微波技術(shù)與天線第10章

1、第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)10.1 雷達系統(tǒng)雷達系統(tǒng)10.2 微波通信系統(tǒng)微波通信系統(tǒng)10.3 微波遙感系統(tǒng)微波遙感系統(tǒng)10.4 射頻識別系統(tǒng)射頻識別系統(tǒng)習(xí)習(xí) 題題 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 10.1 雷達系統(tǒng)雷達系統(tǒng) 雷達（RADAR）是微波最早的應(yīng)用之一,是英文無線電探測與測距（Radio Detection And Ranging）的縮寫。它的機理是：電磁波在傳播過程中遇到物體會產(chǎn)生反射，當電磁波垂直入射到接近理想的金屬表面時所產(chǎn)生的反射最強烈，于是可根據(jù)從物體上反射回來的回波獲得物體的有關(guān)信息。可見雷達必須具有產(chǎn)生和發(fā)射電磁波的裝置（即發(fā)射機和天線），以及接收物體反射波

2、（簡稱回波）并進行檢測、顯示的裝置（天線、接收機和顯示設(shè)備）。由于無論發(fā)射與接收電磁波都需要天線，根據(jù)天線收發(fā)互易原理，一般收發(fā)共用一部天線，這樣就需要收發(fā)開關(guān)實現(xiàn)收發(fā)天線的共用。另外，天線系統(tǒng)一般需要旋轉(zhuǎn)掃描，故還需天線控制系統(tǒng)。第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)圖10 1 雷達系統(tǒng)的基本組成框圖第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 傳統(tǒng)的雷達主要用于探測目標的距離、方位、速度等尺度信息，但隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代雷達系統(tǒng)還能識別目標的類型、姿態(tài)等或?qū)崟r顯示航跡甚至實現(xiàn)實時圖像顯示。所以現(xiàn)代雷達系統(tǒng)一般由天饋子系統(tǒng)、射頻收發(fā)子系統(tǒng)、信號處理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)及

3、中央處理子系統(tǒng)等組成，其原理框圖如圖10-2所示。第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)圖 10 2 現(xiàn)代雷達系統(tǒng)的組成框圖第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) (1) 測距 電磁波在自由空間是以光速這一有限速度傳播的。 設(shè)雷達與目標之間的距離為s, 則由發(fā)射機經(jīng)天線發(fā)射的雷達脈沖經(jīng)目標反射后回到雷達, 共走了2s的距離。若能測得發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間間隔t, 則目標距雷達的距離可由下式求得: tcs21(10-1-1)1. 雷達探測原理雷達探測原理第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 2)測向 傳統(tǒng)雷達是利用尖銳的天線波束瞄準目標，從而來確定目標的方位。天線波束越尖銳，則測向就越精確。由天線理論可知，在工作頻率一定時，波束越窄要

4、求天線的口徑越大，反之，天線口徑一定，則要求的頻率越高，因此雷達一般在微波波段工作。為了實現(xiàn)窄波束全方位搜索，傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)必須使天線波束按一定規(guī)律在要搜索的空間進行掃描以捕獲目標，當發(fā)現(xiàn)目標時，停止掃描，微微轉(zhuǎn)動天線，使接收信號最強時，天線所指的方向就是目標所在方向。 從原理上講利用天線波束尖端的最強方向指向目標從而測定目標的方位是準確的，但由天線方向圖可知，波束最強的方向附近，對方向性是很不敏感的，這給測向帶來了較大的誤差，因此這種方法適合搜索雷達而不適合跟蹤雷達。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) (3) 測速 由振蕩源發(fā)射的電磁波以不變的光速c傳播時, 如果接收者相對振蕩源是不動的, 那么它在單

5、位時間內(nèi)所收到的振蕩數(shù)目與振蕩源產(chǎn)生的相同; 如果振蕩源與接收者之間有相對接近運動, 則接收者在單位時間內(nèi)接收的振蕩數(shù)目比它不動時要多一點, 也就是接收到的頻率升高, 當兩者相反方向運動時接收到的頻率會下降。這就是多卜勒效應(yīng)?？梢宰C明, 當飛行目標向雷達靠近運動時, 接收到的頻率f與雷達振蕩源發(fā)出的頻率f0的頻差為(10-1-2) 式中, fd稱為多卜勒頻率, 為飛行目標相對雷達的運動速度?？梢? 只要測得飛行目標的多卜勒頻率，就可利用上式求得飛行目標的速度。這就是雷達測速原理。rcvffffr00d2第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) (4) 目標識別原理 所謂目標識別就是利用雷達接收到的飛行目標的散射

6、信號, 從中提取特征信息并進行分析處理, 從而分辨出飛行目標的類別和姿態(tài)。目標識別的關(guān)鍵是目標特征信息的提取, 這涉及到對目標的編碼、特征選擇與提取、 自動匹配算法的研制等過程。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 2. 幾種典型的雷達系統(tǒng)幾種典型的雷達系統(tǒng) (1) 單脈沖雷達 前面在探測原理中講到, 用尖銳的方向圖的最大值來測向的誤差是較大的, 對跟蹤雷達來說是不合適的。單脈沖技術(shù)是提高測向誤差的有效手段。 由此技術(shù)構(gòu)成的雷達稱為單脈沖雷達。下面簡單分析其中一種單脈沖雷達的工作原理。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 圖 10 - 3饋源口面不對稱照射激起TE10、TE20模單脈沖雷達采用的天線一般為卡塞格倫天線

7、, 其饋源為矩形多模喇叭。 當天線完全對準目標方向時, 接收的電磁波在喇叭饋源中激發(fā)的電磁場只有主模TE10模, 當天線偏離目標方向時, 除主模外還會產(chǎn)生高次模, 其中TE20模會隨著天線角度的變化而變化。 對如圖 10 - 3 所示的矩形喇叭饋源, 當目標在喇叭中心線右面時, 使喇叭右側(cè)的能量較大而左側(cè)較小, 這時等效為主模TE10和高次模TE20按圖中相位關(guān)系疊加, 即右側(cè)是兩個模式分量的相加, 而左側(cè)是兩個模式分量的相減; 當目標在喇叭中心線左面時, 激起的TE20模極性與上述情形相反。于是只要設(shè)法從喇叭饋源中取出TE20模, 它的幅度隨目標偏離天線軸而增加, 相位取決于偏離方向而相差1

8、80, 從而為單脈沖接收機提供了方向性。檢測到的角度誤差信號去控制驅(qū)動機構(gòu)使天線轉(zhuǎn)動, 改變其方位和俯仰, 當誤差為零時天線瞄準目標, 從而實現(xiàn)自動跟蹤的目的。這就是單脈沖雷達的工作原理。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 圖 10 3 饋源口面不對稱照射激起TE10、TE20模第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) (2) 相控陣雷達 一般雷達對目標的搜索是用機械掃描來實現(xiàn)的, 但這種搜索的速度有限, 而且一旦發(fā)現(xiàn)目標進入跟蹤狀態(tài), 就不能顧及來自不同方向的其他目標。相控陣雷達就能實現(xiàn)多個目標的同時跟蹤, 而且采用自動波束掃描方式實現(xiàn)快速搜索。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 相控陣雷達實際上是陣列天線的一種應(yīng)用, 它由為數(shù)

9、眾多的天線單元組成的陣列, 在計算機的控制下對各天線單元的射頻功率和相位進行控制，從而實現(xiàn)波束的掃描。由前面陣列天線的原理可知：當饋送給陣列天線單元的微波載波幅度與相位不同時, 就得到不同的天線陣列輻射方向圖, 當隨著時間的變化連續(xù)不停地改變單元之間的相位時, 便能使形成的波束在一定的空間范圍內(nèi)掃描。這就是稱其為“相控陣雷達”的原因。 相控陣雷達的組成原理與其他雷達一樣, 但相對要復(fù)雜一些, 實質(zhì)上它是由多部“子雷達”組成的“母雷達”, 天線波束的掃描、 組合和賦形以及雷達工作狀態(tài)的選擇、轉(zhuǎn)換、目標的識別等均由計算機來完成。它能在幾微秒之內(nèi), 使波束從一個方向變換到另一個方向, 其掃描速度之快

10、是機械掃描雷達望塵莫及的。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) (3) 合成孔徑雷達 要提高雷達的角分辨率, 必須增大天線的口徑或采用更短的工作波長。這兩方面的努力都受到實際條件的限制, 而用于衛(wèi)星和飛機上的雷達對天線的限制就更嚴了。 合成孔徑雷達是一種相干多卜勒雷達, 它分為不聚焦型和聚焦型兩種。 不聚焦型合成孔徑雷達是利用雷達天線隨運載工具的有規(guī)律運動而依次移動到若干位置上, 在每個位置上發(fā)射一個相干脈沖信號, 并依次對一連串回波信號進行接收存儲, 存儲時保持接收信號的幅度和相位。當雷達天線移動一段相當長的距離L后, 合成接收信號就相當于一個天線尺寸為L的大天線收到的信號, 從而提高了分辨率。所謂聚焦

11、型合成孔徑雷達是在數(shù)據(jù)存儲后, 扣除接收到的回波信號中由雷達天線移動帶來的附加相移, 使其同相合成, 分辨率更高, 當然處理也就變得更復(fù)雜了。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 微波中繼通信也稱為微波接力通信。由第7章可知, 微波在空間是直線傳播的, 設(shè)地球上A,B兩點天線的架設(shè)高度分別為h1,h2, 則由式（7 -2 -2）可得兩者間的最大傳輸距離為10.2 微波通信系統(tǒng)微波通信系統(tǒng)m1057. 3213vhh 天線架設(shè)高度一般在100m以下, 所以一般視距為50km左右。因此要利用微波進行遠距離傳輸，必須在遠距離的兩個微波站之間設(shè)置許多中間站（稱為中繼站），按接力的方式將信號一站一站傳遞下去，從而實

12、現(xiàn)遠距離通信，這種通信方式就稱為微波中繼通信。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 1. 微波中繼轉(zhuǎn)接方式微波中繼轉(zhuǎn)接方式 按傳輸信號的形式，微波中繼通信可分為模擬微波中繼通信和數(shù)字微波中繼通信。按中繼方式可分為基帶轉(zhuǎn)接、中頻轉(zhuǎn)接和微波轉(zhuǎn)接三種。 所謂基帶轉(zhuǎn)接，是在中繼站首先將接收到載頻為fI的微波信號經(jīng)混頻變成中頻信號, 然后經(jīng)中放送到解調(diào)器, 解調(diào)還原出基帶信號, 然后又對發(fā)射機的載波進行調(diào)制, 并經(jīng)微波功率放大后, 以載頻fI發(fā)射出去。所謂中頻轉(zhuǎn)接，是指在中繼站將接收到的載頻為fI的微波信號經(jīng)混頻變成中頻信號, 然后經(jīng)中放后直接上變頻得到載頻為fI微波信號, 最后經(jīng)微波功率放大后發(fā)射出去。顯然它沒有

13、上下話路分離與信碼再生的功能, 只起到了增加通信距離的作用，這樣設(shè)備就相對簡單了。所謂微波轉(zhuǎn)接, 是在中繼站直接對接收到的微波信號放大、變頻后再經(jīng)微波功率放大后直接發(fā)射出去, 這種轉(zhuǎn)接的設(shè)備更為簡單。第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)圖 10-4 基帶轉(zhuǎn)接的原理框圖第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 2.SDH數(shù)字微波通信系統(tǒng)數(shù)字微波通信系統(tǒng) 數(shù)字微波中繼通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一起被稱為現(xiàn)代通信傳輸?shù)娜笾饕侄巍Ｋ哂袀鬏斎萘看?、長途傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、投資少、建設(shè)周期短、維護方便等特點, 因此受到各國普遍重視。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 同步數(shù)字系列（SDH）是新一代數(shù)字傳輸網(wǎng)體制, 它是通信容量迅速增長、光纖通信持續(xù)

14、發(fā)展的產(chǎn)物。SDH的應(yīng)用很廣泛, 它不僅可用于光纖通信系統(tǒng), 而且在微波傳輸中也被大量采用, 從而成為數(shù)字微波中繼通信的主要方式。SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)廣泛采用一些新技術(shù)，諸如: 全新的基帶數(shù)字信號處理方式、高效率的數(shù)字載波調(diào)制技術(shù)、自適應(yīng)的發(fā)信功率控制技術(shù)等。SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)一般由終端站、樞紐站、分路站及若干中繼站組成,如圖 10 -5 所示。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)圖 10 5 SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)組成框圖第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 處于線路兩端或分支線路終點的站稱為終端站, 它可上、 下全部支路信號, 配備SDH數(shù)字微波傳輸設(shè)備和復(fù)用設(shè)備; 處于線路中間, 除了可以在本站

15、上、下某收、發(fā)信波道的部分支路外, 還可以溝通干線上兩個方向之間通信的站稱為分路站, 有時還完成部分波道的信號再生后繼續(xù)傳輸, 一般配備SDH數(shù)字微波傳輸設(shè)備和SDH分插復(fù)用設(shè)備, 有時還需再生型傳輸設(shè)備; 樞紐站一般處于干線上, 需完成數(shù)個方向上的通信任務(wù), 它要完成某些波道的轉(zhuǎn)接、復(fù)接與分接, 還有某些波道的信號可能需要再生后繼續(xù)傳輸, 故這一類站的設(shè)備最多; 中繼站是處于線路中間不上、下話路的站, 可分為信碼再生中繼和非再生中繼, 在SDH系統(tǒng)中一般采用再生中繼方式, 它可以去掉傳輸中引入的噪聲、干擾和失真, 這也體現(xiàn)了數(shù)字通信的優(yōu)越性。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 1. 微波遙感系統(tǒng)的工作

16、原理微波遙感系統(tǒng)的工作原理 現(xiàn)代遙感系統(tǒng)由遙感工作平臺、 遙感器、 無線電通信系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)組成,其中遙感工作平臺是安裝遙感儀器的運載工具; 遙感器是用來接收、 記錄被測目標電磁輻射的傳感器，如掃描儀、雷達等; 無線電通信系統(tǒng)用于控制、跟蹤遙感儀器設(shè)備和傳輸遙感器所獲得的目標信息; 信號處理系統(tǒng)用以分析、處理、解譯各種遙感信息。10.3 微波遙感系統(tǒng)微波遙感系統(tǒng)第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 微波遙感的一般過程是: 地面目標的電磁輻射通過周圍環(huán)境(如大氣)進入遙感器后，遙感器將目標的特征信息加以接收、 記錄和處理后, 再以無線電方式送給信息處理系統(tǒng); 信息處理系統(tǒng)將遙感信息進行加工處理, 變成人們

17、能夠識別和分析的信號或圖像。 微波遙感之所以能夠根據(jù)收集到的電磁輻射信息識別地面目標和現(xiàn)象, 是基于電磁波與物質(zhì)的相互作用 一切物質(zhì)由于其種類(性質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)等)和環(huán)境條件的不同, 它就具有完全不同的電磁輻射特性。當電磁波與物體(不論是固體、液體、 氣體還是等離子體)相遇時, 會發(fā)生各種相互作用, 并滿足動量和能量守恒定律。在物質(zhì)表面發(fā)生的相互作用稱為面效應(yīng), 電磁波透入物體表面以下一定距離發(fā)生的相互作用稱為體效應(yīng), 相互作用的結(jié)果會使入射波的振幅、方向、頻率、相位和極化等發(fā)生變化, 從而產(chǎn)生各種有用的特征信息, 以此便能識別不同的物體。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 2. 微波遙感器微波遙感器

18、(1) 微波輻射計 任何溫度高于絕對零度的物體, 都會有熱輻射, 熱輻射的波長范圍從1m到1m左右, 而熱輻射的頻率主要取決于物體的溫度和比輻射率。比輻射率表示物質(zhì)通過輻射釋放熱量的難易程度, 兩個在同樣環(huán)境中溫度相同的物體, 具有較高比輻射率的物體將更強烈地輻射出熱射線。圖 10-6所示就是微波輻射計的一種微波比較輻射計, 下面討論其工作原理。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)圖 10 6 微波比較輻射計工作原理圖第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 從天線接收到的微波輻射能量和參考負載在開關(guān)的控制下交替輸入到接收機, 開關(guān)周期s一般為10-310-1s。于是檢波前部分的輸入功率分別來自天線的信號和參考負載的噪聲功

19、率, 忽略輸入開關(guān)的上升、衰落時間對接收機波形的影響, 則平方律檢波后的直流電壓為()0/2()/2dARECsddREFRECssC GkB TTtuC GkB TTt (10-3-1)第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 式中, Cd為平方律檢波靈敏度(V/W), k為玻爾茲曼常數(shù), s為開關(guān)周期, G, B分別為濾波放大部分的增益和帶寬。則積分器輸出的平均電壓為2/2/0sssdtudtuGuddspout 式中, Gp為檢波輸出到積分器輸出間的電壓增益。 將式(10 -3 -1)代入式(10 -3 -2), 并令 Gs=2GpCdGkB, 則有(10-3-2)21REFASoutTTGu(10-3-

20、3)第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) (2) 微波成像雷達 主動式微波遙感器實質(zhì)上就是遙感雷達, 它向目標發(fā)射微波信號, 由于目標的幾何形狀、性質(zhì)不同, 接收到的回波的強度、 極化、 散射特性也不相同, 從而可以提取所需信息。 在遙感雷達中, 微波成像雷達是最典型的, 它能提供目標圖像, 因此得到了廣泛的應(yīng)用。微波成像雷達可分為真實孔徑側(cè)視雷達和合成孔徑側(cè)視雷達兩類, 在上一節(jié)已經(jīng)簡單介紹了合成孔徑雷達的工作原理, 下面主要介紹一下真實孔徑側(cè)視雷達(也稱為機載側(cè)視雷達)。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 機載側(cè)視雷達是將一個長的水平孔徑天線裝在飛機的一側(cè)或兩側(cè), 天線將微波能量集中成一個窄的扇形波束并在地面形成

21、窄帶, 如圖 10-7 所示。天線將脈沖微波能量相繼照射到窄帶上各點, 不同距離目標反射回來的回波在接收機中按時間先后分開, 一個同步的強度調(diào)制光點在攝影膠片或顯示器上橫掃一條線, 以便在與目標的地面距離成比例的地方記錄目標的回波, 當各條回波記錄好后, 再發(fā)另一個脈沖進行另一次掃描, 從而產(chǎn)生條帶狀的雷達圖像。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)圖 10 7 機載側(cè)視雷達地面航跡與照射窄帶示意圖第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng) 3. 微波遙感的應(yīng)用微波遙感的應(yīng)用 微波遙感除用在軍事上外, 還在民用方面， 諸如水文、 農(nóng)業(yè)、氣象等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如下表所示。 由此可見, 微波遙感在保護生態(tài)環(huán)境、 監(jiān)測自然災(zāi)害等

22、方面起著越來越重要的作用, 這在強調(diào)環(huán)境保護的今天尤為重要。 另一方面, 隨著遙感技術(shù)、 信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的進一步發(fā)展, 微波遙感的分辨率會進一步提高, 微波遙感勢必為人類的生存與發(fā)展作出更大的貢獻。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)系統(tǒng)主要由閱讀器, 應(yīng)答器和后臺計算機系統(tǒng)組成, 如圖10 8所示。它是利用無線電波將電子數(shù)據(jù)載體(即應(yīng)答器)中的數(shù)據(jù)非接觸地與閱讀器進行數(shù)據(jù)交換從而實現(xiàn)識別的系統(tǒng)。 由于RFID系統(tǒng)采用無線電技術(shù), 因此其具有在惡劣環(huán)境(如灰塵、雪、煙霧等)下可正常

23、工作、抗磨損、檢測范圍寬、閱讀速度快等特點, 故它被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)流水線管理、產(chǎn)品跟蹤、無鑰匙門禁、不停車收費、動物跟蹤、 出入口監(jiān)視、 交通管理等領(lǐng)域。 10.4 射頻識別系統(tǒng)射頻識別系統(tǒng) 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)圖 10-8 射頻識別器的組成框圖 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)1. RFID1. RFID的分類的分類RFID系統(tǒng)按數(shù)據(jù)量來分, 可分為1比特系統(tǒng)和電子數(shù)據(jù)載體系統(tǒng)。1比特系統(tǒng)只能識別“有響應(yīng)”和“無響應(yīng)”兩種狀態(tài), 該系統(tǒng)雖然不能區(qū)分各個應(yīng)答器, 但由于系統(tǒng)簡單、可靠,被廣泛應(yīng)用于商場的防盜系統(tǒng)中； 電子數(shù)據(jù)載體系統(tǒng)是一類編碼系統(tǒng), 每個應(yīng)答器都有一個識別碼, 同時還可以存儲1664

24、 kb的數(shù)據(jù), 而且一般需要將識別碼和數(shù)據(jù)調(diào)制到一個載波上。第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)RFID系統(tǒng)按工作頻段可分為低頻(50150 kHz, 13.56 MHz)、超高頻(260470 MHz)和微波(902928 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz)波段。低頻段的應(yīng)答器一般是無源的, 應(yīng)答器所需要的能量是由閱讀器通過耦合元件傳遞給應(yīng)答器的。因此, 一般情況下, 該類應(yīng)答器和閱讀器之間的有效距離是很近的,也稱之為密耦合。而微波波段的應(yīng)答器一般是遠距離系統(tǒng), 其作用距離從1 m到10 m甚至更遠。 第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng)2. 微波波段典型微波波段典型RFID的工作原理的工作原理 1) 微波1比特應(yīng)答器微波1比特應(yīng)答器是利用電容二極管的非線性特性和能量存儲特性來實現(xiàn)的,