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第七章 微波系统及微波技术应用简介本章主要内容本章主要内容n天线的系统特征天线的系统特征n无线通信和微波输能的微波传输系统、雷达系统无线通信和微波输能的微波传输系统、雷达系统n微波技术的应用微波技术的应用 7.1 天天线线的系的系统统特征特征7.1.1 天天线线的的辐辐射射场场微波系统中的收发天线天线分类电小天线：短偶极子，电小环天线谐振式天线：半波偶极子，微带天线，八木天线宽带天线：螺旋天线，对数周期阵口径天线：喇叭天线，反射面天线电磁波的平均坡印亭矢量为2*W/m)(21HESavg任意天线远场区辐射的电场和磁场可表示为V/m),(),(),(0reFFrErjk0EH 0EH7.1.1 天线的辐射场天线的辐射场7.1.2 天天线线的方向性的方向性u方向方向图图函数函数方向图就是辐射区任一方向的场强与同一距离的最大场强之比与方向角之间的关系曲线，表示方向图的函数也叫做方向图因子，即|),(|),(maxEEFu半功率主瓣半功率主瓣宽宽度度 为了表征方向图波瓣的宽度，定义主瓣两侧半功率点处的角为定义 为半功率主瓣宽度HPBW，第一零点波束宽度为FNBW.5.05.02（a）场波瓣图 （b）功率波瓣图7.1.2 天线的方向性天线的方向性u方向性系数方向性系数相同相同，rPrEED202max),(相同相同，rErrPPD0),(定量描述天线辐射功率的集中程度，将一个在各个方向辐射功率相同的点源作为比较标准，天线在最大辐射方向上远区某点的辐射功率密度与辐射功率相同的点源在同一点的功率密度之比，为天线的方向性系数.由于辐射功率密度正比于电场强度的平方，所以最大方向的方向性系数D（Directivity）为 或者在产生相等的电场强度的条件下，理想点源天线的总辐射功率P0与某天线的总辐射功率之比 7.1.3 天天线线的效率和增益的效率和增益inPPG0DPPPPGrinr0dBlg10)dB(GG天线中的导体和介质都有损耗，天线的效率效率为辐射功率与输入功率之比增益增益：在产生相等的最大电场强度的条件下，理想点源所馈入的输入功率与某天线所馈入的输入功率之比，即用dB表示 inrPP7.1.4 天天线线的有效面的有效面积积iRMeffSPA42DAeff接收天线的有效面积：接收天线的有效面积：天线最大可接收功率PRM与来波的实功率流密度Si的比值对电大口径天线，其有效面积接近于实际的物理口径面积。对偶极子、环形天线等，其物理横截面积和它的有效面积不存在以上简单关系。7.1.5 天天线线的的带宽带宽hlBWff0(%)(%)hlffBWf 偏离中心频率时，天线的某些电性能会降低，如天线的输入阻抗、增益、波瓣宽度、极化等.电性能下降到容许值所对应的频率范围，就称为天线带宽天线带宽.绝对带宽绝对带宽相对带宽相对带宽相对带宽小于1%为窄带天线；相对带宽在1%25%之间为宽频带天线；相对带宽大于25%为超宽带（UWB）天线 7.2 无无线传输线传输系系统统7.2.1 Friis传输传输公式公式基本的无线传输系统设发射天线的最大方向指向接收天线，则在D处产生的功率密度为 设接收天线的最大方向也指向发射天线，则能得到的最大接收功率为24 rGPSttirttttrieRMGGPrrGPGSAP222)4(44Friis传输公式或n微波频带宽，可容纳更多的无线电设备工作，实现多路通信；n微波波段可采用高增益的定向天线，从而降低发射机的输出功率；n微波在视距内直线、定向传播，保密性好；n微波受工业、天电和宇宙等外界干扰较小，可使通信质量大大提高；n微波能够穿透电离层；n微波通信是无线的，不受地形条件限制。44.32)MHz(lg20)km(lg20)dB()dB()dBm()dBm(frGGPPrttRM7.2.2 无无线线通信系通信系统统卫星通信系统 7.2.2 无线通信系统无线通信系统7.2.3 微波微波输输能系能系统统整流天线的组成u长距离、大功率微波输能技术，如太阳能空间站、为空中永久工作平台供电、两地之间输送电能等;u在同温层（即临近空间）建立永久作业平台，如浮空器、无人飞机，其功能相当于一颗近地小卫星;u地理环境复杂的山区、孤岛、山顶等一些不便架设线路的地区供电.7.2.3 微波输能系统微波输能系统7.3 雷达系雷达系统统与与导导航航 radar(radio detecting and ranging),1940s年代雷达系统应用雷达系统应用u导航、气象观测、高度测量、飞行器着陆、防盗报警、警用速度测量、绘制地图等u飞行器、导弹、航天器的探测和跟踪、导弹制导、武器导爆和侦察等u射电天文、制图和成像、精密距离测量，以及自然资源遥感等。发射机通过天线向空间定向发送探测信号，信号被远距离的目标部分反射后，由天线接收并传送到接收机接受检测和信号处理，观测有无目标以及目标性质和距离。7.3.1 雷达基本工作原理雷达基本工作原理单站雷达 双站雷达 超远程预警雷达的作用距离达10000km以上，能够对洲际导弹的突然袭击给出1530min的预警时间.相控阵雷达，利用电子计算机控制其天线阵列中诸元的馈电相位，以电控方式实现波束的快速扫面，并能根据需要形成多波束，实现对多目标的同时探测和自动跟踪.民用雷达，如气象雷达、导航雷达、汽车防撞雷达、盲人雷达、防盗雷达，以及遥感测试雷达等。7.3.1 雷达基本工作原理雷达基本工作原理7.4 微波技微波技术术的其他的其他应应用用 微波检测技术在工业、农业、科学研究ISM（Industrial,Scientific and Medical）等领域.表 几个ISM频带频段波段中心频率波长890-940MHzL0.330m2.4-2.5GHzS0.122m5.725-5.875GHzC5.2cm22-22.25GHzK8mm7.4.1 微波微波检测检测技技术术的工的工业应业应用用 微波测湿微波测湿利用物质含水量对其介电常数和损耗角正切影响较大的特性来检测物质的湿度;在130GHz内，常温下水的相对介电常数在3077之间，损耗角正切在范围；而大多数干物质的相对介电常数在15之间，损耗角正切在范围测试样品通常是某种介质和水的混合物，其复合介电常数介于水的介电常数和某种物质的介电常数之间，含水量的大小将导致复合介电常数的变化。对于TEM波，衰减常数和相移常数分别为通过厚度为d的测湿样品后，其衰减和相移量分别为 实际中，不需测介电常数和损耗角正切，而直接测量微波衰减量和相移，或谐振频率，然后根据它们与湿度的定标曲线差得到湿度.tanrr2tanrddArdd2衰减、相移量和厚度可直接测量，衰减、相移量和厚度可直接测量，由此可计算样品的相对介电常数由此可计算样品的相对介电常数r和损耗角正切和损耗角正切tan，某对（，某对（r，tan）对应该物品）对应该物品的湿度的湿度 7.4.1 微波检测技术的工业应用微波检测技术的工业应用微波衰减法测湿框图 u测量悬浮体对微波的衰减量，可以得到悬浮体的浓度；u用网络分析仪测量试样的相位和幅度，可检测胶接结构的脱粘和气孔大小u测量金属板对微波的反射系数相角的变化，可以确定金属板的厚度u还可以检测金属表面的裂纹 7.4.1 微波检测技术的工业应用微波检测技术的工业应用7.4.2 微波能的微波能的应应用用 微波是携带能量的，微波能已经用于食品烹饪和加热、工业烘干、农业杀虫、灭菌等方面。微波加热基本原理基本原理：电磁场作用于介质，介质分子由于极化而成为电偶极子，电偶极子随电磁场的变化而产生扰动，由于分子热运动和邻近分子间的相互作用，使这种扰动受到干扰和阻碍，并以热的形式表现出来，使介质的温度升高.优点优点：加热均匀、速度快、热效率高、可以进行选择性加热、容易实现自动控制 .微波加热设备方框图 微波加热源有连续波磁控管和多腔速调管 7.4.3 微波技微波技术术的医学的医学应应用用u微波技术用于疾病的诊断和治疗，当组织发生病变时，其形态或结构会发生变化，用微波技术测量这些介质特性的变化可用作诊断疾病的基础。u微波治疗能量集中、受热体积及温度容易控制等优点u现在微波理疗已普遍用于治疗肌肉劳损、酸痛等疾病，在肿瘤治疗方面也获得较大突破7.4.4 微波技微波技术术在科研中在科研中应应用用u微波波谱学微波波谱学 研究在微波照射下，通过物质产生电磁辐射与吸收以及能量的频谱分布情况，来研究分子能谱的精细和超精细结构的科学.1960s年代开始，用射电望远镜与微波波谱学相结合，在星际空间发现了几十种有机分子.u微波等离子体微波等离子体 等离子体是由带正、负电荷的两种粒子所组成的电中性粒子体系，其中至少有一种带电粒子是可以自由运动的.高功率微波可以使稀薄的气体放电而产生等离子体，微波等离子体已用于雷达的天线开关.利用微波在等离子体中的传播特性来测量等离子体的参量。其基本原理是，若微波频率足够高，微波大部分可以透射到等离子体内部，其振幅和相位发生变化，测出这一变化就可以求得等离子体的介电常数，进而可以确定等离子体的密度和电子气的温度等.u射电天文学射电天文学 通过观测天体的无线电波来研究天文现象的科学。借助于测量和分析天体所发射的1mm30mm波长的电磁波辐射来从事天体研究射电天文学有两种系统：在地球上或空间站发射电磁波，然后接收从天体反射回来的波;直接接收天体辐射。7.4.4 微波技术在科研中应用微波技术在科研中应用
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