微波与毫米波技术基本知识课件

电磁场与微波基本常识电磁场与微波基本常识提纲+概述+1 电磁场与电磁波+2 无线电波传播特性+4 毫米波的特点+5 无线电系统组成+6 毫米波应用(测速雷达有关问题)提纲概述概述+我们周围充斥着无线电波，学名叫“电磁波”，例如：+电视、广播、通信、雷达、导航、各种家用电子.+它们工作在不同频段，但有一个共同的特点：由发射机、接收机和天线组成。+发射机发射的带有信息的信号能量通过发射天线转换为电磁波接收天线将接收到的电磁波变换成传输能量送到接收机，这样就完成了信息的无线传输。概述我们周围充斥着无线电波，学名叫“电磁波”，例如：无线电系统组成发射机（信号产生、放大）接收机（信号放大、变换）接收终端（信息处理）发射天线（辐射能量）接收天线（搜集能量）发射终端（信息产生）无线电系统组成发射机（信号产生、放大）接收机（信号放大、变换概述+本讲座介绍无线系统的射频部分相关知识，包括天线、发射机、接收机以及电磁波的基本知识，微波部件和子系统参数测量的基本原理和方法，使学员建立电磁场与微波技术的基本概念，奠定设计、调试微波部件和子系统的技术基础。概述本讲座介绍无线系统的射频部分相关知识，包括天线、发射机、一、电磁场与电磁波+电磁波是能量在空间传播的一种形态。电磁场是描述电磁波的一种方式。电场和磁场总是紧密联系在一起的。+在交流电路中，通电线圈周围要产生磁场，如果电流的大小随时间变化，所产生的磁场也会随时间变化；+线圈在恒定磁场中移动，将在线圈中产生直流电；如果是在随时间变化的磁场中移动，将在线圈中产生交流电。一、电磁场与电磁波电磁波是能量在空间传播的一种形态。电磁场是电磁场的概念+我们能否把交流电路的概念推广到电磁场中呢？+人类认识客观世界，发现新的事物，有两种方式：+（1）从生产实践、科学实验中观察分析后发现新的事物；+（2）从科学理论出发，预言新的事物存在。+电磁波的发现，属于后一种。电磁场的概念我们能否把交流电路的概念推广到电磁场中呢？电磁场的概念源于麦克斯韦的预言+麦克斯韦的预言：+如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场；+这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场如此周而复始；+变化的电场和变化的磁场总是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场电磁场的概念源于麦克斯韦的预言麦克斯韦的预言：麦克斯韦预言+麦克斯韦提出了有旋电场的概念和位移电流的假设，揭示了电磁场的内在联系和相互依存，麦克斯韦熟练地运用了当时正在发展的矢量分析，找到了表述电磁场（空间连续分布的客体）的适当数学工具，得到了描述电磁场特性的规律，并预言了电磁波的存在这就是著名的麦克斯韦方程。+10年后，他的学生赫兹用实验方法证实了麦克斯韦的伟大预言，发射并接收了电磁波，从而开创了无线电技术的新时代。麦克斯韦预言麦克斯韦提出了有旋电场的概念和位移电流的假设，揭麦克斯韦预言+麦克斯韦的理论要点之一+变化的磁场产生电场：+变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。+麦克斯韦认为,线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，这是一种普遍存在的现象，跟闭合+电路是否存在无关。麦克斯韦预言麦克斯韦的理论要点之一麦克斯韦预言+麦克斯韦的理论要点之二+变化的电场产生磁场：+麦克斯韦研究了电现象和磁现象的相似和联系提出一个假设：变化的电场产生磁场。+根据麦克斯韦的理论，在给电容器充电的时候，不仅导体中电流要产生磁场，而且在电容器两极板周期性变化着的电场周围也要产生磁场。麦克斯韦预言麦克斯韦的理论要点之二麦克斯韦预言+麦克斯韦根据自己的理论进一步预言：+如果在空间某域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场+可见，变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。麦克斯韦预言麦克斯韦根据自己的理论进一步预言：麦克斯韦预言+麦克斯韦预言的基本要点概括如下：+（1）变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围产生磁场；+（2）均匀变化的磁场，产生稳定的电场，均匀变化的电场，产生稳定的磁场；这里的“均匀变化”指在相等时间内磁感应强度（或电场强度）的变化量相等，或者说磁感应强度（或电场强度）对时间变化率一定.麦克斯韦预言麦克斯韦预言的基本要点概括如下：麦克斯韦预言+（3）不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变化的电场产生变化的磁场；+（4）周期性变化（振荡）的磁场产生同频率的振荡电场，周期性变化（振荡）的电场产生同频率的振荡磁场；+（5）变化的电场和变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场，它们向周围空间传播就是电磁波。麦克斯韦预言（3）不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变电磁波+这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，并且由发生的区域向周围空间传播电磁场由发生区域向远处传播就是电磁波。+电磁波是一种以巨大速度通过空间而不需要任何物质作为传播媒介的粒(量)子流，具有波粒二象性。+波动性可以用波长，波数，频率表征。电磁波 这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生，并且由发生的电磁波+波长是波传播路线上具有相同振动相位的相邻两点之间的线性距离，+频率是每秒的波动次数，单位为Hz。+真空中有如下公式：+频率光速/波长+光速30万公里/秒+波数2/电磁波波长是波传播路线上具有相同振动相位的相邻两点之间的线性麦克斯韦方程(微分形式）+法拉第电磁感应定律 安培全电流定律 磁通连续性 高斯定律 三个组成关系：电荷守恒定律 麦克斯韦方程(微分形式）法拉第电磁感应定律 安麦克斯韦方程（积分形式）法拉第电磁感应定律安培全电流定律磁通连续性高斯定律电荷守恒定律麦克斯韦方程（积分形式）法拉第电磁感应定律安培全电流定律磁通电磁场量和电路量电压磁势电通量磁通量电流电荷由积分形式可看出场量与电路量之间的关系：电磁场量和电路量电压磁势电通量磁通量电流电荷由积分形式可看出电磁场和电路定律将麦氏方程改写成电路方程：法拉第电磁感应定律安培全电流定律磁通连续性高斯定律电荷守恒定律电磁场和电路定律将麦氏方程改写成电路方程：法拉第电磁感应定律电磁场和电路定律+用求和 表示积分：克希霍夫电压定律（电磁感应定律）克希霍夫电流定律（电荷守恒定律）电磁场和电路定律用求和 表示积分：克希霍夫电压定律电磁频谱+通常将电磁频谱分为长波、中波、短波、超短波、微波、毫米波、亚毫米波、红外和光波，其对应的频率如表1所示。+不同频段的电磁波传播特性不同，它们的用途也不同。电磁频谱通常将电磁频谱分为长波、中波、短波、超短波、微波、毫常用频段称呼+射频(RF)：1MHz-1GHz(广义射频指无线电频率）+微波：1GHz-30GHz+毫米波：30GHz-300GHz+亚毫米波：300-3000GHz(1000GHz=1THz)+红外：300-416000GHz(1000THz=1pHz)+可见光：0.760.4m常用频段称呼射频(RF)：1MHz-1GHz(广义射频指表1 无线电频段划分名称长波中波短波超短波(VHF)微波和毫米波频率15100kHz1001500kHz1.530MHz30300MHz300MHz以上波长20km3km3km200m200m10m10m1m1m以下表1 无线电频段划分名称长波中波短波超短波微波和毫米波频率表2微波频段划分(UHF)名称PLSCXKuK频率225-390MHz0.39-1.55MHz1.55-3.9GHz3.9-6.9GHz6.9-12.4GHz12.4-18GHz18-26.5GHz波长133.2-76.9cm76.9-19.3cm19.3-7.69cm7.69-4.35cm4.35-2.42cm2.42-1.67cm1.67-1.13cm表2 微波频段划分(UHF)名称PLSCXKuK频率225表3毫米波频段(EHF)名称 KaQUVEWFDG频率GHz26.5-4033-5040-6050-7560-9075-11090-140-110-170140-220波长mm11.3-7.59.1-6 7.5-5 6-45-3.3 4-2.7 3.3-2.12.7-1.72.1-1.4大气透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz大气吸收频段：60GHz，120GHz,185GHz表3 毫米波频段(EHF)名称KaQUVEWFDG 频率GH二、无线电波传播特性+长波在地面与电离层下边界之间形成的“球形波导”内以空间波形式传播；+中波在白天以表面波形式传播，而夜间既有表面波也有空间波形式传播；+短波的远距离传播则依靠电离层反射的空间波；白天与夜晚电离层高度和密度差别大。+无线电波正是依赖电离层的反射才有可能实现远距离传播。二、无线电波传播特性长波在地面与电离层下边界之间形成的“球形无线电波传播特性+大气层是包围地球表面并和地球一起作为一个整体旋转的气体外壳。地表属于大气层下界，而上界是不定的。+从无线电波传播的观点来看，大气层分为三层：对流层、平流层、电离层。+这些区域之间的界限不是很明显，并且它们与时间和观察点的地理位置有关。无线电波传播特性大气层是包围地球表面并和地球一起作为一个整体无线电波传播特性+对流层的上界被称为对流层顶，在赤道上空为1618公里，在温带纬度为1012公里，而在极地地区为710公里。对流层高度季节性变化很小。+平流层从对流层延伸到约5060公里的高度。+电离层位于平流层之上，大气层上界以下。+对流层和平流层的区别在于其温度随高度分布的规律不同。+电离层与大气层下面区域的区别在于是否具有大量的自由电子和离子。+电离层分为为D 层,E 层,F1层和F2层。无线电波传播特性对流层的上界被称为对流层顶，在赤道上空为16无线电波传播特性+大气层中的主要成分是氧气和氮气,其温度在离地90公里以上随高度增加而增加,由于太阳辐射和其它宇宙射线的作用,在距地面约90公里起氧气开始离解；+在距地面约200公里起氮气开始离解:将产生电子和离子的过程称为电离过程;消失电子和离子的过程称为复合过程。实际上,电离与复合过程是同时存在的。+电离层就是这种种过程形成的电子和正、负离子的复合体。因此,电离层要受到太阳活动的影响，因而白天和夜晚差别较大。无线电波传播特性大气层中的主要成分是氧气和氮气,其温度在无线电波传播特性 电离层基本结构特征在地球北纬地区(我国处在此区)的实验结果如下表所示.电离层并不能反射所有频率的电磁波，反射频率与离子浓度有关。电离层也吸收电磁波，如白天形成的D层使短波传播衰减，因而白天不能收到远距离电台，夜间D层消失，可收到远地台。无线电波传播特性 电离层基本结构特征在地球北纬地无线电波传播特性+超短波以上频段的电磁波基本上是视距传播，频率越高，其特征越接近于光波；大气特性对毫米波频段以上的电磁波传播衰减与频率有密切关系。+大气电参数的不均匀性、气候和天气现象会导致传播媒质与其中传播的无线电波发生作用，产生如下效应：+（1）无线电波传播轨迹的弯曲（折射）；+（2）极化面旋转；+（3）大气气体对无线电波的吸收（衰减）；+（4）水凝物对无线电波的吸收和散射；+（5）固体微粒和大微粒（尘粒和沙粒）对无线电波的吸收和散射；+（6）大气湍流不均匀性对无线电波能量的耗散；+（7）信号色散失真。无线电波传播特性 超短波以上频段的电磁波基本上是视距传大气对无线电波的衰减大气对无线电波的衰减地球曲率的影响当R0.8Rmax时，属于视线区，当 ，为半阴影区，当 ，则为阴影区。视距地球曲率的影响视距地球曲率的影响地球曲率的影响雷达回波的多径效应+电磁波入射到物体表面将产生反射、散射和绕射，天线接收到的信号是直接波与这些波的合成。所谓多径效应，就是来自不同路径的波对系统的影响，其中主要是地面反射的影响。+当地面不平整高度 h 满足下式（瑞利准则）时，地面可视为平坦的，可按镜面考虑：其中是电磁波的入射余角，即与地面夹角。雷达回波的多径效应 电磁波入射到物体表面将产生反射、正向波束与来自地面的反射波束的干涉（平坦地面）正向波束与来自地面的反射波束的干涉（平坦地面）平坦地面的影响平坦地面的干涉因子雷达接收的信号与天线高度和距离有关，可用干涉因子表示。平坦地面的影响平坦地面的雷达接收的信号与天线高度和距离有关，毫米波在地球大气中衰减的物理原因毫米波在地球大气中传播时，由于大气气体的吸收，水凝物（雨、冰雹、雪、雾、云）的散射和吸收电场强度会发生衰减；在地球与人造地球卫星通信线路上传播时，由于核爆炸、流星侵入和其它因素作用下出现的大气吸收,电场强度会发生衰减。大气气体的吸收具有双重特性：非谐振吸收和谐振吸收 在10 GHz频率以上尤为明显。毫米波在地球大气中衰减的物理原因毫米波在地球大气中传播时，雨、雾、云和冰雹的衰减 雾依其形成条件也分为三种 辐射雾、平流雾、汽化雾。辐射雾形成的主要原因是来自地表和空气下层的自由辐射，空气因此变冷凝结。平流雾在湿热空气流经较冷的表面时产生，其持续时间最长。汽化雾在冷空气流经热水面时出现。雨、雾、云和冰雹的衰减 雾依其形成条件也分为三种 各种各种强度雨的主要特性强度雨的主要特性强度雨的主要特性强度雨的主要特性雨的类型 雨的强度mm/h 雨滴半径mm 1 m3内的雨滴数 雨滴间平均距离cm 含水量 g/m3 毛毛雨 0.250.10.092 小雨 10.2250.14中雨 4 0.5530120.28 大雨15 0.75 4500.83 暴雨4011.9倾盆大雨 100 1.5-2.5 400 14 5.4 各种强度雨的主要特性雨的类型 雨的强度雨滴半径1 m3内的雨路径衰减与雨的强度I的关系1 30 GHz2 40 GHz3 80 GHz4 100 GHz5250 GHz 路径衰减与雨的强度I的关系1 30 GHz雪的衰减a)图：1 35 GHz，2 95 GHz，3 140 GHz，4 217 GHz上的路径衰减与降雪的关系；b)图：1140 GHz频率上的路径衰减与等效降雪强度(I)的关系；2毫米波在140 GHz频率上的路径衰减与降雨强度(I)的关系 雪的衰减a)图：1 35 GHz，2 95 GHz毫米波频段的特点+毫米波介于微波、红外和光波之间，其特征：+与红外和光波比较：毫米波比红外或者光波能更好地穿过雾、雨、烟和尘埃等媒质，穿过等离子体时衰减不大。在毫米波频段，由大气中的水蒸汽和氧分子引起的衰减与频率有关，可实现对无线电波传播路径和大气层进行遥测和遥控的高效频谱分析。在使用相同工作频率的各种无线电系统间有较好的电磁兼容性和抗干扰能力；有利于系统保密性。毫米波频段的特点毫米波介于微波、红外和光波之间，其特征：毫米波的特点 与微波比较：毫米波频段的波长更短，在天线孔径相对较小的情况下，实现更高的角分辨能力在进行目标导航、定位和跟踪时，实现目标在空间上的更高定位精度；目标信号与无源干扰信号的比值更高，并对有源干扰具有更好的抗干扰稳定性。毫米波的特点 与微波比较：毫米波的特点在毫米波频段，由于信道和无线电电子设备的有源器件绝对频率带宽更宽，因此，具备更高的信息传输能力，尤其是提高了有源无线电定位时的距离分辨率和无源无线电定位（辐射计）的灵敏度。多普勒频移高，易于提取；在相参毫米波雷达系统中，在杂波背景下实现更高的目标速度分辨率和更佳的目标可观测性。毫米波的特点在毫米波频段，由于信道和无线电电子设备的有源器毫米波的特点毫米波可用频带宽。+频带宽可以提高信息的传输率，这为日益拥挤的微波频段的通信领域开辟了新天地，也为目标识别增加了手段。+毫米波的主要缺点是：+在大气层中传播时频率选择性吸收和散射比较低频率上的无线电波更为严重，特别是在大气中存在水凝物和其它不均匀性条件下。因此，毫米波更适用于短程无线电系统。毫米波的特点毫米波可用频带宽。天线基本知识+天线是能量变换器：+将空间的电磁波能量变换为传输能量，或者将传输能量变成向空间辐射的电磁波能量。+这就要求：+（1）与发射机或接收机的传输线匹配；+（2）与自由空间的波阻抗匹配；+（3）具有一定的方向性，即向指定空间辐射；+（4）具有要求的极化特性。天线基本知识天线是能量变换器：天线的特性参数（1）增益 （2）辐射方向图（3）输入驻波系数（4）极化天线的特性参数（1）增益 （2）辐射方向图天线的特性参数辐射方向图+一天线用作发射时在空间各方向上的辐射是不均匀的，而天线用作接收时从各方向上接收的能量也是不均匀的。（天线作为发射和接收性能相同。）+天线的这种方向选择性可用它的辐射方向图描述。天线的特性参数辐射方向图一天线用作发射时在空间各方向天线的辐射特性+辐射方向图通常由下列参数描述：+H 面和E面3dB波束宽度；+H 面和E面第一副瓣电平；+H 面和E面远副瓣最高电平或平均电平。+对于单脉冲天线，还要求：+（1）和差矛盾，即差波束与和波束最大值之差+（2）差波束的零点深度，即差波束交叉点最小值与最大值之差。天线的辐射特性辐射方向图通常由下列参数描述：天线的特性参数方向性系数和增益+方向性系数增益方向性系数效率天线的特性参数方向性系数和增益方向性系数增益方向性系天线的特性参数极化极化+电磁波的极化：表示+作为时间函数的场+矢量端点轨迹的+取向和形状。+包括：+线极化波（垂直、水平）+圆极化波（左旋、右旋）+椭圆极化波 天线的特性参数极化 电磁波的极化：表示天线的极化特性 椭圆极化波可视为两个同频线极化波的合成，或两个同频反向圆极化波的合成。两线极化场的情况，它们位于垂直于传播方向的平面上，取向分别为x轴和y轴，相位差为：Ex=E1sin(wt)Ey=E2sin(wt+)“瞬时”合成矢量的端点轨迹是一个椭圆方程：天线的极化特性 椭圆极化波可视为两个同频线极化波的合成天线的极化特性+描述椭圆极化特性的参数：+椭圆极化特性可由三个参数表示：+（1）轴比AR（长轴与短轴之比）；+（2）倾角（参考方向与椭圆长轴间的交角，当沿传播方向观察是，倾角为顺时针方向的角度）；+（3）旋转方向：当观察者沿波的传播方向由发射端向接收端看去，极化平面内电场矢量的旋转方向为顺时针时，极化方向被为右旋，否则称为左旋。天线的极化特性描述椭圆极化特性的参数：天线的极化特性+当入射平面波的极化椭圆在给定方向上与接收天线具有相同的轴比、倾角和极化方向时，由此给定方向上天线将获取最大信号。+若入射波的极化与接收天线的极化不匹配，将产生极化损耗，其大小由极化效率给出。+极化效率定义为：+天线实际接收的功率与极化匹配良好时天线在此方向所应接收的功率之比。天线的极化特性当入射平面波的极化椭圆在给定方向上与接收天线具天线的特性参数输入驻波系数+天线的输入阻抗是天线在馈电点的电压与电流的比值。天线阻抗设计的目的就是要提供一匹配阻抗，以保证最大功率传输。+输入驻波系数表示天线阻抗与馈线的匹配程度：+驻波系数：+其中，是反射系数天线的特性参数输入驻波系数天线的输入阻抗是天线在馈电天线的基本类型+（1）元天线：单极天线、环天线、缝隙天线、微带辐射器 等+（2）行波天线：菱形天线、螺旋天线、对数周期天线、表面波天线、长介质棒 等+（3）阵列天线：平面阵、侧射阵、共形阵、自适应阵、极化分集天线、相控阵天线、DBF天线等+（4）孔径天线：反射器天线、双反射器、喇叭天线、透镜天线 等。天线的基本类型（1）元天线：单极天线、环天线、缝隙天线、微带天线和微带天线阵在一个薄介质基板上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片。在导体贴片和接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线也可看作为一种缝隙天线。微带天线和微带天线阵在一个薄介质基板上,一面附上金属薄层作为微带天线和微带天线阵微带天线单元的增益一般只有6dB8dB。为获得更大增益,或为了实现特定的方向性要求,常采用由微带辐射元组成的微带阵列天线。微带天线和微带天线阵微带天线单元的增益一般只有6dB8dB微带天线和微带天线阵微带天线和微带天线阵微波/毫米波系统构成 传输线及不连续性无源和有源器件(半导体或电真空)微波部件微波模块微波系统微波/毫米波系统构成 传输线无源和有源器件 微波部件传输线+波导管 同轴线 微带线传输线波导管 微波电路+按照工艺分类：+立体电路+微波混合集成电路：采用分离元件及分布参数电路混合集成。+微波集成电路（MIC）：采用管芯及陶瓷或复合材料基片。+微波单片集成电路（MMIC）：采用半导体材料（Si或GaSa）和工艺的微波集成电路。微波电路按照工艺分类：微波/毫米波电路+从分立电路平面微波集成电路多层和三维微波集成电路到多芯片模块。+微波、毫米波子系统的集成化推进了整机系统面貌迅速更新。+这不仅体现在设备体积重量按数量级减小，而且成本降低、可靠性提高，从而促进了微波和毫米波技术在军事和民用领域广泛应用。微波/毫米波电路从分立电路平面微波集成电路多层和三维微波噪声的种类和成因?消除噪声的途径和方法+通常我们用“噪声系数”来衡量内部噪声对输出信噪比的影响程度,噪声系数是接收机输入端信号与噪声功率比和其输出端信号与噪声功率比的比值：Psi、Pni分别为接收机输入端的信号功率和噪声功率;Pso、Pno分别为接收机输出端的信号功率和噪声功率。噪声的种类和成因?消除噪声的途径和方法 通常我们用“噪声系数接收机的噪声+如果接收机内部不产生噪声,那么接收机信噪比通过接收机后是不会变化的,因此F=1。由于实际接收机是存在内部噪声的,那么输入信噪比通过接收机后将要变坏,因此F 1,且F 值越大,表示接收机内部噪声的影响越大。+多个单元级联后的总噪声系数F0+Kpa为接收机的额定功率增益接收机的噪声 如果接收机内部不产生噪声,那么接收机信噪接收机的噪声+要使级联电路的总噪声系数F0小,就需各级的噪声系数要小和额定功率增益要大，越是靠近前面的几级,噪声系数和额定功率增益对接收机总的噪声系数影响越大，所以，总是力图减小前几级的噪声并增大额定功率增益,以提高接收机的灵敏度。+当未采用高频低噪声放大器时，接收机的噪声系数取决于混频器和前置中放的噪声系数，而混频器的噪声系数主要由二极管的噪声系数和混频损耗决定。接收机的噪声 要使级联电路的总噪声系数F0小,就需各级接收机的噪声+二极管的噪声包括：+1）散弹噪声：散弹噪声和热噪声是频谱均匀的白噪声。+散弹噪声是载流子运动的随机性产生的，与电流有关。+2）热噪声功率可表示为：+热噪声功率kTBF+其中，k 是波尔兹曼常数+T 是绝对温度+B 是接收机带宽+F 是接收机噪声系数接收机的噪声 二极管的噪声包括：