微波工程导论第1章绪论

第一章绪论随着无线技术的发展，微波电子系统已经广泛用于国民经济、军事和人们日常生活的各个方面，如微波通信、雷达、微波遥感、全球定位系统（如GPSGlonass北斗）、遥控遥测系统、电子战系统、微波医疗设备等，这些都对社会和人们的生活产生了深远的影响。近些年来以蜂窝移动通信为核心的无线应用技术，包括无线局域网（WLAN）,蓝牙技术（Bluetooth）、电视直播服务（DBS殍，并已取得巨大发展，微波系统的设计在整个无线应用系统中的地位日益突出。由于在高频条件下，微波电路的特性与低频电路不同，如微波电路的集肤效应、电磁辐射效应等，都需要利用微波理论去理解和设计微波电路。微波元件常常是分布元件，因为器件的尺寸与微波波长为同一个数量级，所以其中的电压或电流相位在器件的物理尺寸内有明显变化，增加了电路设计的难度。虽然微波的独特性使分析和设计微波器件和系统变得更加困难，但这些因素也恰恰是微波系统得到广泛应用的前提。1.1常用无线电频段在过去的一百多年里，人们对微波技术的认识和使用日趋成熟，从图1.1-1中可以看出，近年微波工程的应用范围越来越广泛。190019201940196019802000电报卫星通信.中继通信*卫星遥攀奥整宽移动通信直播卫星.全球定位，自动驾驶个人通值聚疏.网像传输、数提网络图1.1-1无线电技术的发展历史对电磁波频谱的划分是美国国防部于第二次世界大战期间提出的，由美国电气和电子工程协会（IEEEB广，被工业界和政府部门广泛接受，具体电磁波频谱分段见图1.1-2。在整个电磁波谱中，微波处于普通无线电波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽1000倍以上，可携带的信息量不可想象。一般情况下，微波频段又可划分为米波（波长101m,频率30300MHz）,分米波（波长101dm,频率3003000MHz）,厘米波（波长101cm,频率330GH0和毫米波（波长101mm,频率30300GHZ四个波段。其后是亚毫米波、远红外、红外线和可见光。图1.1-2电磁波频谱以上的这些波段的划分并不是唯一的，还有其他许多不同的划分方法，分别由不同的学术组织和政府机构提出，如第二次世界大战中，为保密而采用L、SX等字母来命名雷达波段，在相同的名称代号下有不同的范围，因此波段代号只是大致的频谱范围。另外，以上这些波段的分界也并不严格，工作于分界线两边临近频率的系统并没有质和量的跃变，这些划分完全是人为的，仅是一种助记符号。对不同频段无线电信号的使用不能随意确定，也就是说，频谱作为一种资源，各国各级政府都有相应的机构对无线电设备的工作频率和发射功率进行严格管理。国际范围内更有详细的频谱用途规定，即CCIR建议文件。在这个文件中，规定了雷达、通信、导航、工业应用等军用或民用无线电设备所允许的工作颇段，表1.1-1是各无线电频段的基本用途。各个用途在相应频段内只占有更小的一段频潜或点频下作。和平年代，在某个地区要避免用途不同的无线电设备使用相同的频率。相反,在电子对抗或电子战系统中，就是要设法掌握敌方所使用的无线电频率，给对方实施毁灭性打击。目前，发展最快的民用领域是移动通信，巨大的市场潜力和飞速的更新步伐，使得这一领域成为全球的一个支柱产业，表1.1-2给出了常用移动通信系统频段分布及其工作方式。表1.1-1CCIR建议的无线电频段的基本用途频段基本用途备注VHF和UHF(303000MHz)电视广播；警察、防灾、道路、电力、矿山、汽车、火车航空、卫星通信；行业专用指挥系统；个人无线电；气象雷达、地面雷达、海事雷达、一次雷达；生物医学、工业加热等。技术发展最成熟，应用最广泛，频谱最拥挤。SHF(330GHz)公用微波中继通信、行政专用中继通信；卫星电视、导航、遥感；射电天文、宇宙研究；探测制导、军用雷达、电子对抗。穿透大气层，广泛应用于空间技术。EHF(30300GHz)各种小型雷达；专门用途通信；外空研究；核物理工程；无线电波谱学。尺寸更小，近红外，与近代物理学相关。表1.1-2常用移动通信系统频段分布系统IS-95IS-54GSMDCS-1800DECTCDMAWCDMA(CDMA2000频带/MHz86A89482484986989482484993A96089卜9151710-1785180A1880180019001885202521102200188A20252110-2200多址CDMA-SS/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMATDMA/FDMACDMA/FDMACDMA/FDMA复用FDDFDDFDDFDDFDD信道带宽125030200200172812504400-5000调制BPSK/QPSKn/4-QDPSKGMSKGMSKGFSKBPSK/QPSK发!寸功率/W200600/2001000/1251000/125250/10语音速率/(kbit/s)1881313329.68.6语音信道38812码片速率/(Mbit/s)1.22881.22884.096一般地，微波技术所涉及的无线电频谱是图1.1-1中甚高频(VHF到毫米波段或者P波段到毫米波段很宽范围内的无线电信号的发射与接收设备。具体地，这些技术包括信号的产生、调制、功率放大、发射、接收、低噪声放大、混频、解调、检测、滤波、衰减、移相和开关等各个模块.单元的设计和生产。它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律。分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用基尔霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。两种方法研究同一个问题。其结论是相同的。到底是用“场”的方法还是用“路”的方法应由研究的方便程度来决定。微波工程中的大量问题采用网络方法和分布参数概念可以得到满意的工程结果，而不是拘泥于严谨的麦克斯韦方程组及其数值解法。在微波频率范围内，由于模块的几何尺寸与信号的共作波长可以比拟，分布参数概念始终贯穿于工程技术的各个方面。而且，同一功能的模块，在不同的工作频段的结构和实现方式大不相同。“结构就是电路”是微波电路的显著特征。微波电路的设计目标就是处理好材料、结构与电路功能的关系。1.2微波的重要特性微波技术的迅速发展和广泛应用，是与微波技术的特性密切相关的，下面主要介绍微波的基本特性及其优、缺点。（1）微波的基本特性（a）似光性微波能像光线一样在空气或其他媒体中沿直线以光速传播，在不同的媒体界面土存在入射和反射现象。这是因为微波的波长很短，比地球上的一般物体（如舰船、飞机、火箭、导弹、汽车、房屋等）的几何尺寸小得多或在同一个数量级，当微波照射到这些物体上时将产生明显的反射，对于某些物体将会产生镜面反射。因此，可以制成体积合适、增益高、方向性强的天线，用来传输信息，实现通信。而接收物体所引起的回波或其他物体发射的微弱信号，可确定物体的方向、距离和特征，实现雷达探测。（b）穿透性微波照射某些物体时，能够深入物体的内部。微波（特别是厘米波段）信号能穿透电离层，是人们探测外层空间的重要窗口；能够穿透云雾、植被、积雪和地表层。具有全天候的工作能力，是遥感技术的重要手段；能够穿透生物组织，是医学透热疗法的重要方法；能穿透等离子体，是等离子体诊断、研究的重要手段。（c）非电离性一般情况下，微波的量子能量还不够大，不足以改变物质分子的内部结构或破坏物质分子的结构。由物理学知道，在外加电磁场周期力的作用下，物质内分子、原子和原子核会产生多种共振现象，其中，许多共振频率处于微波频段。这就为研究物质内部结构提供了强有力的实验手段，从而形成一门独立的分支方向一微波波谱学。从另一方面考虑，由物质的微波共振特性，可以用某些特定的物质研制微波元器件，完成许多微波系统的建立。(d)信息性微波频带比普通的中波、短波和超短波的频带要宽几千倍以上，这就意味着微波可以携带的信息量要比普通无线电波可能携带的信息量大得多。因此，现代生活中的移动通信、多路通信、图像传输、卫星通信等设备全都使用微波作为传送手段。微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频移信息等。这些特性可以被广泛应用于目标探测、目标特征分析、遥测遥控、遥感等领域。(2)微波的主要优点由上述基本特性可归纳出微波与普通无线电相比的优点。(a)频带宽：可以容纳较多的设备同时工作，实现多波段、大容量的信息传输。(b)分辨率高：由于波长短，容易实现定向发射和定向接收信号，在军事上可以对目标进行测角、测距；另外，随着信号处理技术的发展，机载雷达已经实现在微波频段对目标进行高精度的成像。(c)尺寸小：电路元件和天线体积小，便于移动和高速运动平台上安装使用。(d)外界干扰小：因为工业城市噪声(如飞机、高压线、电火花)等干扰的主要频谱集中在低频区，因此对微波波段的干扰小。(3)微波的不利因素由于微波本身的特点，也会带来一些局限性。主要体现在：(a)辐射损耗大。(b)兀器件成本局。(c)电路中，元件损耗大，输出功率小。(d)设计工具精度低，成熟技术少。因此，在设计过程中，需要合理地设计电路，取得一个比较好的优化方案。1.3 微波发展简史及大事记1862年，英国伟大的物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell18311879)在总结了前人有关电磁运动规律研究成果的基础上，加以推广而提出了一组描述电磁运动的数学方程。这组方程后人以他的名字命名，它就是著名的麦克斯韦方程。麦克斯韦方程不仅预言了电磁波的存在，把光波解释为电磁波的传播，光速也被发现。而且，直到今天，这组方程仍是人们研究一切宏观电磁问题的基础。著名的物理学家费曼说过，如果公元一万年时，人们还会记得19世纪，一定只知道那时曾经有个麦克斯韦。1886年，德国物理学家赫兹(HeinrichHertz,18571894)在其导师亥姆霍兹的支持下，用莱顿瓶放电的实验证实了麦克斯韦预言的电磁波的存在。这实质上开创了微波技术的起点。然而直到20世纪30年代发明了微波连续波发生器，并制成了金属波导管和空腔谐振器后，微波技术才开始迅速发展起来。1931年，在英国多佛与法国加莱之间建立了世界上第一条微波通信线路，这开创了微波技术在通信中应用的历史。第二次世界大战后，微波接力通信得到了迅速发展。1935年，英国的沃森瓦特（R.WatsonWatt）向政府提交开展“无线电侦测”的研究方案，并在同年进行的第一次试验中测到飞机的回波，从此开创了对雷达研究的历史。1938年，维利安兄弟制造了第一只速调管。1940年，英国伯明翰大学的布特和兰特尔研制出谐振腔磁控管（入=9.8cm）。1940年，第一台10波长雷达问世，它能探出11km远处露出水面的潜望镜。微波雷达的迅速发展，给希特勒的潜水艇以沉重的打击。1940年9月，英国科技使团携带空腔谐振磁控管及有关雷达的绝密资料赴美国，以说服美国帮助英国继续对雷达的研究。此次携带的磁控管是10cm频段，功率达10kw（约为美国同频段产品的1000倍）。磁控管的问世意味着雷达进入一个新的发展阶段，它既有频率高又有功率大的特点。因而雷达的分辨率更高，作用距离更远。同年，美国罗斯福总统亲自批准在麻省理工学院成立“辐射实验室”，调集大量科技精英（其中后来有约十人获诺贝尔奖）以战时状态对雷达进行大规模、全方位的研究与产品开发，这是雷达史上具有里程碑意义的事件。它不仅为战时同盟国提供了各种急需的雷达系统，还极大地促进了雷达系统和微波技术的迅速发展。曾在辐射实验室工作了两年后调去研制原子弹的物理学家贝特曾说:“雷达当然是致胜的关键，可惜的是战争结束后，它的风采却被原子弹给遮蔽了。原子弹只不过为战争划上句号，真正赢得战争的却是雷达。”1942年，辐射实验室传播组注意到雷达可以锁定风暴，于是有了气象雷达。1945年，雷神公司的拍西斯潘塞在测试中心磁控管前面感到手渐渐变暖，口袋中的棒棒糖逐渐融化。受此启发，公司制造出以磁控管为核心的炉子以供商业厨房使用，并为此注册了商标，“微波炉”开始逐渐走入千家万户（不过也经历了数十年的发展时间）。现在，磁控管依旧是微波炉的核心。1964年，德国人彭齐亚斯沙和威尔逊在维修一架射电望远镜的喇叭形低噪声天线时，发现了一种奇怪的噪声。经过他们认真的计算确认，在宇宙背景中有比预期温度高约3.5K的微波背景辐射（现今测定的最精确温度是2.736K）。他们于1965年5月13日公布的这一结果使宇宙起源大爆炸的理论得到了证实。这是探索宇宙起源的关键性突破，被认为是20世纪重大的科学发现之一，因此，他们共同获得1978年的诺贝尔物理学奖。1963 年， 国际通20世纪50年代，火箭技术的进步为卫星通信打下了基础。信卫星组织发射了第一颗实验性的同步通信卫星，因此，卫星通信及卫星电视广播成为微波应用的又一热点。20世纪70年代，雷达、卫星通信、微波中继通信成为微波应用的三大领域。因此，微波技术以更快的速度扩展到其它领域，例如微波加热、微波遥感。到了80年代，尤其是90年代以后，移动通信成为微波应用的最热门的课题。目前，微波技术的应用大致包括通信、雷达、导航、电子对抗、导弹制导、电视广播、微波加热、微波遥感、气象、天文以及工农业和科学研究等方面，下面作简要的介绍。1.4 微波技术的主要应用一、微波工程中的核心问题微波工程中所要解决的核心问题是以下三大主要方面：频率、阻抗和功率。只有合理的解决好三者的关系，才能实现预期的电路功能。(1)微波铁三角由于频率、阻抗和功率是贯穿微波工程的三大核心指标，将其称为微波铁三角能够形象地反映微波工程的基本内容。这三方面既有各自独立的特性，又相互影响。三者的关系可以用图1.4-1表示。这三个方面涵盖了微波工程中核心内容，下面给出对它们的解释。振荡器、压控振荡器、频率合成器、分频器、变频器、倍频器、混频器、滤波器等。频率是微波工程中最基本的一个参数，对应于无线系统所工作的频谱范围，也规定了所研究的微波电路的基本前提，进而决定了微波电路的结构形式和器件材料。直接影响频率的微波电路有：(a)信号产生器。用来产生特定频率的信号，如点频振荡器、机械调谐振荡器、压控振荡器、频率合成器等。(b) 频率变换器。将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率信号，如分频器、变频器、倍频器、混频器等。(c) 频率选择电路。在复杂的频谱环境中，选择所关心的频谱范围。经典的频率选择电路是滤波器，如低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器等。近年发展起来的高速电子开关由于体积小，在许多方面取代了滤波器实现频率选择。在微波工程中，这些电路既可以独立工作，也可以相互组合，还可以.与其他电路组合构成微波电路子系统。这些电路的测量仪器有频谱分析仪、频率计数器、功率计、网络分析仪等。(3)功率功率用来描述微波信号的能量大小，所有电路或系统的设计目标都是实现微波能量的最佳传递。对微波信号功率影响的主要电路有：(a) 衰减器。衰减器用来控制微波信号功率的大小。通常是由有耗材料(电阻性材料)构成，有固定衰减量和可调衰减量之分。(b) 功率分配器。功率分配器指用来将一路微波信号分成若干路的组件。信号可以是等分的，也可以是按比例分配的，希望分配后信号的损失尽可能小。功率分配器也可用作功率合成器，在各个支路口接同频同相等幅信号，在主路叠加输出。(c) 耦合器。定向耦合器是一种特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率到支路，用以检测主路信号的工作状态是否正常。分支线耦合器和环形桥耦合器实现不同相位的功率分配/合成，配合微波二极管完成多种功能的微波电路，如混频、变频、移相等。(d) 放大器。放大器用来提高微波信号功率的电路，在微波工程中地位极为重要。用于接收的是小信号放大器，该类放大器着重要求低噪声、高增益；用于发射的是功率放大器，着重点在放大器的输出功率。(4)阻抗阻抗是在特定频率下，描述各种微波电路对微波信号能量传输影响的一个参数。构成电路的材料和结构对工作频率的响应决定电路阻抗参数大小。工程实际中，应设法改进阻抗特性，实现能量的最大传输。所涉及微波电路有：(a) 阻抗变换器。增加合适的元件或结构，实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡。(b) 阻抗匹配器。一种特定的阻抗变换器，实现两个阻抗之间的匹配。(c) 天线。一种特定的阻抗匹配器，实现微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传送。二、微波通信现代的通信系统主要有微波中继通信、卫星通信、移动通信和光纤通信。可见除了光纤通信，其它三种均属于微波的范畴（1）微波中继通信是一个球体，地球的曲率半径使微波由于微波在地面上沿直线传播，而地球在地面上只能传播数十公里的距离（即视距），因此，为了增大通信距离而采用在中间设立若干中继站的办法，如图1.4-2所示。其中，接收天线接收前一站发射来的信号并作放大、均衡等处理，再由其发射天线定向发射到下一个中继站，这样一站一站地把信号传下去，如此实现远距离通信。微波中继通信具有传输容量大、长途传输质量稳定、投资少、建设周期短、维护方便和抗重大自然灾害能力强等特点。因此，即使在光纤通信非常发达的今天，微波中继通信仍有着不可替代的存在价值。它主要用于电话、电视和数据等远距离的传递。微波中继通信大多工作于120GHz频段之间。同撵道信卫虢轴H同步通信口星同步通高工戕同格通信【保1.4-3同步卫星实现全球通信与广播（2）卫星通信微波通信除了具有信息容量大的特点外,还由于其波长短，相应的天线可以构造得具有很大的电尺寸。而大线的增益与天线的S/入2值成正比（S为天线口面积，入为工作波长），天线主瓣宽度与S/入2成反比，因而能实现天线的高增益与锐方向性。若与低噪声放大器相配合，可以实现超远距离的微弱信号的接收；兼之低频率无线电波穿越大气层中的电离层时受到极大的衰减，而微波穿越电离层时受到的衰减不大，这就使应用微波实现卫星通信及深空通信成为可能，也非它莫属。其实，卫星通信就是把微波中继站放到外层空间的卫星上的微波中继通信。如果把互成1200的三颗卫星放置于地球的同步轨道上（赤道上空35786km处），如图1.4-3所示，就可以实现全球的通信或卫星电视广播了。卫星通信自20世纪60年代投入使用以后，其工作频率已从L、C波段发展到现在普遍使用Ku频段以及更高的频段，通信容量、通信质量和使用寿命等技术指标都有极大的提高，其应用的范围也越加广泛。如在2003年美国对伊战争中，美国就投入了90多颗军用卫星用于对敌的侦察、通信和指挥等。如今，一颗卫星，采用了数字压缩技术以后就可以传输百余套电视节目。卫星通信具有通信距离远、服务区大、传输的信息容量大、可靠性高、图像质量好、灵活性强以及可实现多址通信等优点。可见卫星通信不管在民用还是军用上都有着极其重要的位置。（3）移动通信早期的运动中的通信利用从短波到超短波的频段，一般是点对点的通信。而近20多年来，随着通信技术和计算机技术的迅猛发展，地面移动通信网遍地开花地建立起来，其工作频率大部分已进入微波的低频段，如个人数字蜂窝系统（PDC）个人通信系统（PCSJ数字蜂窝系统（DCS）数字增强无纯电话（DECT）无线局域网（WLAN卜蓝牙技术和全球定位系统（GPS）?。可见其应用日益普及，与个人及家庭有着密切关系。三、雷达（Radar）“雷达”一词是“无线电侦测与测距”的英文字首（Radiodetectionandrange）的译音。雷达利用无线电波遇物体会发生反射回波，并根据所接收的回波来获取被测物体的有关信息，从而实现对被测物体的测距、测向、测速以及目标识别与重建等。雷达作为一种测量设备，最早和最大量的应用是在军事上。目前用于军事上的有警戒雷达、跟踪雷达、炮瞄雷达、制导雷达以及测控雷达等。如按其工作体制或信号加工方式分类有：连续波雷达、脉冲雷达、脉冲多普勒雷达、目标显示雷达、相控阵雷达和合成孔径雷达等。如按工作频段分有：短波雷达、米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达、毫米波雷达、亚毫米雷达和激光雷达。大多数雷达工作于微波频段和超短波频段。下面对几种雷达略作介绍。传统的雷达设备的工作原理如图1.4-4所示，当雷达发射机发射的无线电波遇到目标物，广所反射的回波被雷达接收机接收，并在雷达显示荧屏上显示发射脉冲和回波脉冲时，通过测J%量脉冲间的间隙便可由下式计算出被测物/体的距离：S=c-t/2少式中，s为被测目标的距离；C0为空气中电波传播的速度，即光速；At为电波从发射机传至图1.4-4雷达定位原理被测目标再返回雷达接收机所经过的时间。理论上，若把天线的主瓣波束对准目标时，回波信号最强由天线电轴的方位角及仰角即可确定目标的方向，再利用三角关系，可由距离s、仰角3求出目标的水平距离D及高度ho但现代雷达已有不少更为精确确定方向的方法，例如脉冲多普勒雷达。(1)多普勒雷达测定目标的运动速度是雷达的一个重要功能，雷达测速利用了物理学中的多普勒原理：当目标和雷达之间存在着相对位置运动时，目标回波的频率就会发生改变，频率的变化量称为多普勒频移，可用于确定目标的相对径向速度。通常，具有测速能力的雷达，例如脉冲多普勒雷达，要比一般雷达复杂得多，多普勒频移值计算公式如下：2?2?/?) ?藻?= -?(?r 0目标接近? 0目标背离)式中，？?的目标相对于雷达的径向速度多普勒(Doppler)雷达是依靠移动目标所引起的多普勒频移信息的一种雷达体制，具有很强的距离鉴别能力和速度鉴别能力，能够在复杂的背景下检测出目标。它有连续波和脉冲两种形式，图1.4-5所示为最简单的连续波多普勒雷达结构示意图。图中将目标预想的速度范围划分为N个间隔，采用梳状滤波器组分图1.4-5连续波多普勒雷达结构示意图(2)脉冲雷达脉冲雷达是雷达的一种基本形式，如图1.4-6所示。对发射的微波信号进行脉冲调幅，发射出去的信号就是微波脉冲。检测回波脉冲信号与发射脉冲信号的时间差，即可确定目标的距离。(3)雷达截面(RCS)物体对雷达波的散射特性往往用物体的雷达截面积RCS表示。它定义为单位面积的入射功率所能产生的散射功率。一个半径为R的理想导体金属球，其RCS=tF2,如果不是理想导体，则其RCS等减小。如果改变物体的几何形状，使物体反射的雷达波尽量小，或者用吸收雷达波的材料将目标物罩住，则其雷达截面积将很小，这就是隐身的原理。对于频率为10GHz(3cm)勺无线电波，成人的雷达截面积为1m2,汽车为102m2,喷气式客机为103m2,大型货车为104m2,邮轮为106m2,蚊子为10-4m2。对隐身飞机，雷达截面积小于10-4m2,可见在这个频段，雷达是很难发现隐身飞机的。(4)相控阵雷达相控阵雷达是用电子计算机来控制天线诸单元(美国的巨型反导雷达系统SBX的雷达天线共有69632个射频收发模块，工作于X频段)的馈电相位，以电控的方式实现波束的快速扫描，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。超远程警戒雷达的作用距离可达10000kml以上，能为反导系统提供130min的预警时间。现在很多飞机、舰艇、防空部队都配备有不同作用距离的相控阵雷达。典型的预警机上就是靠其相控阵雷达系统来指挥战斗的。传统的机械扫描雷达，每扫描一次需510s的时间，而相控阵雷达，波束可在1人之内从一种状态过渡到另一种状态。雷达波束可在监视目标上停留，信息能以0.51s的速度迅速更新，从而保证雷达在探测远距离时能自动截获目标，提前发现极超高速目标。因为其信息更新速率高，可大量积累截获到的目标信号，提高抗干扰条件的能见度、视距，保证自动搜索跟踪，截获迅速机动的空中目标、低空目标、悬停的直升机、空气球和水面舰艇等。可同时监视250500个目标，因此预警机被称为战斗力的倍增器。（5）民用雷达在雷达的回波信号中，存在许多有用的信息（例如频率、相位、振幅、时延及极化等），它们包含着被测物体更精细的结构及物理特性。雷达测量具有许多独特的特点，如测量距离远、全天候、实时性、穿透性以及物体对微波频段特有的反射特性等，这是光学方法和其它测量方法所不及的。因此，雷达技术越来越广泛地应用于民用上，如民用航空（航空管制及飞机导航卜航海、气象、天文、遥感、城市交通及其它方面。（6）微波遥感SARc机载SAR工作原理图1.4-7SAR系统示意图利用机载或星载的合成孔径雷达（SAR）t地面进行测量和侦察。如图1.4-7所示，工作时，载体飞过非常直的路径，譬如1km长，沿途连续发射出固定频率的微波脉冲，当所有回波经合成处理之后，其鉴别率就像一孔径为1km的巨型天线所能达到的效果。美国第6代侦察卫星上的长曲棍球雷达成像卫星上装有两个X波段和一个L波段的合成孔径雷达，可全天候侦察，其地面分辨率为1m,这种雷达在海湾战争中曾发现沙漠地表以下2m处的目标（飞毛腿发射架和坦克等车辆）。我国在航空遥感方面，已实现了从单一频段的微波遥感到L、S、X和Ku波段的系列发展，从单极化到多极化，分辨率也已达到国际先进水平，并已完成几代实时成像处理器的研究和实际应用，实现了我国雷达图像从二维到三维的跨越，现正在积极开展星载合成孔径雷达方面的研究和应用。现代合成孔径雷达的处理器包括移动补偿、内插计算、数据格式化、傅里叶变换、自动对焦，误差修止等功能，可以得到清晰的图像。广泛用于目标提取、图像识别、图像探索、自动目标识别等领域。四、全球卫星导航定位系统无线电导航系统用以帮助舰船和空中飞行器确定它们的位置，目前已扩展到包括陆地上及外层空间中一切需要定位的物体（如车辆、导弹和个体单兵等）。目前世界上有几个卫星导航系统。（1） GPSlr球卫星导航系统该系统是由美国国防部开发并于1994年3月完成的星基全球无线电导航系统。它是由绕地球的6个圆形轨道上的24颗卫星所组成（包括备用星）。其主要任务是为全球范围内的飞机、舰船、地面部队、车辆、近地空间飞行的导弹和低轨道航天器等提供全天候、连续和实时的高精度的七维信息（三维位置、三维速度和时间），还可用于大地测量和高精度卫星授时等。该系统工作时，每颗卫星发射两种伪随机扩频信号（P码为军码，C/A码为民码），使用载体搜索并有选择地跟踪四颗卫星的信号，以码分形式区分四颗卫星的信号，从中提取星历，测量信号到达时间，经迭代定位计算就可获得使用者自身所在位置及精确的时间，从中提取多普勒频移量，就能得到使用者载体的三维速度。该系统供民用用户使用的标准定位服务精度为10Om,军用定位精度为10m。为了加强其在导航市场的竞争力,美国政府于2000年5月1日撤销对GPS的SA干扰技术，使军民的定位精度一样都是10m。但是，GPS系统本质上是美国的军用系统，在作战时，美国随时可以恢复SA干扰，甚至可随时切断向某些国家、地区发送的信号，使这些国家、地区的飞机、舰船等陷于“瘫痪”。（2） 2）Glonass全球导航卫星系统这是前苏联于20世纪80年代开始建造的与美国GPS系统相似的卫星定位系统。这一系统目前在轨卫星不能独立组网，只能与GPSK合使用。（3） CNSSJ匕斗卫星导航系统2013年12月27日上午10时，国务院新闻办公室组织召开北斗卫星导航系统首次新闻发布会。北斗卫星导航系统新闻发言人、中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其宣布，从今天开始，向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。到明年底，北斗系统基本建成后将提供正式运行服务，届时覆盖区内定位精度达到10米。北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。目前北斗卫星导航系统已经发射了10颗卫星，建成了基本系统。系统保留北斗卫星导航试验系统有源定位和短报文通信服务。2012年，按照北斗系统组网发射计划，再发射6颗组网卫星，进一步扩大系统服务区域和提高服务性能，形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。2020年左右，北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。北斗卫星导航系统将提供高质量的卫星导航服务，包括开放和授权两种服务类型。开放服务将面向大众用户免费提供高可靠性的定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒；授权服务面向专业用户提供更高精度的定位、测速、授时、短报文通信、差分服务以及系统完好性信息服务。五、微波加热与应用传统的加热方式（为烧、烤、烘等），物料的受热一般是通过热传导或热辐射的方式由表及里进行的，被加热的物体可以是介质也可以是导体。但微波加热的对象是介质或半导体。介质存在极化现象，介质中的极性分子在外电场作用下，将受到一电力矩作用，分子将旋转到与外电场方向一致的位置。当外电场交替变化时，极化方向也将交替变化。在微波场作用下，因为频率很高，极化方向的改变来不及跟上频率的改变，而是在原位上不停地摆动。由于分子热运动和相邻分子间的相互作用，摆动受到干扰和制约，这就产生了类似摩擦的效应，其结果使分子储存的一部分能量变成分子碰撞而产生的热能释放出来，这就产生了介质损耗，即微波能量使物料温度升高的机理。把物料放在微波场中，物料所吸收的微波功率为?=1?口？2?=？?？2?,2?*?I2?I式中，？?的物料的电导率；？?为物料的复介电常数？却勺虚部；E为物料中的电场强度；V为物料的体积。微波加热具有以下特点：加热速度快，不需传热的过程，可以内外同时受热，加热均匀，热效率高，没有热惯性，便于工业上应用及提高质量，特别适用于自动控制系统、清洁卫生和无工业污染等。目前微波加热主要集中在食品、橡胶、造纸、纺织、农产品加工和化学工业等方面。在生产大规模集成电路中，可用微波产生等离子体，还可用于化学气相沉积和用以制造高纯度光纤。用微波来烘干谷物、处理种子和消灭害虫是微波在农业方面的重要应用。对各种种子进行适当剂量照射可以提高发芽率。微波处理的蚕卵能提高产茧量和茧层率。应用微波对人体进行适当剂量照射，可以改善人体的新陈代谢。微波已广泛用于神经病、慢性风湿症、神经炎、蜂窝组织炎、下肢溃疡、便秘、前列腺肥大、高血压、挫伤、腰痛、疗痈、皮炎、脓肿及冻伤等疾病的治疗。外科中出现了微波手术刀，用微波波束可粉碎肾结石。另外，目前已研制出许多较为先进的微波诊断仪器。例如，人体病变部位与其周围会产生温差，利用微波辐射计可以测量出这种温差来，由此进行诊断。目前已有工作频率为0.645GHz等波段的各种规格，其分辨率可达0.1C的通常称为微波CT断层扫描仪。还有核磁共振成像技术（NMR）,在更精确的诊断方面更优于X射线CT0六、微波在科学研究中的应用微波技术本身具有强大的生命力，一旦它与其它一些学科相结合，就会迸发夺目的光芒。人们往往利用微波作为科学研究的手段，例如微波与气象学的结合就形成了微波气象学。利用微波来观测天体，从而形成了射电天文学，20世纪60年代天文学的四大发现类星体、中子星、2.7K背景辐射和星际分子等无不是以微波技术为手段而获得的。利用电子能级跃迁时就释放（或吸收）能量的频率为微波频率，因此可以由此用来研究物质的精细结构，这就形成了微波波谱学。在第13届国际计量大会上通过决议，从1972年1月1日起把时间单位“秒”由过去的“天文秒”改为“原子秒”。即定义“秒”是绝一133原子基态的两个超精细能级之间跃迁频率所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间，这根谱线就落在微波频段上。此外，在等离子体参量测定、电子直线加速器、精细的频谱分析、基本物理常数的测定等都要用到微波技术。七、微波技术的新热点（1）微波能源太空中的太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。如何将之取回地球供人类应用呢？有人设想在太空中先把太阳能转变为微波能，然后以微波的电磁波形式传回地球，在地球上再把所接收的微波能转变为所需形式的能源。2000年美国科学家利用微波能将一小型飞行器成功地送入太空。这说明上述的设想是有可能实现的。（2）微波新概念武器试验表明，当使用0.011W/cm2的功率密度的微波波束照射目标时，能干扰相应频段上工作的雷达、通信设备和导航系统，使之无法正常工作，但不会使电子设备永久失灵。如使用1010OW/cm2的强微波束照射目标时，可在金属表面产生强的感应电流，此电流通过天线、导线、金属开口或缝隙而进入飞机、导弹及通信设备等系统中。较大的感应电流会使电路功能产生紊乱，出现误码，抹掉计算机存储或记忆的信息，造成软杀伤。很强的感应电流会烧毁电路中的元器件，造成硬摧毁以及人员伤亡。利用高能微波的杀伤机理制成的武器称为微波武器，或称为高功率微波定向能武器（HPW其概念有别于传统的枪炮，所以称之为新概念武器。这种武器分为单脉冲式微波炸弹和多脉冲重复式发射装置两种类型。前者有一个爆炸激励磁通压缩发生器，当炸药爆炸而迅速地压缩磁场，从而产生电磁脉冲。在密封装置中，它能在百万分之一秒内产生数千万焦耳的电能，其峰值功率达数十太瓦（1012）级，一个大型发生器产生的电能比一次典型的雷击大101000倍（但通常制造一个二级磁通压缩发生器的成本却不高）。使用时将其投放在目标周围引爆，利用其瞬间释放的强大的人造“闪电”对目标进行硬摧毁或软杀伤。它可用于电子战和战略轰炸，也可用于防空。例如使用功率密度为103105W/cm2的强微波束照射时，能在瞬间引爆炸弹、导弹、核弹等。自1973年第一台高功率微波源问世后，经过几十年的发展，高功率微波技术已逐渐走向成熟，微波功率从最初的400MW发展到目前的20GW以上，频率从1GHzS展到140GHz以上。美军已在利比亚等战场上使用了高功率微波武器，取得了预期的效果，微波新概念武器必将在未来的战场上得到大量使用。1.5微波工程基础常识（1）分贝的概念通常情况下，微波电路用波的概念来描述能量的传递，用功率而不用电压或电流。为便于测量和运算，普遍使用分贝。表1.5-1给出分贝相关的常见物理量及其用途。表1.5-1分贝相关的常见物理量单位物理量定义用途说明dB比值，描述衰减或增益10?网=20?有源、无源器件的指标dBm比值，功率单位10?(?)系统中各节点的输出功率dBc比值，功率的相对大小10?=?(?)?）振荡器的谐（杂）波抑制dBc/Hz比值，功率的相对大小10?-10?振荡器的相位噪声（2）常用微波接头各种电路模块需要用接插件连接起来，这种连接可以是硬连接，也可通过电缆软连接，电缆又分为柔性电缆、软电缆和半刚性电缆。工程中的具体选择由总体结构和成本与性能等因素决定。表1.5-2给出常用接头的性能。这些接头都是阴一阳配对使用。旋接时一手捏紧阴头端，另一手旋转阳头端螺套，使接头插针沿轴向拔出或插入，不应旋转阴头端，以免损伤插针和插孔。接头另一端焊接微波电路或与合适的电缆相接。表1.5-2常用微波接头接头型号频率范围阻抗/VSWR插损V7dB说明BNC(Q9)DC3GHz75/50/300频率低、中功率、低价TNCDC15GHz75/501.070.05频率低、低价N-TYPE(1.16)DC18GHz75/501.060.05尺寸大、结构稳定SMA(3.5mm)DC18GHz501.020.03小型化、现代常用APC-7(7mm)DC18GHz501.040.03尺寸大、质量高KDC40GHz501.040.03局频、局价、局质里1.6微波电路的设计软件自20世纪70年代以来，微波电路CAD技术已经取得了很大的进步，CAD软件厂商推出了很多通用和专用的微波电路CAD软件，包括原理图和微波电路的图形输入、电路的仿真和优化、容差分析、版图生成及输出、与测试仪器接口等功能，并有许许多多的电路模型库、元件库、半导体器件的线性模型库和非线性模型库等可供选择，应该可以说是功能强大、使用方便。微波电路CAD软件也已被广泛应用于各种微波电路的设计，并成为微波工程师必须掌握的设计工具。表1.6-1列举了几款常用的微波电路CAD软件。与其他电子EDA技术相比，微波电路CAD软件具有以下几个特点：(a)必须有精确的传输线模型和各种器件模型。(b)有时必须采用电磁场仿真等数值仿真工具。(c)具有S参数分析的功能。微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下：(a)根据技术性能指标的要求，选择半导休器件；对于不需要半导体器件的微波无源电路，根据技术性能指标的要求，选择网络拓扑结构。(b)根据所选器件的具体参数，设计匹配电路的拓扑结构。(c)确定(或计算)电路中各个元件的初始值。(d)根据技术性能指标的要求，设置优化目标(或参数)；选择优化方法，并进行优化。(e)进行版图的设计并输出版图。进行性能指标的复核，进行版图的检查，并提出结构设计的要求。然而，CAD技术不是没有限制的，微波电路在计算机仿真的模型只是实际电路的近似处理，不能完全考虑到元件值和加工容差、表面粗糙度等带来的影响。表1.6-1主要的微波电路CAM件序号名称功能J商1ADS综合软件包。RFIC设汁软件、RF电路板设计软件、DSP专业设计软件、通信系统设计软件以及微波电路设计软件。Agilen2HFSS3D电磁场仿真。米用有限兀法的任维结构全波电磁场仿真工具，得到电磁场分布和S参数、辐射特性等。主要用于微波无源电路、天馈系统设计，电磁兼容。电磁干扰分析，目标特性分析，天线特性等。Ansoft3Designer高频/高速系统通用仿真设计平台、集成化仿真设计平台。内嵌采用矩量法的三维多层平面电磁场仿真工具。Ansoft4Feko从严格的电磁场积分方程出发，以经典的矩量法为基础。用于天线设计、天线布局与电磁兼容性分析。EMSS5MWStudio3D电磁场仿真，时域解算器、预域解算器和本征模解算器。移动通信、无线设计、信号完整性和电磁兼容（EMC）等。CST6MWOffice线性/非线性电路。对于集总元件构成的电路，用电路的方法来处理较为简便。对于微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效。AWR思考题与习题1.1 什么是微波？1.2 微波有哪些特点？1.3 微波有哪些主要应用？1.4 若目标速度为800km/h,分别采用3GHz10GHz和35GHz中心频率的雷达测量其速度，其目标的多普勒频率分别为多少？1.5 在图1.4-5和图1.4-6中哪些模块属于微波模块？1.6 你学习本门课程的期望是什么？