微波技術基礎第七章課后答案 楊雪霞

1、第七章 微波系統及微波技術應用簡介本章主要內容本章主要內容n天線的系統特征天線的系統特征n無線通信和微波輸能的微波傳輸系統、雷達系統無線通信和微波輸能的微波傳輸系統、雷達系統n微波技術的應用微波技術的應用 7.1 天天線線的系的系統統特征特征7.1.1 天天線線的的輻輻射射場場微波系統中的收發(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2*W/m)(21HESavg任意天線遠場區(qū)輻射的電場和磁場可表示為V/m),(),(),(0reFFrErjk0EH 0EH7.1.1

2、天線的輻射場天線的輻射場7.1.2 天天線線的方向性的方向性u方向方向圖圖函數函數方向圖就是輻射區(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系曲線，表示方向圖的函數也叫做方向圖因子，即| ),(|),(maxEEFu半功率主瓣半功率主瓣寬寬度度 為了表征方向圖波瓣的寬度，定義主瓣兩側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.5.05.02（a） 場波瓣圖 （b）功率波瓣圖7.1.2 天線的方向性天線的方向性u方向性系數方向性系數相同相同，rPrEED202max),(相同相同，rErrPPD0),( 定量描述天線輻射功率的集中程度，將一個在各個方向

3、輻射功率相同的點源作為比較標準，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. 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D（Directivity）為 或者在產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 天天線線的效率和增益的效率和增益inPPG0DPPPPGrinr0dBlg10)dB(GG天線中的導體和介質都有損耗，天線的效率效率為輻射功率與輸入功率之比增益增益：在產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

4、 inrPP7.1.4 天天線線的有效面的有效面積積iRMeffSPA42DAeff接收天線的有效面積：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系。7.1.5 天天線線的的帶寬帶寬hlBWff0(%)(%)hlffBWf 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的頻率范圍，就稱為天線帶寬天線帶寬 .絕對帶寬絕對帶寬相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%

5、之間為寬頻帶天線；相對帶寬大于25%為超寬帶（UWB）天線 7.2 無無線傳輸線傳輸系系統統7.2.1 Friis傳輸傳輸公式公式基本的無線傳輸系統設發(fā)射天線的最大方向指向接收天線，則在D處產生的功率密度為 設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24 rGPSttirttttrieRMGGPrrGPGSAP222)4(44Friis傳輸公式或n微波頻帶寬，可容納更多的無線電設備工作，實現多路通信；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，可使通信質量大大提高；n微波能夠穿透電

6、離層；n微波通信是無線的，不受地形條件限制。 44.32)MHz(lg20)km(lg20)dB()dB()dBm()dBm(frGGPPrttRM7.2.2 無無線線通信系通信系統統衛(wèi)星通信系統 7.2.2 無線通信系統無線通信系統7.2.3 微波微波輸輸能系能系統統整流天線的組成u長距離、大功率微波輸能技術，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，其功能相當于一顆近地小衛(wèi)星;u地理環(huán)境復雜的山區(qū)、孤島、山頂等一些不便架設線路的地區(qū)供電.7.2.3 微波輸能系統微波輸能系統7.3 雷達系雷達系統統與與導導航航

7、radar (radio detecting and ranging), 1940s年代雷達系統應用雷達系統應用u導航、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、導彈、航天器的探測和跟蹤、導彈制導、武器導爆和偵察等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，觀測有無目標以及目標性質和距離。7.3.1 雷達基本工作原理雷達基本工作原理單站雷達 雙站雷達 超遠程預警雷達的作用距離達10000km以上，能夠對洲際導彈的突然襲擊給出1530m

8、in的預警時間. 相控陣雷達，利用電子計算機控制其天線陣列中諸元的饋電相位，以電控方式實現波束的快速掃面，并能根據需要形成多波束，實現對多目標的同時探測和自動跟蹤. 民用雷達，如氣象雷達、導航雷達、汽車防撞雷達、盲人雷達、防盜雷達，以及遙感測試雷達等。7.3.1 雷達基本工作原理雷達基本工作原理7.4 微波技微波技術術的其他的其他應應用用 微波檢測技術在工業(yè)、農業(yè)、科學研究ISM（Industrial, Scientific and Medical ）等領域.表 幾個ISM頻帶頻段波段中心頻率波長890-940MHzL0.330m2.4-2.5GHzS0.122m5.725-5.875GHzC

9、5.2cm22-22.25GHzK8mm7.4.1 微波微波檢測檢測技技術術的工的工業(yè)應業(yè)應用用 微波測濕微波測濕利用物質含水量對其介電常數和損耗角正切影響較大的特性來檢測物質的濕度; 在130GHz內，常溫下水的相對介電常數在3077之間，損耗角正切在0.120.17范圍； 而大多數干物質的相對介電常數在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和水的混合物，其復合介電常數介于水的介電常數和某種物質的介電常數之間，含水量的大小將導致復合介電常數的變化。 對于TEM波，衰減常數和相移常數分別為通過厚度為d的測濕樣品后，其衰減和相移量分別為 實際中，不需測介電常數和損耗角

10、正切，而直接測量微波衰減量和相移，或諧振頻率，然后根據它們與濕度的定標曲線差得到濕度. tanrr2tanrddArdd2衰減、相移量和厚度可直接測量，衰減、相移量和厚度可直接測量，由此可計算樣品的相對介電常數由此可計算樣品的相對介電常數r和損耗角正切和損耗角正切tan，某對（，某對（r，tan）對應該物品）對應該物品的濕度的濕度 7.4.1 微波檢測技術的工業(yè)應用微波檢測技術的工業(yè)應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用網絡分析儀測量試樣的相位和幅度，可檢測膠接結構的脫粘和氣孔大小u測量金屬板對微波的反射系數相角的變化，可以確定金屬板的厚度u還可以檢測金

11、屬表面的裂紋 7.4.1 微波檢測技術的工業(yè)應用微波檢測技術的工業(yè)應用7.4.2 微波能的微波能的應應用用 微波是攜帶能量的，微波能已經用于食品烹飪和加熱、工業(yè)烘干、農業(yè)殺蟲、滅菌等方面。 微波加熱基本原理基本原理：電磁場作用于介質，介質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，并以熱的形式表現出來，使介質的溫度升高. 優(yōu)點優(yōu)點：加熱均勻、速度快、熱效率高、可以進行選擇性加熱、容易實現自動控制 . .微波加熱設備方框圖 微波加熱源有連續(xù)波磁控管和多腔速調管 7.4.3 微波技微波技術術的醫(yī)學的醫(yī)學應應用用u微波

12、技術用于疾病的診斷和治療，當組織發(fā)生病變時，其形態(tài)或結構會發(fā)生變化，用微波技術測量這些介質特性的變化可用作診斷疾病的基礎。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 微波技微波技術術在科研中在科研中應應用用u微波波譜學微波波譜學 研究在微波照射下，通過物質產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構的科學 . 1960s年代開始，用射電望遠鏡與微波波譜學相結合，在星際空間發(fā)現了幾十種有機分子.u微波等離子體微波等離子體 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生等離子體，微波等離子體已用于雷達的天線開關. 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部，其振幅