华中科技大学微波绪论改20130220.ppt

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1、微 波 技 术 基 础 华中科技大学电信系 陈柯 Email： 绪论 0.1 电磁波的实质与发展历程 0.2 微波在电磁波谱中的位置 0.3 微波的特点 0.4 微波的应用 0.1电磁波的实质与发展历程 一.电磁波的产生与实质 波的产生是由物质的各部分振动造成的；如： 水波：是由于水分子的上下振动引起的 声波：是由于空气分子的来回振动引起的 电磁波是由电磁场的振动产生的（即电场和磁 场的方向、大小的循环变化）； 注：电磁波由于其“不可捉摸”而显得十分抽象； 0.1电磁波的实质与发展历程 电场：是由带电物体（多余电子或失去电子）产生的； 磁场：是由于电荷的运动产生的； 电磁波实质是不断变化着的电

2、场和磁场在空间中 的传播； 0.1 电磁波的产生及实质 下图是导体周围某一确定时刻空间各点电磁场强度变化的 图形(此犹如我们在某一瞬间拍摄下来的水面上各点水波的 凹凸起伏图形一样)。 电磁场理论的学科内涵 电磁场 理论的 科学内 涵和应 用领域 无线电技术的理论基础： 电磁场与物质相互作用 信息传输新器件和系统 信息获取新方法和技术 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 一.电磁波的发展历程 n电、磁现象是大自然最重要的自然现象，也是 最早被科学家们关心和研究的物理现象。 n19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理 现象被广泛的关注和研究。正是由于这些研究为 电磁学理论的建立奠定了基础。 n

3、其中贡献最大的有富兰克林、伏打、安培、法 拉第、高斯等科学家。 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 n1864年,麦克斯韦提出位移电流的新假设,用严谨 的数学方式揭示了电场与磁场的内在联系, 以及它们 所遵循的规侓-麦克斯韦方程,从而建立了系统而完 整的电磁场理论。-经典电磁理论。 n1868年,麦克斯韦从他所建立的偏微分方程中推出 电磁波来,科学的预言了电磁波的存在。 麦克斯韦 （1831-1879） 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 1855年：开始致力于电磁学的研究 1864年：电磁场的动力学理论 1873年：电磁通论著作完成 1873年: 经典宏观电磁场理论建立 人类探索、开发和

4、利用电磁波的历史回顾 n麦克斯韦预言电磁波的存在，但却没有能通过 亲手实验证实他的预言。1887年德国科学家赫兹 透过闪烁的火花，第一次证实电磁波的存在。此后 过了 不到7年时间，电磁波开始实际应用到通信领 域。从此开始了电磁场和电磁波理论的应用与发展 时代。 赫兹 （1857-1894） 赫 兹 实 验 频率的单位Hz 即以他的姓氏 命名。 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 n20岁的马可尼偶然读到赫兹论述电磁波实验的 文章，从而把兴趣全部转移到利用电磁波进行通 信的实验上，立志实现无线电通信。1901年，他 试验成功了在加拿大的纽芬兰与英国的昆沃尔之 间、横跨大西洋3000公里的越洋无

5、线电通信。从 而使无线电技术的发展成为20世纪的热门话题。 开辟了人类应用无线电的新纪元。 n马可尼成为1909年 的诺贝尔奖得主 马可尼 （1874-1937） 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 无线电报(telegraph） 1895年，马可尼进行了2.5公里无线电报传送 1896年，波波夫进行了250米的电报传送试验 1899年, 跨越英吉利海峡电报传送试验成功 1901年，跨越大西洋的3200公里的试验成功 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 有线电话 （telephone) 1876年, 美国科学家贝 尔在美国建国100周年 博览会上展示了他所发 明的有线电话。 人类探索、开发

6、和利用电磁波的历史回顾 广播 (broadcasting ) 1906年，美国费森登用50 KHz的发电机作发射机， 用微音器接入天线实现调 制，使大西洋航船上的报 务员听到了广播播出的音乐。1919年第一个 定时的无线电广播电台在英国建成 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 电视 (television video ) 1884年，德国尼普科夫提出机 械扫描电视的设想，1927年， 英国贝尔德成功用电话线路把 图像从伦敦传至大西洋中的船上。兹沃霄金在 1923年和1924年相继发明了摄像管和显像管。 1931年，世界上第一个全电子电视系统出现。 n在发现电磁波不到6年，利用 电磁波的技术，

7、如雨后春笋般相 继问世。 n无线电报（1894年） n无线电广播（1906年） n无线电导航（1911年） n无线电话（1916年） n短波通信（1921年） n无线电传真（1923年） n电视（1929年） n微波通信（1933年） n雷达（1935年） n遥控、遥感、卫星通信、移动通信 、射电天文学它们使整个世界面貌 发生了深刻的变化。 0.2 微波在电磁波谱中的位置 一、电磁波谱 电磁场的振动有快有慢，因此电磁波的频率有 高有低，电磁波的频率十分宽广。根据不同频段 （或波段）电磁波的不同特性和不同的适用场合 ，可以将电磁波划分成几个大的类别范围，即电 磁波的频谱。 0.2 微波在电磁波谱

8、中的位置 图0-3 电磁波谱 0.2 微波在电磁波谱中的位置 微波波段的划分 长期以来，人们对微波范围内的电磁波又进行了进一 步的频率范围划分，并给予了相应的波段代号 波段代号波段代号频率范围/GHz频率范围/GHz UHF 0.3 1.12 Ka 26.5 40 L 1.121.7 Q 33 50 LS 1.7 2.6 U 40 60 S 2.6 3.95 M 50 75 C 3.955.85 E 60 90 XC 5.858.2 F 90 140 波段代号波段代号频率范围/GH频率范围/GH UHF 0.3 1.12 Ka 26.5 40 L 11.7 Q 33 50 LS 1.7 2.6

9、 U 40 60 S 2.6 3.95 M 50 75 C 3.955.85 E 60 90 XC 5.858.2 F 90 140 微 波 波 段 的 划 分 微 波 波 段 的 划 分 0.2 微波在电磁波谱中的位置 THz波是指频率在(0.1-10)THz（波长为300030微米）范 围内的电磁波，THz=1012Hz。由波谱图可见，它在长波段与 毫米波（亚毫米波）相重合，而在短波段，与红外线相重合 下。长期以来，由于缺乏较为理想的THz源和相关检测系统， 致使在电磁波谱中形成一段发展相对落后的“THz空白”（ THz Gap） ，是有待开发利用的最后一个电磁窗口。 0.2 微波在电磁波

10、谱中的位置 另外，其它波段的波长为：红外线0.75mm 0.76um(远、中、近红外线的范围分别为0.75mm 15um，151.5um，1.50.76um；远红外线波 段的一部分与亚毫米波段相重叠)；紫外线(0.39 0.005um)；X射线(0.00510-8um)；y射线(10- 8um以下)。 0.2 微波在电磁波谱中的位置 顾名思义“微波”是波长极短，频率极高的 电磁波。在电磁波谱中是介于普通无线电波与红 外线之间的波段。 因此，波长的长与短、频率的高与低都是相 对的，在微波波段内部又可划分为分米波、厘米 波、毫米波和亚毫米波. 不同频率的电磁波，其传播特性不同，适用 场合也不同：

11、0.2 微波在电磁波谱中的位置 0.3 微波的特点 由所处的波长和频率决定，微波 除了与普通无线电波具有共同点 外，还有其本身的一些特点： 一、微波具有似光特性 具有反射和视距传输的特性 终端站甲 终端站乙 地面远距离微波通信 需要建中继站 中继站 0.3 微波的特点 微波可通过抛物天线定向辐射 1.光波可以通过抛物面反射镜形 成强烈的定向照射。 2微波也可以通过尺寸很小的（1m 左右）抛物天线形成很强的定向 辐射。 抛物天线发射电磁波的波束角约等于 D-抛物面直径 -为波长 短波段的最短波长 微波波长 0.3 微波的特点 二、可以穿越电离层 普通无线电波会被高空的电离层所吸收或被反射回来；

12、而微波由于存在大气“窗口”，则能穿过电离层至外层空间。 无线电窗口: 在1-10GHz(千兆赫),20-30GHz,91GHz附近的微波受云雾, 雨雪等的影响不大,可以较为容易地由地面向外层空间传播 。这种现像称为”无线电窗口”或“大气窗口”。 因此利用这些窗口，我校微波遥感研究室研制了8mm、 3mm微波辐射计及其成像系统。具有全天时、全天候的工 作能力。 0.3 微波的特点 0.3 微波的特点 三、频率高，频带宽、信息容量大 0.3 微波的特点 四、有一定的穿透性 可深入到物质内部，并与分子和原子产生相 互作用。利用这一特性可以探测物质的内部结构 。 另外，某些物质吸收微波后会产生热效应，

13、 可利用来对物质进行加热和烘干，如微波炉、工 业上的食品加工处理等 0.4 微波的应用 微波以上特点决定了在雷达、通信、遥感、医 疗设备、以及军事国防等领域有着广泛的应用。 0.4 微波的应用（一、雷达） 0.4 微波的应用（一、雷达） 雷达（Radar）是无线电定位的简称(radio detection and ranging的缩写) Y Z 雷达监视屏 t s D x H 微波雷达的突出优点是:能用较小的天线尺寸得到较窄的天线波 束,外部噪声较低,全天候不受云层覆盖的影响. 0.4 微波的应用（一、雷达） n1922年，马可尼发表无线电波能检测物体的论文，是 雷达最早的概念。雷达作为一种探

14、测目标的电子设备， 产生于二次世界大战。 1936年，英国设计警戒雷达投入了运行 1938年，美国研制成第一部火炮控制雷达 1940年，微波雷达的研制成为可能 1944年，自动跟踪飞机的雷达研制成功 1945年，显示运动目标的显示技术发明 0.4 微波的应用（一、雷达） 测速雷达孔径雷达 探地雷达 0.4 微波的应用（二、通信） 演示 典 型 微 波 无 线 通 信 线 路 示 意 图 中继站 终端站枢纽站分路站 包括天线接收， 发射信号系统 两条以 上微波 通信线 路的汇 接点 0.4 微波的应用（二、通信） 移动通信： 微波设备安装方便 使用可靠，尤其近年来 采用先进的微电子技术 和计算机

15、技术，使设备 体积更小，功耗更低， 可靠性更高，安装更方 便，可使用在各种场合 备受用户关注.我国移动 通信(GSM)技术,频率为 900MHz和1800MHz. 0.4 微波的应用（二、通信） 移动通信 i3G基站和移动站通信测试 PDMA i3G Base Station and Mobile Station Test in motion i3G All IP Mobile Communication Network 卫星通信 n卫星通信 (satellite communications ) 1958年, 美国低轨“斯科尔”卫星发射成功 1964年, 同步通信卫星实现了三大洲的通信 19

16、65年, 第一颗商用定点同步卫星投入运行 1969年, 卫星通信经历10年发展终趋于成熟 GPS导航定位 北斗定位系统是我国建立 的区域导航定位系统。北 斗一代由三颗卫星、地面 控制中心、用户三部分组 成。功能为定位, 通信和 授时. 北斗二代为全地定 位系统, 2011年完成系统 组网，基本具备运行能力。2020年完成建设任务。 北斗定位系统 0.4 微波的应用（二、通信） 近年来出现 的无线网络备 受关注，它采 用微波通信技 术，把计算机 （PC机）用无 线网络连接起 来构成无线传 输网，它比有 线连接更加灵 活方便，计算 机移动随心所 欲。 无线互联网 通信系统使用的微波电路 PLL 频

17、率合成器（PCB ） 通信系统使用的微波电路 微波（射频RF）功率放大器 0.4 微波的应用（三、遥感） n遥感技术是在一定距离以外感受、 探测 和识别所需要研究的对象。 n微波遥感是遥感技术的重要分支之一, 它 通过微波传感器, 收集地面目标辐射或反射 的电磁波, 获得其特征信息, 并经过处理变 成可以直接识别的信号或图像, 从而揭示被 测目标的性质和变化规律。 0.4 微波的应用（三、遥感） n微波遥感系统的遥感器，可分为被动遥感和主 动遥感。所谓被动遥感，是指遥感器直接接收目 标的反射或散射信号; 而主动遥感是指利用人工 辐射源向目标发射电磁波, 再接收由目标反射或 散射的电磁波。 微波

18、辐射计 任何温度高于绝对零度的物体, 都会有热辐射, 热辐射 的波长范围从1m到1m左右, 而热辐射的功率主要取决于 物体的温度和辐射率。微波辐射计就是测量物质在微波 波段的电磁热辐射能量的高灵敏度接收机。 微波辐射计 十厘米辐射计 三厘米辐射计 0.4 微波的应用（三、遥感） 微波辐射计 八毫米辐射计 三毫米辐射计 0.4 微波的应用（三、遥感） 微波辐射计 二厘米辐射计 0.4 微波的应用（三、遥感） 0.4 微波的应用（三、遥感） 青岛海岸场景青岛海岸3mm辐射图像 0.4 微波的应用（三、遥感） 地形光学图片 3mm微波辐射图像 高分辨率微波辐射图像 高分辨率微波辐射图像 卫星地面测控

19、站 卫星对地遥感 卫星对地遥感图像 中国雪深分布 太湖蓝藻分布 卫星对地遥感图像 海面石油泄露检查 星载遥感设备 嫦娥一号卫星 海洋二号卫星 0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测） 掩埋金属目标探测（如地雷） 实时活体成像（分辩敌我） 0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测） 末敏弹（攻击坦克）信号处理器末敏弹（攻击坦克）信号处理器 0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测） 英国希思罗机场的（约94GHz)被动成像实验图,可分 清楚飞机和建筑物等目标 0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测） W波段T80坦克的成像 Ka波段（35GHz）F-16成像 0.4 微波的应用（ 四、军事目标探测）

20、 0.4 微波的应用（ 五、反恐安检） 利用微波高频段（毫米波和THz）具有穿透物 质的特性和较高的分辨率进行隐匿武器探测 0.4 微波的应用（ 五、反恐安检） 危险武器探测 0.4 微波的应用（ 六、射电天文） 射电望远镜 0.4 微波的应用（ 七、医疗化工） 医疗诊断： 如牙齿病变成像，可提前预知病变，弥补了目前临床应用 的仪器设备只能在症状明显后才能测到的缺陷 0.4 微波的应用（ 七、医疗化工） 微波抗癌仪微波橡胶连续硫化设备 0.4 微波的应用（ 八、微波加热） 微波炉 微波药丸烘干机 0.4 微波的应用 低频 电路 元件 微波 电路 元件 低频电缆 低频二三级管 波导微波二三级管微

21、波接插头谐振腔 微波技术当前发展状况简析 随着国民经济和国防事业的发展，微波技术应用愈来愈广 泛，微波人才已成为“紧俏人才”，待遇相对较高。 1、通信领域：通信容量要求大，频率向更高发展。手机、直 放站、基站，微波集成电路(MMIC) 、RFIC等。 2、航空航天：微波遥感（对地观测、目标探测等）、星地通 信(语音、图像传输）、监控雷达； 3、国防事业：雷达、微波辐射计（目标无源探测、金属目标 的攻击，如美陆军研制的用来攻击坦克的STAFF炮弹导引头 ）、大功率微波武器（对目标进行干扰和杀伤），微波制导 。 微波技术当前发展状况简析 同时在射电天文，气象观测、食品化工等行业也有广 泛应用。 由于微波专业有其独有的特点（进入难，重经验）， 从目前的发展和人才供求情况看，目前的本科专业设置 和课程设置存在一些不足之处，必将有所改进。 其它 其它 1、本课程的学习方法（公式、例题、作业）； 2、几点说明（点名、作业、问题）。