第1章微波概论.

第1章概论1.微波技术简介2.微波及其特点3.微波通信系统4.微波传输5.微波应用6.微波的功率传送、生物效应与安全性7.微波的研究方法1.1微波技术简介微波理论和微波技术的基础是１９世纪科学家和数学家奠定的●拉普拉斯（Ｌａｐｌａｃｅ）●泊松（Ｐoｉssoｎ）●法拉弟（Ｆａｒａｄａｙ）●高斯（Ｇauss）●麦克斯韦（Ｍａｘｗｅｌｌ）●赫兹（ＨｅｉｎｒｉｃｈＨｅｒｔｚ）1.2微波及其特点微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（即频率最高）的波段，其频率范围从３００ＭＨｚ（波长１ｍ）至３００ＧＨｚ（波长０.１ｍｍ）。通常又将微波波段划分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个分波段，在通信和雷达工程上还使用拉丁字母来表示微波更细的分波段。1.穿透性2.似光性3.热效应特性4.宽频带特性5.抗低频干扰特性6.散射特性7.视距传播特性8.电磁兼容与电磁环境污染9.分布参数的不确定性1.3微波通信系统１.地面通信微波信号是沿视线传播的，所以，地球的曲率限制了一段微波通信链路可以确立的距离。安置在８ｍ高的发射塔上的天线只能把信号传播到约５０ｋｍ的距离内。因此可以在固定的间距上设置转发器以延伸通信距离。转发器系统２、卫星通信利用人造卫星作为转发站的卫星电视广播具有通信距离远、服务区大、传输的信息容量大、可靠性高、图象质量好、灵活性强以及可实现多址通信等优点。它既是国际又是国内通信和广播的重要方式之一。目前，普遍采用的是同步卫星通信和同步卫星广播。同步卫星，就是卫星绕地球运转一周的时间与地球自转一周的时间是相同的（每转一周为23小时56分4秒）。处于赤道上空约36000Km处的卫星称为与地球旋转同步的卫星。如下图用三颗同步卫星在地球赤道上空等间隔地球发射宽度为17°-18°的波束，即可覆盖整个地球，从而实现全球通信或广播。Ｃ波段地球同步卫星的应答器频率在３４００ＭＨＺ和５２５０ＭＨＺ之间。表2列出了一个２４信道应答器的各下行链路的中心频率，每个信道有４０ＭＨｚ的总带宽，其中３６ＭＨｚ用来传送信息，剩下对重叠的频率采用不同极化加以区别。３、移动通信移动通信网络用通信设备，如电话机、寻呼机、调制解调器（ｍｏｄｅｍ）等把世界各地的人们联系起来。一般来说，蜂窝系统使用１００Ｗ的发射机，它可覆盖半径为０.５～１６公里的区域。手机的发射功率通常小于１０ｍＷ。下表列出了常用的移动通信系统的频段分布。４、雷达系统雷达也称为无线检测和测距，是微波技术最普遍的应用之一。（1）雷达方程一般的无线系统的通信链路如图所示，发射机和接收机之间距离为R，发射和接收天线的有效孔径分别是和,etAerA①设输入到发射天线的功率是Pt，离天线的距离为R处的功率密率ω0，如下式中，ｅt是发射天线的辐射效率。②对于定向发射天线，功率密度为式中，Gt是增益；Dt是发射天线的方向性。204RePtt2244RDePRGPtttttt③接收天线接收的功率为式中，Gr是接收天线增益；λ是信号波长，因此该式称Ｆｒｉｉs无线链路公式，它反映接收天线接收的功率。rtrGP4)(444222WRGPGGPttrtrr④在雷达系统中，发射信号在目标上散射在所有可能的方向上。接收天线收集散射波返回到它的那部分能量。一般情况下，发射机和接收机都使用同一天线，如图所示。设输入到发射天线的功率是Pt,它的增益是Gt，入射到目标上的功率密度为式中，A是发射天线的有效孔径。2224RAPRGPttti⑤雷达截面式中，ωｒ是距离r处的各向同性散射功率密度；ωｉ是入射到目标物体上的功率密度。⑥利用目标的雷达截面可以求出被目标截获的功率如下：irr24)(入射功率密度放射功率雷达截面24RGPPttii⑦从目标返回到接收机的功率密度是:24RPis⑧由天线的最大有效孔径面积Ａｅ与天线方向性的关系为：⑨在接收机输入处得到的功率是:222)4(4RGPGAPttrser（2）脉冲雷达脉冲雷达采用测量微波脉冲信号来回传输的时间决定目标距离。典型的脉冲雷达系统方框图为（3）多普勒雷达若目标沿雷达视线方向有速度分量，则由多普勒效应返回的信号相对于发射频率将有频率偏移。若发射频率为ｆo，目标的径向速度为ｖ，则频率偏移（或者称为多普勒频率）为:其中ｃ是光速。则接收频率为ｆo±ｆd，其中正号相应于趋近的目标，而负号相应于远离的目标。典型的多普勒雷达系统如图所示cffd021.4微波传输１、大气的影响在实际应用中，通信、雷达或者有辐射系统严重地受传输效应的影响，诸如反射、折射、衰减或衍射。微波频率下介电常数经验公式：式中，P是以mbar(1mbar=100Pa)为单位的大气压；T是热力学温度；V是以mbar表示的水蒸汽压。压力和湿度比温度随着高度更快地减小。介电常数随着高度的变化引起了无线电波向着地球弯曲，2256)]108.31179(101[TVTVTPr若天线在地面上高度h处，应用几何关系可以给出到地平线的视线距离为:式中R是地球半径。随着高度的增加，大气的介电常数的降低将比通常快的多。这一条件有时能够导致波道效应。Rhd2大气的另一个效应是主要由水蒸汽和分子氧对微波能量的吸收引起衰减。２、大地的影响一个雷达目标（或者接收机天线）可能会被来自发射机的直达波和大地的反射波共同照射。３、等离子体效应等离子体用单位体积中的粒子数表征。电磁波可以被等离子体反射、吸收和在其中传输，具体取决于它的密度和频率。对于均匀等离子体区，能够定义有效介电常数为：其中：)1(220Pe02mNqP1.5微波应用１、微波炉２、微波加热在工业上的应用３、微波在农业和林业上的应用４、微波在医疗卫生方面的应用５、微波在工业、科研、医疗方面应用的频率分配（ＩＳＭ）1.6微波的功率传送、生物效应与安全性１、微波的功率传送２、生物效应和安全性在100MHz—300GHz的RF和微波范围内，频率范围内的低端推荐的安全功率密度极限低到0.2mW/cm2,频率高于15GHz处，功率密度极限上升到10.0mW/cm2。1.7微波的研究方法电磁场理论奠定了微波技术的基础，微波技术，无线电与电波传播是电磁场理论的应用体现，根据电磁场与波的理论进行研究有关微波技术问题，即根据麦克斯韦方程对各种特定的边值问题进行求解，就是所谓场解。这一方法对规则的边界条件可以得到严格的解析解。但对复杂的边界条件，求解过程很复杂，这在本质上是属于场的问题，但在一定条件下可以转化为电路问题，可以应用“路”的方法进行求解。即化“场”为路进行分析；在研究工程中的电磁场问题时，常常将“场解法”与“路论法”结合起来使用。