽很宽(0. 310THz)。(6) 可形成很窄的脉冲(飞秒级)。,一 微波的波长(或频率)范围,表 电磁波的频谱,习惯上还把微波中常用波段分别以拉丁字母作代号， 表0.2 微波常用波段代号 波导的结构尺寸，p299 课本p4页第三段,一 微波的波长(或频率)范围,一 微波的波长(或频率)范围,工业、科学、医学的微波加热专用频率是915+-25MHz，2450+-50MHz，5800+-75MHz，22125+-
4、125MHz,一 微波的波长(或频率)范围,二 微波的主要特性,二 微波的主要特性,微波特性,似光性,卫星通信,穿透电离层,天文学研究,量子特性,微波波谱学,时间延迟,微波管,频率高,多路通信,研究方法,两种,1.渡越时间效应及传播延时效应 渡越时间效应是指电子管内电子在极间渡越的时间引起的效应。此效应在微波频段，由于振荡周期与电子极间渡越时间的可比性而不能忽略，因此，研制微波管必须充分考虑它的影响。微波振荡周期(10-910-12s)与电子管内电子的渡越时间(约10-9s)有相同的数量级，甚至还要小。因此，微波振荡的产生和放大已不能再用普通电子管，而必须采用原理上完全不同的微波电子管(速调管
5、、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件。,二 微波的主要特性,传播延时效应是微波电路中电磁波从一处传输到另一处，因传播速度有限而需要一定的时间所产生的效应。它对任何频段的无线电波都是存在的。不过在低频时，电路的尺寸工作波长，传播延时远远小于振荡周期，延时可以忽略不计;可将整个电路中电压、电流的相位视为不随空间位置变化而仅随时间变化。但在微波波段，电路的尺寸与工作波长可以比拟，电磁波在其中的传播延时不能忽略，电路各点的场具有不同相位，它们既随时间变化也随空间变化。致使以基尔霍夫定律和电压、电流概念为基础的低频电路分析方法不能直接描述微波电路中发生的现象。微波电路的结构也有别于低频电路。因此
6、，分析微波电路必须采用更一般的方法场的分析方法(在一定条件下，工程上也将场等效为路来研究)。,二 微波的主要特性,二 微波的主要特性,2.似光性和似声性1.微波的频率高且波长很短，与几何光学相似，即似光性。 2.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，即似声性。,二 微波的主要特性,3.频率高 、频带宽由图0.1可以看出，微波所占据的频带比超短波以下的整个频段要宽约10000倍。所以微波的信息容量是低频无线电波所无法比拟的。微波使用频带宽，信息容量大；同时可提供幅度相位信息、极化信息、频率信息。但由于其振荡周期很短(10-910-12s)，则趋肤效应、辐射效应、相位滞
7、后等可在低频忽略的一些现象和效应，此时则不能忽略。所以在研究微波问题时要采用电磁场和电磁波的概念和方法。不能采用集总参数元件的方法。,二 微波的主要特性,4.穿透性 1.微波能穿透电离层；2.穿透云、雨、植被、积雪和地表层；3.穿透生物体；4.穿透等离子体。,二 微波的主要特性,微波的大气传播特性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。 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。 3.四个传播衰减相对较小的“窗口”，其中心频率分别在35、94、140和220GH
8、z，相应波长分别为8.6、3.2、2.1和1.4mm； 4.随着电磁波的工作频率升高，总的衰减呈上升趋势。,二 微波的主要特性,氧气分子吸收峰60GHz和120GHz 水蒸气吸收峰在22GHz和183GH “窗口”，频率35、94、140和220GHz,二 微波的主要特性,5.量子特性 电磁波具有波粒二象性，根据量子理论，电磁辐射的能量不是连续的，而是由一个个的“能量子”所组成，每个量子具有与其频率成正比的能量 Eh f 其中h6.6261034 J*S，是普朗克(Planck)常量。低频无线电波的频率很低，量子能量甚小，故其量子特性不显著。与微波频率相应的量子能量范围是10-510-2eV，
9、故在低功率电平下，微波的量子特性将明显地表现出来，当微波与物质相互作用时，应该考虑到这种量子效应。 许多原子和分子发射和吸收的电磁波能量正好处于微波波段内，人们正是利用这一特点研究分子和原子的结构，发展了微波波谱学、量子电子学等新兴学科，并研制了量子放大器、分子钟和原子钟。,二 微波的主要特性,6.研究方法,场的方法,路的方法,由麦克斯韦方程组出发，求波动方程的特解-得到场的时空变化规律,路的方法：类比低频电路，采用等效电压、等效阻抗等概念。在一定的条件下，用“路”的理论求解,研究方法,本征模理论,广义传输线理论,1)视距传播特性各波段电磁波的传播特性是不一样的，长波可沿地表传播，短波可利用电
10、离层反射实现天波传播，而超短波和微波只能在视距内沿直线传播，这就是微波的视距传播特性。由于地球表面的弯曲和障碍物(高山、建筑物等)的阻拦，微波不能直接传播到很远的地方去，因此在地面上利用微波进行远距离通信时，必须建立中继接力站，并使站与站之间的距离不超过视距。通过中继站的接收和发射，微波信号就像接力棒一样一站一站地传递下去，这样显然增加了通信的复杂程度。,二 微波的主要特性,微波的缺点,微波中继通信示意图,微波中继通信是在远距离的两地之间每隔一定距离设置一个中继站，每个中继站定向接收上一站发来的微波信号，并对它进行放大、变频后继续定向向下一站发送，一站一站的接力直至终点。,采用中继站的原因是为
11、了克服地球曲率的作用和微波在传输过程中的衰减。两个中继站之间的距离约 50 km。,卫星通信示意图,卫星通信是由地面站和通信卫星所组成的，它是利用人造同步地球卫星作为中继站来实现两个地面站之间通信的。因为只有微波能够穿透电离层，故卫星通信必须采用微波。,二 微波的主要特性,2) 分布参数的不确定性由于分布参量有明显的不确定性，这就增加了微波理论与技术的难度，从而也增加了微波设备的成本。,3) 电磁兼容与电磁污染,三 微波的发展和应用,三 微波的发展和应用,发展史： 第一阶段：1940年以前，-实验室早期研究阶段，主要研究微波产生的方法。 第二阶段：1940年-1945年，应用于雷达 第三阶段：
12、应用于通信，广播，电视,三 微波的发展和应用,微波应用,雷达,通信,微波成像、遥感,微波能源,生物医学,微波辐射,电子对抗,科学研究,目前，微波技术的应用已经遍及尖端科技、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。下面介绍微波的主要应用。,雷达,雷达（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 。,雷达,对目标进行探测和定位,(1)公共应用：机场监视、空中交通
13、管制、海上导航、气象雷达、测量学、飞机着陆、夜间防盗、汽车防撞、速度测量(警戒雷达)、测绘等。,(2)军事应用：空间和海事导航，飞机、导弹、空间飞行器的定位、检测和跟踪，导弹的精确制导，导弹和火炮的点火控制，武器保险、侦察等。,(3)科学应用：天文学、绘图和成像，精密距离测量，自然资源遥感等。,雷达是微波技术发展的策源地。它可以根据测定目标的反射回波来确定其位置、距离和速度。根据微波能够穿透电离层的特性，可以用雷达探测外层空间的目标(导弹、卫星、宇宙飞船)。,三 微波的发展和应用,通 信,1901年马克尼使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试
14、验,20世纪20年代初 短波通信,20世纪60年代 卫星通信,20世纪80年后 移动通信,三 微波的发展和应用,通 信,微波具有极高的频率和极宽的频带，特别适合于作大容量通信的载波，可以传输几千路电话和几十路电视。微波通信的主要方式有微波中继通信和卫星通信。 微波有线通信系统，较早的有同轴电缆、毫米波金属圆波导，目前正向光纤通信发展；微波无线通信有微波接力通信和正在大力发展的卫星通信。,三 微波的发展和应用,通信,移动通信,GPS,蓝牙技术,广播电视,中继通信,卫星通信,蓝牙技术为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。,美国为66%;日本为50%;法国为54%;,无线微波接入
15、,网络,国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上。,蜂窝电话(Cellular)：为了能容纳大量的用户，我们可以把一个地理区域划分成许多小区。我们不是采用单个大功率的发射器，而是每一个小区由一个小功率的基站(base station)来提供服务。由于这些基站能够影响的范围比较有限，因此同一频谱可以在一个远离一定距离的另一个小区中再次使用。频率的再使用以及越区切换(handoff)的操作方式合在一起就构成了小区(蜂窝)概念的主体。,三 微波的发展和应用,三 微波的发展和应用,全球定位系统 1575.42MHz1227.60MHz,全球定位系统(Global Positio
16、ning SystemGPS)属于美国第二代卫星导航系统。GPS系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。GPS能覆盖全球，用户数量不受限制。精码保密，主要提供给本国和盟国的军事用户使用；粗码提供给本国民用和全世界使用(汽车、手机等民用)。精码给出的定位信息比粗码的精度高。GPS一次定位时间仅几秒到十几秒，用户不发射任何电磁信号，只要接受卫星导航信号即可定位，所以可全天候昼夜作业，隐蔽性好。,三 微波的发展和应用,超宽带(Ultra WidebandUWB)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。由于UWB采用时域压缩的信号波形， 因此其能量分布在很宽的频带范围内，且功率
17、谱密度极低。所以UWB系统可以与现有的窄带通信系统共存而不致于引起不确定的干扰。3.110.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用(如图)。尽管UWB通信系统对于单个用户来说带宽效率很低，但是多用户可以在一个频带中同时使用，而不会相互产生明显的干扰，可以实现多址通信。图 UWB频率规划(FCC),FCC关于UWB的定义,定义 相对带宽Br大于20%或带宽大于500 MHz 相对带宽定义为-10 dB带宽除以中心频率这一定义还可能再修改 一开始的定义是Br大于25%或带宽大于1.5 GHz,关于UWB的一些错误认识,UWB通信就是基带窄脉冲通信 调制载波的UWB系统与常规通信系统一样，没有什么特别的地方 UWB通信的距离都非常近(10米以内) UWB通信的频带就是FCC规定的0 960 MHz和3.1 10.6 GHZ，或在其附近,可以是调制连续载波的方式， 只要满足相关的定义,虽然都采用DS、OFDM等技术，但 在使用频谱的方式上有本质的不同， 由此带来实现方式、技术难点、系统 性能、适用领域的诸多不同,在特殊的场合，放宽发射功率的限制， 即可增大通信距离,只要满足相关的定义，就可以算是 超宽带，包括有线通信和无线通信， 微波通信、光通信中很多都可算是 超宽带，只是我们一般研究10.6 GHz 以下的超宽带无线通信,
