（天线）微波通信系统的基本结构.ppt

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1、,通信技术基础实践 Part 1 微波通信,北方工业大学通信工程系 邢志强,目 录,微波通信基础 天线技术基础 电波传播基础,1 微波通信基础,微波及其基本特点 微波的研究对象及其应用 微波通信系统构成,1.1 微 波,定义：频率f为300MHz3000GHz范围内的无 线电波。 103Hz=1kHz，106Hz=1MHz，109Hz=1GHz，1012Hz=1THz，1015Hz=1PHz,一般地说，微波在电磁波频谱中所处的位置在甚高频(UHF)和光波之间。,微波在电磁波频谱中所处的位置决定了它的许多特点，并使得微波技术具有许多不同于低频电路理论和光学理论的概念及独特分析方法。,相关名词,毫

2、米波 millimeter wave : 频率在30 -300GHz之间的交流信号，波长在1cm到1mm之间. 射频 RF （Radio Frequency): 指用于无线电通信的交流信号，具有很宽的频率范围，覆盖了从几百KHz到毫米波的整个范围。,微波在电磁波频谱中所处的位置在甚高频(UHF)和光波之间。,1.1 微 波,微波的波长范围在 1 米至 0.1 毫米之间。,无线电波段的划分,微波频段的划分及常用波段代号,国际上对各微波频段用途的规定,微波炉中磁控管工作频率为 2.45 GHz； C 波段通讯卫星的工作频率：下行频率为 3.700 4.200 GHz，上行频率为 5.925 6.4

3、25 GHz。 Ku 波段通讯卫星的工作频率：下行频率为 11.7 12.2 GHz，上行频率为 14.0 14.5 GHz。 蜂窝移动电话的工作频率为 450 MHz、900 MHz 和 1.8 GHz，1.9G。 40 60 GHz 为保密通信频段；26.5 40 GHz 和 75 110 GHz 为雷达、制导系统频段等等。,（商用广播）,国际上对各微波频段用途的规定,微波技术发展历史,19th century 1846 - earliest talk on EM wave(电磁波), “Thoughts on ray vibrations,” Faraday 1864 - “Maxwel

4、ls equations,” Maxwell 1887 - first microwave-like experiment, “electric spark at 10cm induces at a distant wire loop,” Hertz 1895 - wireless telegraphic communication and 1900 trans-Atlantic Ocean telegraph, Marconi,20th century 1921 magnetron(磁控管), A. W. Hull 1930-wave propagation in waveguide(波导)

5、, Southworth,1937 - klystron, Russell, Sigurd and William Hansen World War II radar, MIT Radiation Laboratory 1950 coaxial(同轴) cables for radio communication 1960 - satellite communication 1980 - remote sensing satellite, DBS (direct broadcast satellite) 1990 - PCS(personal communication services),

6、GPS ， VSAT (very small aperture terminals，2.4m) 2000 -Digital DBS, WLL (wireless local loop), GII (global information initiative) using mobile satellite network, fibers, cables and wireless,微波技术发展历史,1.2 微波的特点,（1）似光性和似声性,似光性: 直线传播、显著反射、折射，容易集中 微波的波长范围恰好比自然界中的宏观物体 (如山峰、建筑物、舰船、飞机、车辆、导弹等) 的尺寸小或相当。微波照射在这

7、些物体上时将会产生很强的反射。雷达。 另外，微波的波长比尘埃、云雾及空气中的水滴尺度大，所以微波穿过尘埃、云雾和中、小雨的能力比光波强。 因此，利用微波可以穿过尘埃，云雾及中、小雨探测到自然界中的宏观物体。这是低频电磁波和光波都做不到的。引导飞行员在恶劣天气条件下降落的微波导航系统,微波的波长介于无线电波和光波之间,当波遇到障碍物，波长大于障碍物尺寸，波将会被绕射；波长小于障碍物尺寸或与障碍物尺寸相当时，波将会被反射。,雷达,(2) 分析方法的独特性,分析方法与直流、低频电路系统，低频元、器件以及它们的工作原理和分析方法截然不同。 分析低频电路时，只需考虑各物理量随时间的变化，而不考虑其空间分

8、布。 对于微波系统，必须同时考虑各物理量随时间的变化以及其空间分布。换句话说：在确定的空间内，对于低频信号我们观察到的是物理量的振荡，对于高频信号我们观察到的是物理量的波动。 例如：电磁波f= 50 Hz，波长为 6000 公里；f=100 GHz，其波长就只有 3 毫米。如果电路的尺度为几十毫米，则在频率较高时，就必须考虑电磁场的空间分布。,集肤效应 （趋肤效应） 高频电流仅仅沿着导线外表的薄层通过流过高频电流的导线截面面积与低频相比大大减小，因而导线电阻大大增加表现出很大的能量衰减。这就是低领传输线不能用于微波的原因。 辐射效应 理论和实践都证明当一条传输线的长度可以同工作波长相比拟时，它

9、将显著地辐射电磁能量。如同一个小天线。,集肤效应 辐射效应,TEM波传输线可用分布参数的“路”理论描述,电场靠正负电荷支持 电力线从正电荷发出到另一导体的负电荷；磁场由导体上的电流激发磁力线围绕导体的封闭曲线 电场，正交磁场,由于微波的特点，微波电路不但采用了与低频电路不同的传输系统，而且在分析微波电路时也必须引入与低频电路不同的物理量。,微波电路,(3) 共度性,电子在真空管内的渡越时间（10-9秒）与微波的震荡周期（ 10-9 - 10-13 ）相当。 应用: 产生微波振荡器 微波电子管、微波固体器件、微波量子器件 延时效应 分布参数起主导地位,（4）穿透性,微波能穿透等离子体和电离层,由

10、于微波既能穿透电离层 (低频电磁波不行) 也能穿透尘埃、云、雾 (光波不行)，因此，微波就成了卫星通讯、空间通讯和射电天文研究的重要手段。,家用卫星通信地面站,大型卫星通信地面站,(5) 信息性,微波的频率较高 电磁波频率高则意味着在相对频带宽度一定的条件下，其可用工作频带宽，信息容量大。 相对频带宽度的定义是：微波系统的工作频带宽度 f 与中心工作频率 f0 之比。 一般地说，电磁波系统的相对频带宽度越宽，则所需技术的难度和生产成本就越高。 在相对频带宽度相同的条件下，微波系统的可用频带很宽 (数百兆甚至上千兆赫兹)，是低频无线电波无法比拟的。 因此，微波在通讯领域内得到了广泛的应用。光波的

11、频率比微波更高，所以光通讯系统的信息容量就更大。,(6) 非电离性,微波的量子能量与物质相互作用时，不改变物质分子的内部结构（只改变其运动状态）。,应用： 微波医疗器械 微生物对毫米波存在类似谐振的能量吸收谐振点，指出了正常细胞和癌细胞对毫米波具有不同的吸收谐振点。 微波炉,1.3 微波的研究对象与应用,微波技术的研究对象： 微波的产生、放大、传输、接收、控制、测 量、使用的方法。 微波发展及应用： 微波和微波技术的早期应用和发展是与第二次世界大战对雷达的需求分不开的。在第二次世界大战中及其战后的相当长时期内，微波产品的主要应用领域是在军事中。 近几十年来，由于国际形势的变化，以及微波产品价格

12、的下降，微波产品在民用领域也得到了广泛的应用。 微波的实际应用领域和潜在应用领域相当广泛,微波应用,雷达 (Radar = Radio Detection And Ranging) 雷达是微波技术的传统应用领域。雷达、青霉素和原子弹被称为二战期间的三大科学发明。 1931 年至 1935 年，英国皇家无线电研究所的科学家首先发明了雷达，当时雷达的作用距离仅为 80 公里。 雷达在第二次世界大战中投入实用，并在许多重要战役中起到决定性作用，其中包括著名的不列颠空战和中途岛海战。 由于雷达在第二次世界大战中的重要作用，第二次世界大战之后，世界各国都很重视发展雷达技术。 现代雷达的种类很多，性能也日

13、益提高，其应用领域也从军事领域向民用领域扩展。,微波的应用雷达,雷 达：直线传播和反射,探测目标的距离和方位 发射机产生射频信号，由天线向外辐射。辐射出去的电磁波照射到目标 目标对电磁波有反射（散射）作用，目标反射回来被雷达天线接收到的电磁波称为目标回波信号。 回波信号送往接收机，接收机向终端设备供给视频信号，终端设备用以观察目标和测量目标坐标。 电磁波在自由空间是以等速直线传播的。测出电磁波由雷达到目标之间的往返时间为t，算出目标距离为： 目标的角坐标由天线波束角的位置决定，波束角愈窄测得的目标角坐标愈准确，分辨率愈高。,雷达隐身技术,通过减弱、抑制、吸收、偏转目标的雷达回波强度，使其在一定

14、范围内难以被敌方雷达识别和发现的技术。 隐身复合材料利用隐身(吸波)复合材料的特殊电磁特性，将入射的电磁波能量转化成热能而耗损掉，以缩减飞行器的雷达回波强度。 F-117隐身战斗机自装备部队以来，已有4次实战应用。 1989年入侵巴拿马，美军共出动了架F117，其中架轰炸了巴拿马的一个军营，打了对方一个措手不及。 1991年的海湾战争，美共参战45架，1271架次作战任务，因无一损伤而赢得不少赞誉。 1999年参与对南联盟的空袭，而在空袭的第四天，就有一架F-117被击落。为此，美军还前所未有地第一次将最新式的B-2隐身轰炸机投入了空袭南联盟的战斗。 2001年阿富汗战争，B-2隐身轰炸机,微

15、波应用,微波的应用信息技术领域,微波通讯系统的工作频带宽、信息容量大、机动性好，特别适合于卫星通讯，宇航通讯和移动通讯等，因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位。 微波、毫米波通讯系统不但频带宽、信息容量大，而且还具有便于架设、机动性好、保密性好等优点。目前常见的蜂窝移动电话、寻呼机、微波电话网、微波电视网、卫星电视网等等，都属于微波通讯系统。 在 21 世纪，全球个人通讯将会成为现实。那时，不仅每个电话机有电话号码，每个人也将有自己的专用电话号码，就象每个人都有一个身份证号码一样。可以肯定，全球个人通讯是绝对离不开微波通讯系统的。,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%

16、以上。据统计美国为66%，日本为50%，法国为54%。 我国自1956年从东德引进第一套微波通信设备以来，经过仿制和自发研制过程，已经取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之间的同轴电缆全部断裂的情况下，六个微波通道全部安然无恙。 九十年代的长江中下游的特大洪灾中，微波通信又一次显示了它的巨大威力。在当今世界的通信革命中，微波通信仍是最有发展前景的通信手段之一。,信息技术领域通信,信息技术领域通信,信息技术领域通信,信息技术领域通信,电子计算机是人类在二十世纪的最伟大发明之一。 早期的电子计算机可以说与微波技术毫无联系。随着电子计算机芯片制造技术的不断进步，电子计算机的工作主频已

17、经从早期的 20 MHz，33 MHz，40 MHz，66 MHz，120 MHz 不断向高频发展。 2000 年 2 月 15 日英特尔公司展示的新一代微处理器 Willamette 的主频已经达到 1.5 GHz。2001 年 IBM 生产的便携机 Thinkpad T23 主频为 1.2 GHz。2002 年 2 月，Intel 奔腾 4 系列芯片的主频为 2.2 GHz。英特尔公司（2004）推出主频为 4 GHz 的 CPU。 由此可见，二十一世纪的新型计算机系统也需要用到微波技术知识。,信息技术领域电子计算机,信息技术领域北京时间,根据国际惯例，各国标准时间一般都以本国首都所处时区

18、来确定。我国首都北京处于国际时区划分中的东8区，同格林尼治时间相差8小时。 我国地域辽阔，东西相跨5个时区，这就是我国授时台必须建在中心地带，从而造成“北京时间”不在北京的原因。 我国授时中心是“陕西天文台总部”，驻在陕西临潼。它将氢原子钟和铯原子钟精确的时间信息发送到陕西蒲城“中国科学院陕西天文台二部”，“二部”设有精密的监控系统和发播系统，每半小时为一周期，将循环时频程序信号发射出去。 其精确度30万年不差1秒。中央人民广播电台则以此来校对电台的工作钟，从而 向全国报告我们标准的“北京时间”。,其它领域的微波应用微波加热,微波加热微波是一种特殊的能源，利用微波的热效应可以对一些物质进行加热

19、。 各种不同的物质，在微波电磁场中，对微波能吸收的情况是不一样的。导电物质遇到微波时，会在其表面产生全反射，微波不可能深入到导体内部。因此，微波不能用来加热良导体，只能对介质材料进行加热。 由于介质材料内部存在极性分子，在微波电磁场的作用下，这些极性分子从原来的随机分布状态转向依照微波场的极性排列取向。由于这些取向是按微波频率不断变化的，这种交变过程使分子运动相互摩擦而产生热能，使介质温度不断升高，这种通过介质分子运动将微波能转化为热能的效应就是微波加热。,微波加热有三个主要特点： 1.被加热物质内外同时、均匀加热，加热速度快，热能利用率高。 2.微波对介质材料的穿透能力比远红外强，其渗透深度

20、与波长成正比。因而微波对介质材料的加热效率比远红外更高。微波甚至可以用于烧结特种陶瓷。 3. 微波磁控管的预热时间很短，一般开机15秒后即可开始加热，关机后立即停止加热。有利于对加热过程进行精确的控制。,微波炉辐射,微波炉工作所产生的辐射甚至比一根普通日光灯管还要少。 目前，微波炉泄漏的国际标准是每平方厘米不超过5毫瓦， 可见， 微波炉是一种安全的家电，不会对人的健康产生任何危害，广大消费者尽可放心使用微波炉。,微波治疗微波可以对人体内的炎症、溃疡、肿瘤和其它病变产生抑制或治疗作用。目前，已经有很多类型的微波治疗仪器投入了实用。 微波武器微波武器的工作原理与微波炉基本相同。高能微波束可以干扰甚

21、至摧毁敌方的各种电子设备；可以引爆敌方的炮弹、导弹甚至核武器等；可以干扰敌方人员的神经系统和大脑的思维，可以灼伤人的眼睛和人体组织，破坏大脑、心脏和呼吸系统的工作，直至杀伤敌方的人员。 微波武器、激光武器和粒子束武器被称为新一代定向能武器，它们都是光速武器，而且看不见摸不着。微波武器又是这三种新概念兵器中研制费用最低，最容易实现的一种。,其它领域的微波应用,1.4 微波通信系统的基本构成,微波通信系统的基本结构,（天线）,微波通信系统的基本结构,（滤波器）,微波通信系统的基本结构,正弦曲线,晶体管,谐振,有源器件,无源器件,（放大器）,（混频器）,（振荡器）,微波通信系统的基本结构,微波通信系

22、统的基本结构,射频信号在器件中的传播,Lightwave,入射,反射,透射,RF/MW,网络分析仪测试要讨论的问题,器件性能的描述: 传输特性; 反射特性 器件传输特性/反射特性的指标定义 ? Gain, Phase, Group delay VSWR, , , Impedance 影响器件传输/反射特性的因素 ? 工作频率 信号功率,反射特性,传输特性,工作频率; 信号功率,反射特性的参数定义:, dB,全匹配 (ZL = Zo),r,RL,VSWR,0,1,全反射 (ZL = 开路,短路 ),0 dB,1,Voltage Standing Wave Ratio,=,=,=,G,=,r,G,

23、= -20 log(r),Emax,Emin,驻波比,反射系数 (电压比值),反射损耗 (功率比值),Z0 : 传输线特性阻抗 Z1 : 传输线终端负载,传输信号包络,目 录,1. 微波通信基础 2. 天线技术基础 3. 电波传播基础,2 天线技术基础,天线的基本概念 天线的发展历史 天线的重要参数 常见天线,什么是天线（antenna（生物学中的触觉器官）?,把发射机输出的高频电信号（高频电流能量）转换成无线电波（电磁波）发射到空间. 收集空间无线电波转换成电信号（高频电流能量）送给接收机 天线就是完成这种电信号与电磁波转化的技术和设备。,天线的基本概念,天线的发展简史： 1886年，德国的

24、赫兹建立了第一个天线系统。 但其发明只停留在实验室阶段。 1901年，意大利的马克尼（20岁）在赫兹的系统上进行了改进完善，并在纽芬兰的圣约翰斯接收到发自英格兰波尔多的无线电信号。 1902年，马克尼开始了正规的无线电通信服务。泰坦尼克号的海难事件，使马克尼的发明广泛应用于海上船舶的通信 二次世界大战期间雷达的出现，天线大幅度发展，主要应用于军事和定位服务。 现在，数以千计的通信卫星正负载着天线运行于近地轨道，提供全球通信服务和GPS定位服务。载有天线阵的探测器在地面系统的指挥下，探索着宇宙的奥秘。近年来，随着移动通信技术的发展，到处都可以看到带有半波天线的手持移动电话。,天线的发展简史： 无

25、线电机器有一条导线接着之后，性能好的不得 了，这导线就称为天线 (Aerial)。 (WHIRE) 如果把上述无线电机器的外壳接地那性能就更妙。 GROWND 从无线电机器拉出去的天线，若是两条一字拉开使电 力呈平衡状是最好的。 (DIPOLE) 天线是否平衡，可以由简易的驻波比表测量出来。-尼马奇 在双偶极天线能上，可以把部份长度缠绕成电感状，使天线能变短。 TRAP 天线是否平衡，不必光看天线在形体上是否对称，可以设法人工调整。雷顿(RANDOM,天线的广泛应用：天线伴随着每一个人 民用：电视、广播、移动通信 特殊用途：导航、定位、气象、卫星,军事用途：雷达、制导武器、电子对抗等,天线分类

26、方法 (1) 按天线外形：有V形天线、菱形天线、环行天线、螺旋天线、喇叭天线和反射面天线、板状天线、帽状天线等,板状天线,帽形天线,鞭状天线,面状天线,(2) 按工作波长：超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等。 (3) 按天线特性分类：按方向特性分，有定向天线、全向天线；按极化特性分，有线极化(垂直极化和水平极化)天线和圆极化天线；按频带特性分， 有窄频带天线、 宽频带天线和超宽频带天线。,天线分类方法,(4) 按天线结构分（分析方便）：线天线和面天线。线天线由半径远小于波长的金属导线构成，主要用于长波、中波和短波波段；面天线由尺寸大于波长的金属或介质面构成， 主要

27、用于微波波段。这两种天线都可用于超短波波段。（我们按照此种分类方式进行讲解）,线天线,面天线,天线分类方法,2.3 天线重要参数,天线的重要参数,天线的输入阻抗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值。天线与馈线的连接，最佳情形是天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输入阻抗随频率的变化比较平缓。 驻波比： 其值在1到无穷大之间。驻波比为1，表示完全匹配；驻波比为无穷大表示全反射，完全失配。在移动通信系统中，一般要求驻波比小于1.5，过大的驻波比会减小基站的覆盖并造成系统内干扰加大，影响基站的服务性能。,天线的重要参数,回波损耗：

28、 反射系数绝对值的倒数，以分贝值表示。回波损耗的值在0dB的到无穷大之间，回波损耗越小表示匹配越差，回波损耗越大表示匹配越好。0表示全反射，无穷大表示完全匹配。在移动通信系统中，一般要求回波损耗大于14dB。 天线的极化方式 指天线辐射时形成的电场强度方向。当该方向垂直于地面时，称为垂直极化波；平行于地面时，称为水平极化波。在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。另外，随着新技术的发展，最近又出现了一种双极化天线。,天线的重要参数,天线的增益 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。 增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面

29、上保持全向的辐射性能。天线增益决定蜂窝边缘的信号电平。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖范围。GSM定向基站的天线增益为18dBi，全向的为11dBi。 天线的波瓣宽度 波瓣宽度是定向天线重要参数，指天线的辐射图中低于峰值3dB处所成夹角的宽度。 天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围内通过对天线垂直度（俯仰角）的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们在网络优化中经常采用的一种手段。,2.4 常见天线,电视接收天线高增益引向天线,电视发射天线蝙蝠翼天线,基站高增益定向天线（扇形波束天线）,角形反射器天线,窄壁斜缝隙天线阵,卫星地面接收天线,图 10-1 卫星接收天线的结构图,图 10-2 卫星接收天线,卫星地面接收天线,中、短波发射天线,微波接力天线,卡塞格仑天线,MMDSA型微波天线,MMDSC型微波天线,对数周期天线,