微波基础与微波器件

微波基础
其他应用：
军事应用：目标检 测、监 视、目标确 认、绘图等
环境应用：沙子潮湿的测量、 海洋表面的风速、洪水绘图、 大气层温度的轮廓、雪层/冰 层的测绘等
天文学应用：行星绘图、银河 星系射电噪声目标的测绘、太 阳辐射测绘、宇宙黑体辐射的 测量
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适用范围及发展：
微波的发展还表现在应用范围的扩大。微波的最重要应用是雷达和通 信。雷达不仅用于国防，同时也用于导航、气象测量、大地测量、工业检 测和交通管理等面。通信应用主要是现代的卫星通信和常规的中继通信。 射电望远镜、微波加速器等对于物理学、天文学等的研究具有重要意义。 毫米波微波技术对控制热核反应的等离子体测量提供了有效的方法。微波 遥感已成为研究天体、气象和大地测量、资源勘探等的重要手段。微波在 工业生产、农业科学等方面的研究，以及微波在生物学、医学等方面的研 究和发展已越来越受到重视。
微波与光波段比较 光通过雨雾衰减很大，特别是
微波与超短波wk.baidu.com短波相比较
雾天兰光、紫光几乎看不见，这
大大扩展了通讯通道，开辟
正是采用红光作警戒的原因。而
了微波通讯和卫星通讯
微波波段穿透力强。
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微波的传输过程
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微波与射频的区别： 微波与射频的区别：
射频（RF）是Radio Frequency的缩写。是普通无线技术里常用来发射的 电磁波频率。 从传统定义上，“射频” freq＝[300KHz，30GHz]，再往上面就是微波 的范畴了。 因此对于“射频”，多见的是“路”概念， 到了微波范畴，分布参数 随着频率越高，“场”的概念就变强了！
常见微波传输线及微波器件
微波器件涵盖范围很广，包含领域比较 多，以下简要介绍一下微波传输系统中常 用的传输线以及器件。 微波传输线是微波通信和微波设备中传 输信号和能量的通道。微波器件在微波传 输系统中起着改变信号电平，改变信号传 输模式，隔离，分配等作用。
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矩形波导
矩形波导是横截面为矩形的空 心金属管，如图所示。图中a和b分 别为矩形波导的宽壁和窄壁尺寸， 它们决定了波导传输的带宽。由于 矩形波导不仅具有结构简单、机械 强度大的优点，而且由于它是封闭 结构，可以避免外界干扰和辐射损 耗；因为它无内导体，所以导体损 耗低，而功率容量大。在目前大中 功率的微波系统中常采用矩形波导 作为传输线和构成微波元器件。
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负载：波导负载是波导测量系统中 和波导馈线系统中不可或缺的终端 器件。 波导负载吸收体采用体状吸收材料， 改变了片状负载易振、易损的缺点， 并大大提高了匹配和吸收性能。
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同轴射频电缆组件 射频同轴连接器装接一定的相配射频电缆组成。射频同轴电缆组件是一根 完整的传输线，同一型号的电缆可以装接不同类型的连接器以满足不同需求。 同轴射频电缆组件主要用于微波传输系统中的射频连接。 和旭微波目前主营业务是较高端的低损耗射频电缆及高稳相射频电缆组件。 该型射频电缆组件具有低插入损耗以及很高的机械相位稳定性和温度相位稳定性。 特别适合使用在雷达和天线的馈线系统中。
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耦合器：从主干通道中提取出部分 信号的器件。按耦合度大小分为5、 10、15、20…. dB不同规格；从基 站提取信号可用大功率耦合器 （300W），其耦合度可从 30~65dB中选用；同轴耦合器的接 头多采用N头。 其他耦合器还有波导耦合器，微带 耦合器等。
定向耦合器
5dB耦合器 5dB耦合器 6dB耦合器 6dB耦合器 7dB耦合器 7dB耦合器 10dB耦合器 10dB耦合器 15dB耦合器 15dB耦合器 20dB耦合器 20dB耦合器 30dB耦合器 30dB耦合器
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插入损耗：系统因定向耦合器的加入而使主线通道增加的损耗。因 插入损耗 为耦合信号越大、直通信号越小，所以不同耦合度定向耦合器的插 入损耗也不同。 耦合平坦度 耦合平坦度：在工作频带内耦合端输出信号电平的起伏大小。输出 平坦度 越平坦性能越好。 电压驻波比（ 电压驻波比（VSWR）：评价输入信号到耦合器各端口时被反射 ） 回来的大小，一般要求小于1.2。 功率容量 功率容量：能承受的最大输入功率，通常为50W－100W。 容量
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圆波导：
圆波导是横截面为圆形的空心金属管，如图所示，其尺寸半径为R。
由于圆波导具有损耗较小和双 极化的特性，所以常用作天线 馈线和微波谐振腔，也可作较 远距离的传输线。 圆波导具有轴对称性，故宜采 用圆柱坐标来分析。
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同轴线：是一种双导体传输线，
如图所示。同轴线按结构可分为两种： 硬同轴线和同轴电缆。硬同轴线内外 导体之间媒质通常为空气，内导体用 高频介质垫圈支撑。同轴电缆的内外 导体之间填充高频介质，内导体由单 根或多根导线组成，外导体由铜线编 织而成，外面再包一层软塑料等介质。
微波基础与微波器件
上 海 和 旭 微 波 科 技 有 限 公 司
Shanghai Hexu Microwave Technology Co.,Ltd
研 发 部
R&D Department
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微波的概念：
微波的频率在300MHz-300GHz之间，波长在1米（不含1米）到1毫米之间， 是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电 波频率高，通常也称为“超高频”。
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传输介质与性质：
1.金属材料不吸收微波，只能反射微波。如铜、铁、铝等。用金属(不锈钢板)作 微波炉的炉膛，来回反射作用在加热物质上。不能用金属容器放入微波炉中， 反射的微波对磁控管有损害。 2.绝缘体可以透过微波，它几乎不吸收微波的能量。如玻璃、陶瓷、塑料(聚乙 烯、聚苯乙烯)、聚四氟乙烯、石英、纸张等，它们对微波是透明的，微波可以 穿透它们向前传播。这些物质都不会吸收微波的能量，或吸收微波极少。物质 吸收微波的强弱实质上与该物质的复介电常数有关，即损耗因子越大，吸收微 波的能力越强。家用微波炉容器大都是塑料制品。微波密闭消解溶样罐用的材 料是聚四氟乙烯、工程塑料等。 3.极性分子的物质会吸收微波(属损耗因子大的物质)，如：水、酸等。它们的分 子具有永久偶极矩(即分子的正负电荷的中心不重合)。极性分子在微波场中随 着微波的频率而快速变换取向，来回转动，使分子间相互碰撞摩擦，吸收了微 波的能量而使温度升高。我们吃的食物，其中都含有水份，水是强极性分子， 因此能在微波炉中加热。
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带状线： 带状线 结构如图所示，带状线属
双导体类传输线，传输的主模是TEM 模。 对于带状线的分析可以用传输线理 论来分析。表征带状线的主要特性参 量有传播常数、相速、相波长和特性 阻抗。
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微带线： 微带线 微带线是一种重要的微波
传输线，其结构如下图所示。它是由 介质基片上的导带和基片下面的接地 板构成。微带线容易实现微带电路的 小型化和集成化，所以微带线在微波 集成电路中获得了广泛的应用。
耦合比例
1/3 1/4 1/5 1/10 1/32 1/100 1/1000
耦合度
-5dB -6dB -7dB -10dB -15dB -20dB -30dB
直通损耗
-1.65dB -1.25dB -0.97dB -0.46dB -0.14dB -0.044dB -0.0043dB
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工作频带：满足指标要求的工作频率范围。 工作频带 耦合度：耦合端输出信号与输入信号功率的比值，是衡量耦合大 耦合度 小及区分耦合器规格的参数，可按照需要提出不同的耦合度指标， 通常以分贝（dB）表示。
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dBW(分贝瓦)：P1取1W N(dBW)=10log10(P2/1W)
定义
dBm(分贝毫瓦)： P1取1mW=10-3 W， 定义 N(dBm)=10log10(P2/1mW) dBmW(分贝微瓦)： P1取1µW=10-6 W，定义 N(dBmW)=10log10(P2/1µW)
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微波技术的发展和应用：
一、发展方向：
发展方向
工作频段向 高频段发展
小型化 宽带化
自动化 智能化
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微波技术的发展和应用：
二、技术应用：
微波应用
雷达 通信 科学研究 生物医学 微波能
微波基础
微波技术的发展和应用：
由于微波频带宽，信息 容量大，因此微波可用 于多路通信。在有线通 方面，利用同轴电缆可 以同时传送机千路和几 路电视信号；在无限通 信方面，利用微波的中 继接力传送电视信号， 利用微波能穿透电离层 的特性，可进行卫星通 信和宇航通信，利用外 层空间三颗互成120° 角的同步卫星，就能实 现全球通信和电视实况 转播。
C（dB）＝10log(P4/P1)
其中：P4为耦合输出功率，P1为输入信号功率。
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隔离度：隔离度定义为输入信号功率P1与隔离端输出功率P3之比的分贝 隔离度 数。
I（dB)=10log（P1/P3)
方向性：方向性定义为耦合输出功率P4与隔离端输出功率P3之比的分贝 方向性 数。
D（dB)=10log（P4/P3)
能穿透生物体，为微波生物医学打下基础
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非电离性
量子能量不够大，不能改变分子内部结构， 分子、原子和原子核呈现出谐振现象。
可以探索物质内部结构
可以研制适用于微波波段的器件
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热效应
微波电磁能量传送到有耗物体内部，会使物 体分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热
可以进行微波加热，用于粮食、茶叶、卷烟、木 材、皮革等各种行业 热效率高、热透深度大（约4cm）、加热均 匀（里外一起热）、加热迅速
二、插入损耗(Insertion Loss)： 插损：在传输系统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率 的损耗，它表示为该元件或器件插入前负载上所接收到的功率与插 入后同一负载上所接收到的功率以分贝为单位的比值。
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三、驻波比- Voltage Standing Wave Ratio （回波损耗）： 驻波比就是一个数值，用来表示天线和电波发射台是否匹配。如果 驻波比 SWR 的值等于1， 则表示发射传输给天线的电波没有任何反射，全 部发射出去，这是最理想的情况。如果SWR 值大于1， 则表示有一 部分电波被反射回来，最终变成热量，使得馈线升温。被反射的电 波在发射台输出口也可产生相当高的电压，有可能损坏发射台。
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微波的特性： 微波的特性：
性
微 波
特性 微波波
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似光性——微波与频率较低的无线电波相比，更能像光线一样地传播和集中。
自由空间中以光速沿直线传播 在不同媒质的分界面上要发生反射和折射 如果分界面的线性尺寸不比波长大很多，会 出现干涉和衍射现象 遵守波动基本规律 微波波长和一般物体的线性尺寸相当，可 以采用成熟的几何光学方法来设计各种微 波仪器和设备，比如用透镜或反射面来设 计微波天线 设计器件体积小，波束方向性强
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常用专业术语：
一、微波常用单位：dB（分贝）
1.dB（分贝）：描述功率传输增益或插损或相对功率电平。若有功率P1(输入)和P2(输出) 定义: N(dB)=10log10(P2/P1) 若N为正，则称P2大于P1NdB 若N为负，则称P2小于P1NDb dB（分贝）：描述电压传输增益或插损或相对电平。若有电压V1(输入)和V2(输出) 定义： GV(dB)=20log10(V2/V1)
微波基础
频率高
振荡频率3亿次以上，周期短，10-9~10-12 s
低频电子器件的渡越时间10-8~10-9s
需要考虑完全新颖的微波电子器件
可用频带很宽，在大容量通信场合得到广泛应用， 如卫星通信、多路通信。具有通信容量高、抗干 扰能力强的特性
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穿透性
在特定波长穿透电离层，可以卫星通信、宇 宙通信、遥感、定位 穿透云、雾、雨、植被、积雪，并对微波有不同 程度的吸收与反射，可以利用厘米波或这毫米波 雷达来观测它们的存在和流动。气象预报 穿透地表，作为探地雷达
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滤波器(filter)：
滤波器是允许某一部分频率的信号顺利通过，而另一部分频率的信号则受 到较大的抑制，实质上是一个选频电路。
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衰减器：(attenuator) 在相当宽的频段范围内一种相移为零、其 衰减和特性阻抗均为与频率无关的常数的、由电阻元件组成的 四端网络，其主要用途是调整电路中信号大小、改善阻抗匹配。 微波衰减器按照接口形式可分为同轴衰减器，微带衰减器和波 导衰减器。按照衰减量的型式又可分为衰减值固定的固定衰减 器以及衰减量范围可调的可调衰减器。