微波技术基础第七章课后答案 杨雪霞
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表 几个ISM频带
频段 890-940MHz 2.4-2.5GHz 5.725-5.875GHz 22-22.25GHz
波段
L S C K
中心频率波长
0.330m 0.122m 5.2cm 8mm
7.4.1 微波检测技术的工业应用
微波测湿利用物质含水量对其介电常数和损耗角正切影响较大的特性 来检测物质的湿度;
G P0 Pin
G Pr P0 D
Pin Pr
用dB表示
G(dB) 10lg G dB
7.1.4 天线的有效面积
接收天线的有效面积：天线最大可接收功率PRM与来波的实功率流密度
Si的比值
Aeff
PRM Si
2
Aeff
D
4
对电大口径天线，其有效面积接近于实际的物理口径面积。对偶极子、 环形天线等，其物理横截面积和它的有效面积不存在以上简单关系。
7.4.2 微波能的应用
微波是携带能量的，微波能已经用于食品烹饪和加热、工业烘干、 农业杀虫、灭菌等方面。
微波加热基本原理：电磁场作用于介质，介质分子由于极化而成 为电偶极子，电偶极子随电磁场的变化而产生扰动，由于分子热运 动和邻近分子间的相互作用，使这种扰动受到干扰和阻碍，并以热 的形式表现出来，使介质的温度升高.
优点：加热均匀、速度快、热效率高、可以进行选择性加热、容 易实现自动控制 .
直流电源
微波发生器
加热器
冷却系统
微波加热设备方框图
微波加热源有连续波 磁控管和多腔速调管
7.4.3 微波技术的医学应用
微波技术用于疾病的诊断和治疗，当组织发生病变时，其形态 或结构会发生变化，用微波技术测量这些介质特性的变化可用作 诊断疾病的基础。 微波治疗能量集中、受热体积及温度容易控制等优点 现在微波理疗已普遍用于治疗肌肉劳损、酸痛等疾病，在肿瘤 治疗方面也获得较大突破
在1~30GHz内，常温下水的相对介电常数在30~77之间，损耗角正切在 0.12~0.17范围；
而大多数干物质的相对介电常数在1~5之间，损耗角正切在0.001~0.05 范围测试样品通常是某种介质和水的混合物，其复合介电常数介于水的介 电常数和某种物质的介电常数之间，含水量的大小将导致复合介电常数的 变化。
Pt
Pr
发射天线
球面波
平面波
微波系统中的收发天线
接收天线
7.1.1 天线的辐射场
任意天线远场区辐射的电场和磁场可表示为
E(r,
,
)
[ˆF
(
,
)
ˆF
(
,
)]
e
jk0r
r
V/m
H
E
0
H
E
0
电磁波的平均坡印亭矢量为
ຫໍສະໝຸດ Baidu
S av g
1
(E
2
H*)
W/m2
7.1.2 天线的方向性
方向图函数 方向图就是辐射区任一方向的场强与同一距离的最大场强之比与方向角之间 的关系曲线，表示方向图的函数也叫做方向图因子，即
第七章 微波系统及微波技术应用简介
本章主要内容 天线的系统特征 无线通信和微波输能的微波传输系统、雷达系统 微波技术的应用
7.1 天线的系统特征
天线分类
电小天线：短偶极子，电小环天线 谐振式天线：半波偶极子，微带天线，八木天线 宽带天线：螺旋天线，对数周期阵 口径天线：喇叭天线，反射面天线
7.1.1 天线的辐射场
实际中，不需测介电常数和损耗角正切，而直接测量微波衰减量 和相移，或谐振频率，然后根据它们与湿度的定标曲线差得到湿度.
7.4.1 微波检测技术的工业应用
待
测
样
品
微波 信号源
隔离器
衰减器
喇叭
指
检波器
示
喇叭
器
微波衰减法测湿框图
测量悬浮体对微波的衰减量，可以得到悬浮体的浓度； 用网络分析仪测量试样的相位和幅度，可检测胶接结构的脱粘和气孔 大小 测量金属板对微波的反射系数相角的变化，可以确定金属板的厚度 还可以检测金属表面的裂纹
7.3 雷达系统与导航
radar (radio detecting and ranging), 1940s年代
雷达系统应用 导航、气象观测、高度测量、飞行器着陆、防盗报警、警用速度测 量、绘制地图等 飞行器、导弹、航天器的探测和跟踪、导弹制导、武器导爆和侦察 等 射电天文、制图和成像、精密距离测量，以及自然资源遥感等。
7.3.1 雷达基本工作原理
发射机通过天线向空间定向发送探测信号，信号被远距离的目标 部分反射后，由天线接收并传送到接收机接受检测和信号处理，观测 有无目标以及目标性质和距离。
Pt
双工器
G
D
单站雷达
Gt
Pt
D
接收机/ 处理机
Gr
双站雷达
目标 目标
7.3.1 雷达基本工作原理
超远程预警雷达的作用距离达10000km以上，能够对洲际导弹的突 然袭击给出15～30min的预警时间.
7.4.4 微波技术在科研中应用
射电天文学
通过观测天体的无线电波来研究天文现象的科学。借助于测量 和分析天体所发射的1mm～30mm波长的电磁波辐射来从事天体研 究射电天文学有两种系统：①在地球上或空间站发射电磁波，然后 接收从天体反射回来的波;②直接接收天体辐射。
7.4.1 微波检测技术的工业应用
对于TEM波，衰减常数和相移常数分别为
r tan
2
r
通过厚度为d的测湿样品后，其衰减和相移量分别为
A d d
r tan
d 2d
r
衰减、相移量和厚度可直接测量， 由此可计算样品的相对介电常数εr 和损耗角正切tanδ，某对（εr， tanδ）对应该物品的湿度
系，其中至少有一种带电粒子是可以自由运动的.
高功率微波可以使稀薄的气体放电而产生等离子体，微波等离 子体已用于雷达的天线开关.
利用微波在等离子体中的传播特性来测量等离子体的参量。其 基本原理是，若微波频率足够高，微波大部分可以透射到等离子体 内部，其振幅和相位发生变化，测出这一变化就可以求得等离子体 的介电常数，进而可以确定等离子体的密度和电子气的温度等 .
7.2.2 无线通信系统
卫星
上 行 线 路
下 行 线 路
发射天线
市内通信 线路
发射设备
地面发射站
接收天线
接收设备
终端设备
地面接收站
卫星通信系统
市内通信 线路
7.2.3 微波输能系统
直流 电能
微波功率 发生器
I
发 射 天 自由空间
线
直流 电能
整流天线
II
III
图 1 MPT图 图 图 图
微波 能量
相控阵雷达，利用电子计算机控制其天线阵列中诸元的馈电相位， 以电控方式实现波束的快速扫面，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.
民用雷达，如气象雷达、导航雷达、汽车防撞雷达、盲人雷达、 防盗雷达，以及遥感测试雷达等。
7.4 微波技术的其他应用
微波检测技术在工业、农业、科学研究ISM（Industrial, Scientific and Medical ）等领域.
F ( ,) | E( ,) |
| Emax |
半功率主瓣宽度 为了表征方向图波瓣的宽度，定义主瓣两侧半功率点处的θ角为 0.5 定义 20.5 为半功率主瓣宽度HPBW，第一零点波束宽度为FNBW.
7.1.2 天线的方向性
主瓣
θ=0o
E0 1.0
θ
HPBW 0.707
旁瓣
FNBW
θ=0o P0 1.0 θ
7.1.5 天线的带宽
偏离中心频率时，天线的某些电性能会降低，如天线的输入阻抗、 增益、波瓣宽度、极化等.
电性能下降到容许值所对应的频率范围，就称为天线带宽 .
绝对带宽 BW fh fl
相对带宽 BW (%) fh fl (%) f0
相对带宽小于1%为窄带天线；相对带宽在1%~25%之间为宽频带天线； 相对带宽大于25%为超宽带（UWB）天线
接收天线
低通滤波器
整流二极管
直通滤波器
负
载
整流电路
整流天线的组成
7.2.3 微波输能系统
长距离、大功率微波输能技术，如太阳能空间站、为空中永久工作平 台供电、两地之间输送电能等; 在同温层（即临近空间）建立永久作业平台，如浮空器、无人飞机， 其功能相当于一颗近地小卫星; 地理环境复杂的山区、孤岛、山顶等一些不便架设线路的地区供电.
HPBW 0.5
FNBW
后瓣
En(θ)
（a） 场波瓣图
Pn(θ)=En2(θ)
（b）功率波瓣图
方向性系数
定量描述天线辐射功率的集中程度，将一个在各个方向辐射功
率相同的点源作为比较标准，天线在最大辐射方向上远区某点的辐 射功率密度与辐射功率相同的点源在同一点的功率密度之比，为天 线的方向性系数.
由于辐射功率密度正比于电场强度的平方，所以最大方向的方 向性系数D（Directivity）为
D( ,)
Em2 ax E02
Pr相同，r相同
或者在产生相等的电场强度的条件下，理想点源天线的总辐射功率 P0与某天线的总辐射功率之比
D( ,) P0
Pr Er相同，r相同
7.1.3 天线的效率和增益
天线中的导体和介质都有损耗，天线的效率为辐射功率与输入功率之比
Pr
Pin
增益：在产生相等的最大电场强度的条件下，理想点源所馈入的输入功 率与某天线所馈入的输入功率之比，即
7.4.4 微波技术在科研中应用
微波波谱学 研究在微波照射下，通过物质产生电磁辐射与吸收以及能量的
频谱分布情况，来研究分子能谱的精细和超精细结构的科学 .
1960s年代开始，用射电望远镜与微波波谱学相结合，在星际 空间发现了几十种有机分子.
微波等离子体 等离子体是由带正、负电荷的两种粒子所组成的电中性粒子体
Friis传输公式
或
PRM (dBm) Pt (dBm) Gt (dB) Gr (dB)
20lg r(km) 20lg f (MHz) 32.44
7.2.2 无线通信系统
微波频带宽，可容纳更多的无线电设备工作，实现多路通信； 微波波段可采用高增益的定向天线，从而降低发射机的输出功率； 微波在视距内直线、定向传播，保密性好； 微波受工业、天电和宇宙等外界干扰较小，可使通信质量大大提高； 微波能够穿透电离层； 微波通信是无线的，不受地形条件限制。
7.2 无线传输系统
7.2.1 Friis传输公式
Gt
Gr
Pt
Pr D
基本的无线传输系统
设发射天线的最大方向指向接收天线，则在D处产生的功率密度为
Si
Pt Gt
4r 2
设接收天线的最大方向也指向发射天线，则能得到的最大接收功率为
PRM
Ae Si
Gr 2 4
Pt Gt
4r 2
(
4r
)
2
Pt
Gt
Gr
频段 890-940MHz 2.4-2.5GHz 5.725-5.875GHz 22-22.25GHz
波段
L S C K
中心频率波长
0.330m 0.122m 5.2cm 8mm
7.4.1 微波检测技术的工业应用
微波测湿利用物质含水量对其介电常数和损耗角正切影响较大的特性 来检测物质的湿度;
G P0 Pin
G Pr P0 D
Pin Pr
用dB表示
G(dB) 10lg G dB
7.1.4 天线的有效面积
接收天线的有效面积：天线最大可接收功率PRM与来波的实功率流密度
Si的比值
Aeff
PRM Si
2
Aeff
D
4
对电大口径天线，其有效面积接近于实际的物理口径面积。对偶极子、 环形天线等，其物理横截面积和它的有效面积不存在以上简单关系。
7.4.2 微波能的应用
微波是携带能量的，微波能已经用于食品烹饪和加热、工业烘干、 农业杀虫、灭菌等方面。
微波加热基本原理：电磁场作用于介质，介质分子由于极化而成 为电偶极子，电偶极子随电磁场的变化而产生扰动，由于分子热运 动和邻近分子间的相互作用，使这种扰动受到干扰和阻碍，并以热 的形式表现出来，使介质的温度升高.
优点：加热均匀、速度快、热效率高、可以进行选择性加热、容 易实现自动控制 .
直流电源
微波发生器
加热器
冷却系统
微波加热设备方框图
微波加热源有连续波 磁控管和多腔速调管
7.4.3 微波技术的医学应用
微波技术用于疾病的诊断和治疗，当组织发生病变时，其形态 或结构会发生变化，用微波技术测量这些介质特性的变化可用作 诊断疾病的基础。 微波治疗能量集中、受热体积及温度容易控制等优点 现在微波理疗已普遍用于治疗肌肉劳损、酸痛等疾病，在肿瘤 治疗方面也获得较大突破
在1~30GHz内，常温下水的相对介电常数在30~77之间，损耗角正切在 0.12~0.17范围；
而大多数干物质的相对介电常数在1~5之间，损耗角正切在0.001~0.05 范围测试样品通常是某种介质和水的混合物，其复合介电常数介于水的介 电常数和某种物质的介电常数之间，含水量的大小将导致复合介电常数的 变化。
Pt
Pr
发射天线
球面波
平面波
微波系统中的收发天线
接收天线
7.1.1 天线的辐射场
任意天线远场区辐射的电场和磁场可表示为
E(r,
,
)
[ˆF
(
,
)
ˆF
(
,
)]
e
jk0r
r
V/m
H
E
0
H
E
0
电磁波的平均坡印亭矢量为
ຫໍສະໝຸດ Baidu
S av g
1
(E
2
H*)
W/m2
7.1.2 天线的方向性
方向图函数 方向图就是辐射区任一方向的场强与同一距离的最大场强之比与方向角之间 的关系曲线，表示方向图的函数也叫做方向图因子，即
第七章 微波系统及微波技术应用简介
本章主要内容 天线的系统特征 无线通信和微波输能的微波传输系统、雷达系统 微波技术的应用
7.1 天线的系统特征
天线分类
电小天线：短偶极子，电小环天线 谐振式天线：半波偶极子，微带天线，八木天线 宽带天线：螺旋天线，对数周期阵 口径天线：喇叭天线，反射面天线
7.1.1 天线的辐射场
实际中，不需测介电常数和损耗角正切，而直接测量微波衰减量 和相移，或谐振频率，然后根据它们与湿度的定标曲线差得到湿度.
7.4.1 微波检测技术的工业应用
待
测
样
品
微波 信号源
隔离器
衰减器
喇叭
指
检波器
示
喇叭
器
微波衰减法测湿框图
测量悬浮体对微波的衰减量，可以得到悬浮体的浓度； 用网络分析仪测量试样的相位和幅度，可检测胶接结构的脱粘和气孔 大小 测量金属板对微波的反射系数相角的变化，可以确定金属板的厚度 还可以检测金属表面的裂纹
7.3 雷达系统与导航
radar (radio detecting and ranging), 1940s年代
雷达系统应用 导航、气象观测、高度测量、飞行器着陆、防盗报警、警用速度测 量、绘制地图等 飞行器、导弹、航天器的探测和跟踪、导弹制导、武器导爆和侦察 等 射电天文、制图和成像、精密距离测量，以及自然资源遥感等。
7.3.1 雷达基本工作原理
发射机通过天线向空间定向发送探测信号，信号被远距离的目标 部分反射后，由天线接收并传送到接收机接受检测和信号处理，观测 有无目标以及目标性质和距离。
Pt
双工器
G
D
单站雷达
Gt
Pt
D
接收机/ 处理机
Gr
双站雷达
目标 目标
7.3.1 雷达基本工作原理
超远程预警雷达的作用距离达10000km以上，能够对洲际导弹的突 然袭击给出15～30min的预警时间.
7.4.4 微波技术在科研中应用
射电天文学
通过观测天体的无线电波来研究天文现象的科学。借助于测量 和分析天体所发射的1mm～30mm波长的电磁波辐射来从事天体研 究射电天文学有两种系统：①在地球上或空间站发射电磁波，然后 接收从天体反射回来的波;②直接接收天体辐射。
7.4.1 微波检测技术的工业应用
对于TEM波，衰减常数和相移常数分别为
r tan
2
r
通过厚度为d的测湿样品后，其衰减和相移量分别为
A d d
r tan
d 2d
r
衰减、相移量和厚度可直接测量， 由此可计算样品的相对介电常数εr 和损耗角正切tanδ，某对（εr， tanδ）对应该物品的湿度
系，其中至少有一种带电粒子是可以自由运动的.
高功率微波可以使稀薄的气体放电而产生等离子体，微波等离 子体已用于雷达的天线开关.
利用微波在等离子体中的传播特性来测量等离子体的参量。其 基本原理是，若微波频率足够高，微波大部分可以透射到等离子体 内部，其振幅和相位发生变化，测出这一变化就可以求得等离子体 的介电常数，进而可以确定等离子体的密度和电子气的温度等 .
7.2.2 无线通信系统
卫星
上 行 线 路
下 行 线 路
发射天线
市内通信 线路
发射设备
地面发射站
接收天线
接收设备
终端设备
地面接收站
卫星通信系统
市内通信 线路
7.2.3 微波输能系统
直流 电能
微波功率 发生器
I
发 射 天 自由空间
线
直流 电能
整流天线
II
III
图 1 MPT图 图 图 图
微波 能量
相控阵雷达，利用电子计算机控制其天线阵列中诸元的馈电相位， 以电控方式实现波束的快速扫面，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.
民用雷达，如气象雷达、导航雷达、汽车防撞雷达、盲人雷达、 防盗雷达，以及遥感测试雷达等。
7.4 微波技术的其他应用
微波检测技术在工业、农业、科学研究ISM（Industrial, Scientific and Medical ）等领域.
F ( ,) | E( ,) |
| Emax |
半功率主瓣宽度 为了表征方向图波瓣的宽度，定义主瓣两侧半功率点处的θ角为 0.5 定义 20.5 为半功率主瓣宽度HPBW，第一零点波束宽度为FNBW.
7.1.2 天线的方向性
主瓣
θ=0o
E0 1.0
θ
HPBW 0.707
旁瓣
FNBW
θ=0o P0 1.0 θ
7.1.5 天线的带宽
偏离中心频率时，天线的某些电性能会降低，如天线的输入阻抗、 增益、波瓣宽度、极化等.
电性能下降到容许值所对应的频率范围，就称为天线带宽 .
绝对带宽 BW fh fl
相对带宽 BW (%) fh fl (%) f0
相对带宽小于1%为窄带天线；相对带宽在1%~25%之间为宽频带天线； 相对带宽大于25%为超宽带（UWB）天线
接收天线
低通滤波器
整流二极管
直通滤波器
负
载
整流电路
整流天线的组成
7.2.3 微波输能系统
长距离、大功率微波输能技术，如太阳能空间站、为空中永久工作平 台供电、两地之间输送电能等; 在同温层（即临近空间）建立永久作业平台，如浮空器、无人飞机， 其功能相当于一颗近地小卫星; 地理环境复杂的山区、孤岛、山顶等一些不便架设线路的地区供电.
HPBW 0.5
FNBW
后瓣
En(θ)
（a） 场波瓣图
Pn(θ)=En2(θ)
（b）功率波瓣图
方向性系数
定量描述天线辐射功率的集中程度，将一个在各个方向辐射功
率相同的点源作为比较标准，天线在最大辐射方向上远区某点的辐 射功率密度与辐射功率相同的点源在同一点的功率密度之比，为天 线的方向性系数.
由于辐射功率密度正比于电场强度的平方，所以最大方向的方 向性系数D（Directivity）为
D( ,)
Em2 ax E02
Pr相同，r相同
或者在产生相等的电场强度的条件下，理想点源天线的总辐射功率 P0与某天线的总辐射功率之比
D( ,) P0
Pr Er相同，r相同
7.1.3 天线的效率和增益
天线中的导体和介质都有损耗，天线的效率为辐射功率与输入功率之比
Pr
Pin
增益：在产生相等的最大电场强度的条件下，理想点源所馈入的输入功 率与某天线所馈入的输入功率之比，即
7.4.4 微波技术在科研中应用
微波波谱学 研究在微波照射下，通过物质产生电磁辐射与吸收以及能量的
频谱分布情况，来研究分子能谱的精细和超精细结构的科学 .
1960s年代开始，用射电望远镜与微波波谱学相结合，在星际 空间发现了几十种有机分子.
微波等离子体 等离子体是由带正、负电荷的两种粒子所组成的电中性粒子体
Friis传输公式
或
PRM (dBm) Pt (dBm) Gt (dB) Gr (dB)
20lg r(km) 20lg f (MHz) 32.44
7.2.2 无线通信系统
微波频带宽，可容纳更多的无线电设备工作，实现多路通信； 微波波段可采用高增益的定向天线，从而降低发射机的输出功率； 微波在视距内直线、定向传播，保密性好； 微波受工业、天电和宇宙等外界干扰较小，可使通信质量大大提高； 微波能够穿透电离层； 微波通信是无线的，不受地形条件限制。
7.2 无线传输系统
7.2.1 Friis传输公式
Gt
Gr
Pt
Pr D
基本的无线传输系统
设发射天线的最大方向指向接收天线，则在D处产生的功率密度为
Si
Pt Gt
4r 2
设接收天线的最大方向也指向发射天线，则能得到的最大接收功率为
PRM
Ae Si
Gr 2 4
Pt Gt
4r 2
(
4r
)
2
Pt
Gt
Gr