微波技術(shù)基礎(chǔ)第七章 課后答案楊雪霞.ppt

第七章 微波系統(tǒng)及微波技術(shù)應(yīng)用簡介 本章主要內(nèi)容 n天線的系統(tǒng)特征 n無線通信和微波輸能的微波傳輸系統(tǒng)、雷達系統(tǒng) n微波技術(shù)的應(yīng)用 7.1 天線線的系統(tǒng)統(tǒng)特征 7.1.1 天線線的輻輻射場場 微波系統(tǒng)中的收發(fā)天線 天線分類 電小天線：短偶極子，電小環(huán)天線 諧振式天線：半波偶極子，微帶天線，八木天線 寬帶天線：螺旋天線，對數(shù)周期陣 口徑天線：喇叭天線，反射面天線 電磁波的平均坡印亭矢量為 任意天線遠場區(qū)輻射的電場和磁場可表示為 7.1.1 天線線的輻輻射場場 7.1.2 天線線的方向性 u方向圖圖函數(shù) 方向圖就是輻射區(qū)任一方向的場強與同一距離的最大場強之比與方向角之間 的關(guān)系曲線，表示方向圖的函數(shù)也叫做方向圖因子，即 u半功率主瓣寬寬度 為了表征方向圖波瓣的寬度，定義主瓣兩側(cè)半功率點處的角為 定義 為半功率主瓣寬度HPBW，第一零點波束寬度為FNBW. （a） 場波瓣圖 （b）功率波瓣圖 7.1.2 天線線的方向性 u方向性系數(shù) 定量描述天線輻射功率的集中程度，將一個在各個方向輻射功 率相同的點源作為比較標(biāo)準(zhǔn)，天線在最大輻射方向上遠區(qū)某點的輻 射功率密度與輻射功率相同的點源在同一點的功率密度之比，為天 線的方向性系數(shù). 由于輻射功率密度正比于電場強度的平方，所以最大方向的方 向性系數(shù)D（Directivity）為 或者在產(chǎn)生相等的電場強度的條件下，理想點源天線的總輻射功率 P0與某天線的總輻射功率之比 7.1.3 天線線的效率和增益 天線中的導(dǎo)體和介質(zhì)都有損耗，天線的效率為輻射功率與輸入功率之比 增益：在產(chǎn)生相等的最大電場強度的條件下，理想點源所饋入的輸入功 率與某天線所饋入的輸入功率之比，即 用dB表示 7.1.4 天線線的有效面積積 接收天線的有效面積：天線最大可接收功率PRM與來波的實功率流密度 Si的比值 對電大口徑天線，其有效面積接近于實際的物理口徑面積。對偶極子 、環(huán)形天線等，其物理橫截面積和它的有效面積不存在以上簡單關(guān)系 。 7.1.5 天線線的帶寬帶寬 偏離中心頻率時，天線的某些電性能會降低，如天線的輸入阻抗 、增益、波瓣寬度、極化等. 電性能下降到容許值所對應(yīng)的頻率范圍，就稱為天線帶寬 . 絕對帶寬 相對帶寬 相對帶寬小于1%為窄帶天線；相對帶寬在1%25%之間為寬頻帶天線 ；相對帶寬大于25%為超寬帶（UWB）天線 7.2 無線傳輸線傳輸系統(tǒng)統(tǒng) 7.2.1 Friis傳輸傳輸公式 基本的無線傳輸系統(tǒng) 設(shè)發(fā)射天線的最大方向指向接收天線，則在D處產(chǎn)生的功率密度為 設(shè)接收天線的最大方向也指向發(fā)射天線，則能得到的最大接收功率為 Friis傳輸公式 或 n微波頻帶寬，可容納更多的無線電設(shè)備工作，實現(xiàn)多路通信； n微波波段可采用高增益的定向天線，從而降低發(fā)射機的輸出功率； n微波在視距內(nèi)直線、定向傳播，保密性好； n微波受工業(yè)、天電和宇宙等外界干擾較小，可使通信質(zhì)量大大提高； n微波能夠穿透電離層； n微波通信是無線的，不受地形條件限制。 7.2.2 無線線通信系統(tǒng)統(tǒng) 衛(wèi)星通信系統(tǒng) 7.2.2 無線線通信系統(tǒng)統(tǒng) 7.2.3 微波輸輸能系統(tǒng)統(tǒng) 整流天線的組成 u長距離、大功率微波輸能技術(shù)，如太陽能空間站、為空中永久工作平 臺供電、兩地之間輸送電能等; u在同溫層（即臨近空間）建立永久作業(yè)平臺，如浮空器、無人飛機， 其功能相當(dāng)于一顆近地小衛(wèi)星; u地理環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)、孤島、山頂?shù)纫恍┎槐慵茉O(shè)線路的地區(qū)供電. 7.2.3 微波輸輸能系統(tǒng)統(tǒng) 7.3 雷達系統(tǒng)統(tǒng)與導(dǎo)導(dǎo)航 radar (radio detecting and ranging), 1940s年代 雷達系統(tǒng)應(yīng)用 u導(dǎo)航、氣象觀測、高度測量、飛行器著陸、防盜報警、警用速度測 量、繪制地圖等 u飛行器、導(dǎo)彈、航天器的探測和跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、武器導(dǎo)爆和偵察 等 u射電天文、制圖和成像、精密距離測量，以及自然資源遙感等。 發(fā)射機通過天線向空間定向發(fā)送探測信號，信號被遠距離的目標(biāo) 部分反射后，由天線接收并傳送到接收機接受檢測和信號處理，觀測 有無目標(biāo)以及目標(biāo)性質(zhì)和距離。 7.3.1 雷達基本工作原理 單站雷達 雙站雷達 超遠程預(yù)警雷達的作用距離達10000km以上，能夠?qū)χ揠H導(dǎo)彈的突 然襲擊給出1530min的預(yù)警時間. 相控陣?yán)走_，利用電子計算機控制其天線陣列中諸元的饋電相位 ，以電控方式實現(xiàn)波束的快速掃面，并能根據(jù)需要形成多波束，實現(xiàn) 對多目標(biāo)的同時探測和自動跟蹤. 民用雷達，如氣象雷達、導(dǎo)航雷達、汽車防撞雷達、盲人雷達、 防盜雷達，以及遙感測試?yán)走_等。 7.3.1 雷達基本工作原理 7.4 微波技術(shù)術(shù)的其他應(yīng)應(yīng)用 微波檢測技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究ISM（Industrial, Scientific and Medical ）等領(lǐng)域. 表 幾個ISM頻帶 頻段 波段中心頻率波長 890-940MHzL0.330m 2.4-2.5GHzS0.122m 5.725-5.875GHzC5.2cm 22-22.25GHzK8mm 7.4.1 微波檢測檢測技術(shù)術(shù)的工業(yè)應(yīng)業(yè)應(yīng)用 微波測濕利用物質(zhì)含水量對其介電常數(shù)和損耗角正切影響較大的特性 來檢測物質(zhì)的濕度; 在130GHz內(nèi)，常溫下水的相對介電常數(shù)在3077之間，損耗角正切在 0.120.17范圍； 而大多數(shù)干物質(zhì)的相對介電常數(shù)在15之間，損耗角正切在0.0010.05 范圍測試樣品通常是某種介質(zhì)和水的混合物，其復(fù)合介電常數(shù)介于水的介 電常數(shù)和某種物質(zhì)的介電常數(shù)之間，含水量的大小將導(dǎo)致復(fù)合介電常數(shù)的 變化。 對于TEM波，衰減常數(shù)和相移常數(shù)分別為 通過厚度為d的測濕樣品后，其衰減和相移量分別為 實際中，不需測介電常數(shù)和損耗角正切，而直接測量微波衰減量 和相移，或諧振頻率，然后根據(jù)它們與濕度的定標(biāo)曲線差得到濕度. 衰減、相移量和厚度可直接測測量 ，由此可計計算樣樣品的相對對介電電常 數(shù)r和損損耗角正切tan，某對對（r ，tan）對應(yīng)該對應(yīng)該 物品的濕度 7.4.1 微波檢測檢測 技術(shù)術(shù)的工業(yè)應(yīng)業(yè)應(yīng) 用 微波衰減法測濕框圖 u測量懸浮體對微波的衰減量，可以得到懸浮體的濃度； u用網(wǎng)絡(luò)分析儀測 量試樣 的相位和幅度，可檢測 膠接結(jié)構(gòu)的脫粘和氣孔 大小 u測量金屬板對微波的反射系數(shù)相角的變化，可以確定金屬板的厚度 u還可以檢測金屬表面的裂紋 7.4.1 微波檢測檢測 技術(shù)術(shù)的工業(yè)應(yīng)業(yè)應(yīng) 用 7.4.2 微波能的應(yīng)應(yīng)用 微波是攜帶能量的，微波能已經(jīng)用于食品烹飪和加熱、工業(yè)烘干 、農(nóng)業(yè)殺蟲、滅菌等方面。 微波加熱基本原理：電磁場作用于介質(zhì)，介質(zhì)分子由于極化而成 為電偶極子，電偶極子隨電磁場的變化而產(chǎn)生擾動，由于分子熱運 動和鄰近分子間的相互作用，使這種擾動受到干擾和阻礙，并以熱 的形式表現(xiàn)出來，使介質(zhì)的溫度升高. 優(yōu)優(yōu)點：加熱均勻、速度快、熱效率高、可以進行選擇性加熱、容 易實現(xiàn)自動控制 . 微波加熱設(shè)備 方框圖 微波加熱源有連續(xù) 波磁控管和多腔速調(diào) 管 7.4.3 微波技術(shù)術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)應(yīng)用 u微波技術(shù)用于疾病的診斷和治療，當(dāng)組織發(fā)生病變時，其形態(tài) 或結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，用微波技術(shù)測量這些介質(zhì)特性的變化可用作 診斷疾病的基礎(chǔ)。 u微波治療能量集中、受熱體積及溫度容易控制等優(yōu)點 u現(xiàn)在微波理療已普遍用于治療肌肉勞損、酸痛等疾病，在腫瘤 治療方面也獲得較大突破 7.4.4 微波技術(shù)術(shù)在科研中應(yīng)應(yīng)用 u微波波譜譜學(xué) 研究在微波照射下，通過物質(zhì)產(chǎn)生電磁輻射與吸收以及能量的 頻譜分布情況，來研究分子能譜的精細和超精細結(jié)構(gòu)的科學(xué) . 1960s年代開始，用射電望遠鏡與微波波譜學(xué)相結(jié)合，在星際 空間發(fā)現(xiàn)了幾十種有機分子. u微波等離子體 等離子體是由帶正、負電荷的兩種粒子所組成的電中性粒子體 系，其中至少有一種帶電粒子是可以自由運動的. 高功率微波可以使稀薄的氣體放電而產(chǎn)生等離子體，微波等離 子體已用于雷達的天線開關(guān). 利用微波在等離子體中的傳播特性來測量等離子體的參量。其 基本原理是，若微波頻率足夠高，微波大部分可以透射到等離子體 內(nèi)部，其振幅和相位發(fā)生變化，測出這一變化