微波历史

•辐射实验室干1941年正式成立，到1945年共有3800人（其中1800 人是科技人员）。到1991年6月MIT举行该所成立50周年纪念活动 时．仍活在世上的只有300人。在这支队伍中，有8人曾荣获诺贝 尔奖，例如I．I．Rabi（在1944年），N。Ramsay（在1989年） 等。中国学者鲍家善教授应邀参加了50周年纪念活动，他是1943 年加入辐射实验室的。 •雷达的原意是Radio Detection and Ranging（无线电侦察与测距）， 开始时不是采用微波。第二次世界大战初期，英国的海岸雷达站 使用波长为12m，许多站联合组成低空搜索网。这种系统有两大 缺点，首先是误差大，它曾把入侵德机的数目多报了三倍；其次 是天线尺寸太大，雷达站易受攻击。 •1939年秋，纳粹德国装备一种雷达，波长为2.4m，可担任搜索海、 空目标的任务。1940年夏，德国人给部队装备了分米波雷达 （0.53m），其电波集束性好，可以指挥高炮射击，曾击落过在 云层之上飞行的英机。此外，还可以引导夜航战斗机。英国于 1942年才开始生产厘米波机载雷达，地面情形可清晰地显示在飞 机机舱中的荧光屏上。
•磁控管（Magnetron）的发明和发展具有更大意义。1921年， A W．Hull在（（Phys．Rev．》杂志上最早对此作了探讨。 1924年，在德国和捷克也有入作了些研究。1936年6月，我国 学者曾昭抡教授率北京大学参观团访日，曾去大版帝国大学 理学部参观，看到了日本Cobe教授研制的磁控管，能产生的 最短波长是6cm。
•1940年7月，英国伯明翰大学（University ofBermingham）的 J．T．Randall和A．H．Boot发明了多腔磁控管（multi－ cavity magnetron），迅即送往美国BTL作全面测试，证明正 是磁控管打开了通往“厘米波、大功率”的道路。
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•1940年初夏，Samuel Bush写信给罗斯福（F．D．Roosevelt）总 统，建议成立专门机构研制战争中急需的雷达（RADAR）。6月 3日，总统在白宫接见他，只谈了15分钟就确定下来。国防研究 委员会（NationalDefenceResearchCommitte）的负责入就是麻省 理工学院（M．l．T．）的校长、诺贝尔奖获得者 K．P．Compton，他决定就在MIT成立辐射实验室（Radiation laboratory），全力进行雷达的研制。当时英国人达到的水平是， 在10cm波长上产生10kw的脉冲功率。辐射实验室后来能做到： 波长降到1cm，脉冲功率升为400kw。 •但是，要研制出雷达需要多方面的工作。在美国，除BTL负责 改进和生产磁控管以外，西屋（WestingHouse）公司负责设计脉 冲发生器，SPerry公司负责设计扫描天线，通用电气公司（GE） 负责设计接收机，等等。这样，40年代初就有厘米波脉冲雷达在 美国诞生。
3 雷达
•到1943年，在美国已投产的雷达有上百个型号，厘米波磁控管的生产数 以万计。雷达工业极大地促进了微波工业的发展。从二战以后到现在， 半个世纪的过程中雷达的应用已十分普遍，并产生了许多新技术。 •就雷达波段而言，UHF用于超远程警戒；L波段用于远程警戒、空中交 通管制；S波段用于中程警戒、机场交通管制、远程气象观测；C波段用 于远程跟踪、机载气象观测；X波段用于远程跟踪、导弹制导、测绘、机 载攻击；KU波段用干地形测绘、卫星测高度，等等。 •今天，雷达的新技术有：连续波雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、 合成孔径雷达、相控阵雷达、捷变频雷达等。例如，美国的空中预警指 挥机E—8A，1989年研制成功，全称为“联合监视与目标攻击雷达系统飞 机”，其上装有美国最新型的AN／APY—3雷达，是X波段合成孔径相控 阵雷达。又如，法国空军于1983年起开始装备的优秀战斗机“幻影 2000”．装有性能先进的RDI脉冲多普勒火控雷达。雷达当然不限于军用； 1994年美国将用航天飞机上先进的图像雷达研究地球表层。1994年7月国 内报道，在成渝高等级公路施工中，对于大断面隧道的施工成功地使用 了地质雷达探测技木。
•也是在1938年，美国斯坦福大学（University of Stanford）的 W．W．Hansen教授发表了关于谐振腔（当时叫Rumbatron） 的想法。并且，他指导Varian兄弟（R．Varian和S．Varian） 利用谐振腔对电子束进行速度调制，从而发明了双腔速调管 （Klystron），解决了在厘米波段产生小功率振荡的问题。
•1941年12月7日晨，位于夏威夷瓦胡岛北部山头上的防空警 戒雷达站中的两名士兵，于7时2分看到荧光屏上有一群亮 点；他们测量了距离——不到250km，方位是北偏东3度。7 时25分，距离缩短到100km。到7时39分，由于距离太近， 显示器上看不到日本飞机了。7时53分，日本指挥官从高空 轰炸机上用无线电发出了“虎、虎、虎”信号，表示突袭 成功。……美国人虽有了雷达，却因高级官员的糊涂麻痹 而遭受沉重打击。……第二次世界大战中，雷达的应用遍 及陆地、海上、空中，对微波工业是极大的刺激和推动。 仅就美国而言，到1945年微波与雷达工业的规模已超过了 战前的汽车工业。
2 卫星通信
•1945年，英国科幻作家Arthur C．Clarke提出，如把飞行器发射 到离地球赤道高36000km处的空中，它可同步于地球自转速度 运行，从地面看是固定不动的。通信卫星，实为高悬天上的微 波中继站，但其通信距离远，通信质量不受气候影响，覆盖面 积大，具有极大的优越性。 •1964年成立国际卫星通信组织（International Telecomrnunication Satellite Organization,即INTELSAT）。 •1965年发射了1号国际通信卫星，寿命仅1.5年。而1988年由美 国发射的VI号卫星的首颗，寿命可达14年。卫星通信，过去主 要用6／4 GHz（C波段），少数用14／11GHz（K波段）；而 1988年发射的卫星侧重30／20GHz（Ka波段）。另外，从 INTELSAT—V卫星开始，电波传送采用双圆极化频率复用 （frequency reuse）体制，使通信容量增加一倍。
微波科学技术的早期历史
微波科学技术的早期历史
•1885年，H．Hertz到德国Karlsruhe高等工业学校任物理学教 授．并从事电磁波方面的实验，以确定Maxwell理论的正确性。 1888年至1889年，Hertz在德文科学刊物（Annalen der Physik） 上发表了三篇文章，提到他产生并辐射出去的波长有：4.8m， 4～5m，2.8m,66cm，58cm等，即分布在米波和分米波段。另 外，他曾把2m长的锌板弯成抛物往面形状，把振子放在焦线 上，以此证明电磁波的直线进行性质和可聚焦性质；因此， Hertz发明了抛物反射面天线。 •上世纪末，物理学家们解决了未来微波的传输工具问题。 J．J．Thomson在其著作中预言了圆波导（1893年），难能可 贵的是他给出了有限导电壁波导的初步理论。LordRayleigh则 更全面地分析了未来的矩形波导和圆波导的理论基础（1897 年）。1910年。D.Hondros和P.Debye给出用介质圆柱导波的原 理；对此，H．Zahn（1916）年，Schriever（于1920年）发表 了有关的实验。
微波科学技术的应用和发展
微波科学技术的应用和发展
•自1945年以来的半个世纪中，微波科学技术表现出巨大的应用 价值，非常活跃而充满生命力。例如， •雷达的诞生与成熟（1939一1945年）； •射电天文学大发展（1946—1971年）； •卫星通信及卫星广播的建立与普及（1964年以后至今）； •微波波谱学与量子电子学的巨大进步（1944年以后至今）； •微波能利用及微波医学的发展（1947年以后至今）；等等。
•美国贝尔研究所（BTL）的G．C．Southworth，早在1920年 就仔细观察了水槽中的波，思考了导波问题。1931年他进行了 高频实验。1933年，在美国有波长15cm的信号源可用了，他加 紧了实验波导线的建设。1936年3月，他宣布波导传输实验成 功——实验线路长260m，是直径12.5cm的圆形青铜管，传输 的波长是9cm。1938年2月1日，美国IRE举行了关干波导的学 术报告会，表演了四种重要的模式。2月2日，IRE又举行了关 于喇叭天线（由波导开口逐步扩大而成）的报告和演示会，自 此以后，微波（Microwaves）成为一个热门话题。1938年，美 籍华入朱兰成（L．J．Chu）在（Jour．Appl．Phys．）杂志 上发表了题为“椭圆形中空金属管子里的电磁波”的文章，是 关于椭圆波导的第一篇论文。今天，椭圆波导已广泛应用在微 波中继站、卫星地球站等领域。
•下面我们从几个方面叙述微波科学技术的应用与发展。
1 微波中继通信
•对于幅员辽阔、地形复杂、水灾多发的国家（如中国），微波 通信的优越性非常突出。第一条微波中继通信线路是美国于 1948年建立的；从纽约到波士顿，中间设7个站，可传送480路 电话及1路电视。这时的技术称为“模拟微波”。……美国后来 大力发展称力“数字微波”的技术。 •到80年代末仅美国电话电报公司（AT＆T）就拥有4GHZ、 6GHZ的微波站3000多个。实际上，美国有70％的站是采用数宇 技术的。……日本于1954年开通东京到大版的4GHZ微波中继线 路，后来又陆续使用5GHZ、6GHZ、2GHZ、乃至11GHZ、 15GHZ等频段。日前，已使用亚毫米波段的20GHZ于东京、大 贩、横滨等城市。 •近年来有一个动向，即美国把原来广泛使用的2700路设备 （“模拟微波”）拆除后，出口到中国。我国引进后可取代原 来的600路设备，改装后成为“数字微波”设备，应用于地区通 信。
微波技术历史发展回顾
微波的定义
•按照国际电工委员会（IEC）的定义，微波（Microwaves）是 “波长足够短，以致在发射和接收中能实际应用波导和谐振腔 技术的电磁波”。这个定义实际上主要指分米波、厘米波、毫 米波三个波段。 •微波技术的历史，如果从1936年波导传输实验成功算起．至 今已有六十多年了。无论在理论上还是在实践上，微波科学技 术已相当成熟，并拥有庞大的从业入员队伍。 •英国物理学家J．C．Maxwell干1862年提出了位移电流的概念， 并提出了“光与电磁现象有联系”的想法。•1865年，Maxwell 在其论文中第一次使用了“电磁场”（electro一magnetic field） 一词，并提出了电磁场方程组，推演了波方程，还论证了光是 电磁波的一种。一百多年来的事实证明，建立在电磁场理论基 础上的微波科学技术，对入类生活产生了极其巨大的影响。
4 射电天文学研究
•1933年．美国入GReber制作了直径9.5m的抛物面天线装在院子里，日夜扫描 天空。这是世界上第一架射电望远镜。1940年，Reber发表了第一张射电天图。 1945年底，刚从军队复员的英国物理学家B．Lowell带着两辆军用雷达车来到 一个叫做JodrellBank的地方，开始了战后最早的微波射电天文研究。他观测到 流星雨的雷达回波。1950年，JodrellBank建成直径66.5m的射电望远镜，观测 到仙女座大星云（M31）的射电辐射。1957年建成的可转动射电望远镜直径 76.2m,重达2000ton，10月里成功地跟踪了前苏联发射的第一颗人造地球卫星； 1960年又为美国宇航器提供了跟踪、测量、控制。76米射电望远镜成为美国科 学界、工业界的骄傲。射电望远镜越做越大。1963年美国建成的抛物面直径达 305m（固定式），而1971年原西德建成的抛物面直径达100m（可转动式）， 它们在很长时期内保持着这方面的世界冠军。 •今天。射电天文学已发展到令人惊异的高水平。例如，德国波恩以南40km的 100m直径射电望远镜，正对银河、星际气体、超新垦进行研究。美国哈佛大 学的META系统．从1985年起即对外星生命信息作大规模的探查。