微波技术基础——绪论

7.1 天线的系统特征；7.2 无线传输系统；7.3 雷达系统与导航；7.4 微波技术的其他应用。
0.1 电磁波谱及微波
大致可以把 300MHz-3000GHz (对应空气中波长 λ =1m ∼ 0.1mm )这一频段的电磁波称之为微 波，毫米波是微波中的一部分，它介于 10 ∼ 0.03mm 之间。微波介于超短波和红外光波之间。
图 1.1 微波在电磁波频谱中的位置 电磁波波长与频率之间的关系为
f λ = c = 3 ×108 m / s
其中频率 f 以赫兹（Hertz）为单位，波长 λ 以米为单位， c 是光速。这个关系是在真空（自由 空间）成立的，在介质中，波长 λ 将缩短。除非本书中其它地方特别说明，都假定频率和波长之间 的关系是在自由空间中的。我们通常根据电磁波的特性把它划分为不同的频段。
察到了驻波并证实与实验设备尺寸有关。 1933 年 Southworth 和他的同事们在 AT&T 通过 6m 长的波 导发射并接收到了电报信号。 其后，在微波技术领域的另一个重要进展是在 1937 年研制出了产生连续微波的源，称为速调 管（Klystron） 。这种微波真空管是由 Sperry Gyroscop Company 资助，在 Stanford 由 Russell，Sigurd Varian 和 William Hansen 发明的。 它们的目的是希望研制出用于飞机在恶劣天气情况下的着陆设备。 同时，一些公司（如 AT&T，ITT，Marconi）则资助用于通信系统的微波研究。 由于这些在二战前的研究，无线电探测与定位－雷达（radar）激励人们对微波研究迅速增加。 大多数现在使用的微波器件都是在二战期间在英国、 美国和战争实验室里研制的。 关于这段时间微 波技术的发展历史，在由 MIT Radiation Laboratory 成员所撰写的 28 卷文件中有详细的叙述。
——微波技术基础的先修课程包括：
高等数学、线性代数、复变函数、矢量分析、电子线路、电磁场与电磁波等。
——微波技术基础课程内容包括：
第 0 章绪论 0.1 电磁波谱及微波；0.2 微波的特点及其应用；0.3 微波技术的发展；0.4 微波技术的研究方 法和基本内容 第 1 章传输线理论 1.1 引言；1.2 传输线波动方程及其解；1.3 均匀无耗传输线的特性参量；1.4 均匀无耗传输线 的工作状态；1.5 阻抗圆图和导纳圆图；1.6 阻抗匹配。 第 2 章规则波导 2.1 规则波导传输的一般理论；2.2 矩形波导；2.3 圆形波导；2.4 同轴线及其高次模；2.5 特殊 波导简介。 第 3 章平面传输线
0.3 微波的基本特性
我们先来观查麦克斯韦方程组所蕴的物理意义， Maxwell 方程组中独立方程主要表现为前面二 个，即
⎧ ∂D ∇× H = +J ⎪ ⎪ ∂t ⎨ ⎪∇ × E = − ∂ B ⎪ ∂t ⎩
这两个方程左边物理量为磁场强度(或电场强度)，而右边物理量则为电场强度(或磁场强度)。 这中间的等号深刻揭示了电场强度与磁场强度的相互转化，相互依赖，相互对立，共存于统一的电 磁波中。正是由于电场强度不断转换为磁场强度，而磁场强度又不断转成为电场强度，才会发生能 量交换和贮存。
电场与磁场在传播过程中的相互转化ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
值得指出：人类对于电磁的相互转化在认识上走了很多弯路。其中 Faraday 起到关键的作用。 Oersted 首先发现电可转化为磁(即线圈等效为磁铁)，但是磁向电转化的研究却遇到了挫折。而 Faraday 坚信磁也可以转化为电。经过无数次失败，Faraday 终于在 10 年后利用耦合线圈成功的进 行了磁向电转化的实验。 这一实验不仅证实了电磁转换，而且知道了只有变化的磁磁场才能转换为电。
3.1 带状线；3.2 微带线；3.3 介质波导；3.4 其他平面传输线；3.5 平面传输线的激励与耦合 第 4 章微波谐振腔 4.1 引言；4.2 谐振腔的主要特性参数；4.3 矩形谐振腔；4.4 圆形谐振腔；4.5 同轴线谐振腔； 4.6 环形谐振腔；4.7 微带线谐振腔；4.8 介质谐振腔；4.9 谐振腔的等效电路；4.10 谐振腔的耦合与 激励。 第 5 章微波网络 5.1 引言；5.2 微波网络的各种参量矩阵；5.3 二端口网络各种参量矩阵的关系；5.4 多端口网 络；5.5 常用微波网络特性；5.6 基本电路单元的网络参量；5.7 二端口网络的连接；5.8 微波网络的 外部特性参量 第 6 章基本微波无源元件 6.1 终端负载；6.2 电抗元件；6.3 分支元件；6.4 定向耦合器；6.5 滤波器；6.6 隔离器；6.7 衰 减器；6.8 移相器；6.9 阻抗变换器。 第 7 章微波系统及微波技术应用简介
微波技术基础
（21 世纪高等学校电子信息工程规划教材， 《微波技术基础》杨雪霞 编著，清华大学出版社，2009）
微波技术在现代电子信息技术中有着不可替代的地位， 它已经深入到国民经济、 国防建设和人 们生活的各个领域。 从科学技术发展的历史来看， 现代电子信息技术的每一个重要进展都离不开电 磁场与微波技术理论的深入和技术的突破。 随着信息时代的到来，微波与射频(Radio Frequency，RF)技术已渗透到人类生活、工业、科研、 军事的各个领域。如蜂窝电话、个人通信系统、无线局域网、车载防撞雷达、广播和电视直播卫星、 全球定位系统（Global Position System，GPS） 、射频识别（RF Identification，RFID） 、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）无线通信、雷达系统，以及微波遥感系统等。射频与微波方面的专业技术 人员成为当前社会上的紧缺人才。 《微波技术基础》 是工科电子类电子与信息工程专业的专业基础课。 本课程的任务是使学生学 会微波理论和技术的基础概念、基本理论和基本分析方法，培养学生分析问题和解决问题的能力， 为今后从事微波研究和工程设计工作以及电磁场与微波技术研究生专业学习打下良好的基础。
无线电频段的划分 频段 甚低频 低 中 高 频 频 频 VLF—Very Low Frequency LF—Low Frequency MF—Medium Frequency HF—High Frequency VHF—ery High Frequency UHF—Ultra High Frequency SHF—Super High Frequency EHF—Extreme High Frequency SEHF—Super Extreme High 超极高频 Frequency 300GHz-3THz 0.1-1mm 频率 10KHz-30KHz 30KHz-300KHz 300KHz-3MHz 3MHz-30MHz 30MHz-300MHz 300MHz-3GHz 3GHz-30GHz 30-300GHz 波长 10-100Km 1-10Km 100m-1Km 10-100m 1-10m 10cm-1m 1cm-10cm 1mm-1cm
3GHz ~ 30GHz ，也就是说，它是调幅无线电波调频波电视信号的
50 倍。考虑到现代微波源和系统都
是宽带调制的，因而高质量调制性能和大的数据量成为可能。
0.4 微波技术的应用
微波技术最重要的应用是通信和雷达。在通信应用中，最大的市场是电话和电视系统、无线数 据传输系统、卫星通信和卫星广播系统、专用数据传输系统等。现代信息产业已成为新世纪的主要 支柱产业之一，微波技术的发展在其中起着至关重要的作用。 雷达在微波技术的发展中占有十分重要的地位， 因为只有在这一频率范围才能在有可能的天线 尺寸下获得所需的精度。 另一个近年来发展的微波技术是电子战系统，正如其所称的那样，它是军事应用。它涉及特殊 的宽带接收机和大功率干扰发射机。接收机用于了解敌方通信，主要收集信息。干扰发射机用于扰 乱（干扰）敌方接收到的信号以使其丧失功能。 近年来，微波技术在民用获得了广泛的应用，如微波炉、微波医疗、微波诊断设备（核磁共振、 断层扫描、脑电图） 、汽车防撞系统、交通管理系统等。 微波还在基础研究和科学应用中的很多用途。 电子钟使用分子对微波响应的电子跃迁产生极为 稳定的振荡频率。如氮元子的精细结构可产生 1420MHz 的微波。还有微波质谱仪用于研究各种分 子的晶体的结构。
波在时空中的传播
微波优于其它电磁波波谱的原因在于它的短波长相干辐射和宽的可用频谱。 短波长相干导致高 定向性和人辨力。在长波情况下，要实现相同的定向性和分辨力需要非常大尺寸的天线。这里，分 辨力定义为天线区分两个不同反射物体的能力。 相反， 红外波谱在可能获得更高的定向性的分辨力。 但很多红外光源在是单色的（发射单一相干频率） ，且红外频谱除了少数窄的“窗口”或小衰减区 域外，在大气中传播时会受到严重的衰减。因此，对一些应用领域，微波能实现超过其它频谱的最 好的系统性能。它具有高定向性，高分辨力，和低大气衰减的特点。 另一个微波的主要优点是宽的可用通信频谱范围。例如，频率范围 10cm 到 1cm 间的载波为
0.2 微波技术的早期研究
微波技术的发展历史，是以电磁波的发现开始的。有关电磁波的概念最早是法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）在 1846 年在伦敦皇家协会的一次讲座上提出的，他的题目是： 《有关射线振动 的思考》 他在演讲中包含了磁场通过横向振动传播的思想。 。 后来， 麦克斯韦 （James Clerk Maxwell, 1831-1879）完善了这一思想。麦克斯韦基本上是一个理论家，他将法拉弟在实验中得到的思想变 为数学关第，结果得到了用以描述电磁基本定律的四个关系式，我们现在称之为了 Maxwell 方程 组。现在，这一方程组与牛顿力学三定律，量子理论和相对论一起构成了现代人类对物理世界认识 的基础。Maxwell 方程组是非常基本的方程，它不象牛顿定律在粒子速度接近光速时那样需要进行 修正。 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）在 1886 到 1888 年间的实验证实了麦克斯韦的预见。 赫兹有在约 10cm 波长的振荡电火使分离的导体环产生了相同的振荡。这是最早的类似微波实验。 最早在微波频谱范围进行实验研究的是由马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937）在 20 世纪进行 的。马可尼建造了抛物面天线（parabolic antenna） ，使用 550MHz 的电磁享演示无线电报通讯。人们 把马可尼看做第一个“微波工程师” ，这是因为这些划世纪的实验展示了更高频率的应用。 在关波导的深入研究是由 George C. Southworth 在 1930 年间完成的。 在早期的实验中， 他还观