《微波電路基礎(chǔ)》課件第1章

第1章緒論

1.1微波的概念、特點(diǎn)與應(yīng)用1.2微波技術(shù)與微波電路1.1微波的概念、特點(diǎn)與應(yīng)用

1.1.1微波的概念

電磁波譜按頻率由低到高(波長由長到短)的次序排列如表1-1-1所示。從長波到微波統(tǒng)稱為無線電波。微波處在無線電波高端，其上端與光波的遠(yuǎn)紅外線銜接。光波包括紅外線、可見光和紫外線。粒子波包括X射線和γ射線。

微波的頻率范圍為300MHz~3000GHz，波長為0.1mm~

1m。微波頻帶內(nèi)又可進(jìn)一步細(xì)分，如表1-1-2所示。

廣播覆蓋長、中、短、超短波頻段，電視1~12頻道覆蓋米波(波長為1~10m)頻段，13頻道以上已延伸到微波頻段。移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、微波通信使用的頻率都處在微波頻段。

在軍事領(lǐng)域，慣用特定字母代表指定的微波頻段，如表1-1-3所示。1.1.2微波的特點(diǎn)

微波具有如下特點(diǎn)：

(1)微波具有獨(dú)特的大氣傳播特性，在大氣中的衰減比光波小，在雨、雪、塵、煙、霧環(huán)境中衰減也較小。此外，還有幾個(gè)衰減很小的窗孔頻段和高衰減頻段適于不同用途。

(2)比起長、中、短波，微波容易定向集中地把大功率能量傳到遠(yuǎn)方或容易探測到遠(yuǎn)方的微弱信號(hào)。

(3)微波能夠很容易地穿透大氣中的電離層，即使在原子彈爆炸產(chǎn)生大量等離子體和不均勻氣團(tuán)的環(huán)境下，某些微波頻率照樣能夠正常傳播。

(4)微波是無線電波中頻率最高的波段。作為通信載波，微波的信息容量大，雖然光波可承載更大容量的信息，但在空間無線傳播中無法取代微波。

(5)微波的波長和地球上大部分物體為同一數(shù)量級(jí)，散射作用強(qiáng)烈，是定位、探測中最廣泛應(yīng)用的頻段。

(6)微波能和物質(zhì)在分子量級(jí)上強(qiáng)烈作用，而不改變物質(zhì)的物理特性，在加熱、保鮮、干燥、治療、殺菌等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。

(7)在自然界中幾乎沒有微波大功率源，全靠采用現(xiàn)代高技術(shù)手段制造的特殊設(shè)備產(chǎn)生微波。1.1.3微波的應(yīng)用

由于具有以上特點(diǎn)，微波在國民經(jīng)濟(jì)特別是通信和軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且發(fā)展迅速。

(1)雷達(dá)是微波應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域。今天的雷達(dá)已不單單用于探測飛機(jī)，在機(jī)場、港口、飛機(jī)、輪船，甚至汽車、醫(yī)療等方面都有各種雷達(dá)在執(zhí)行特定的任務(wù)。

(2)宇宙通信、微波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等凡是與無線電通信有聯(lián)系的所有通信手段無不與微波相聯(lián)系。

(3)測量遙遠(yuǎn)星空的射電天文望遠(yuǎn)鏡、天氣預(yù)報(bào)的大氣動(dòng)向監(jiān)測、遙感地面作物長勢及森林火情、水下暗礁及冰山的測量、人體內(nèi)部病灶的探測與治療等都是微波所涉足的領(lǐng)域。

(4)軍事上除雷達(dá)、通信外，干擾與反干擾的電子戰(zhàn)、飛行導(dǎo)彈的精確導(dǎo)引和引爆以及精確定位跟蹤等都離不開微波。

(5)微波加熱、微波保鮮、微波干燥、微波殺菌等越來越多的新領(lǐng)域?yàn)槲⒉ǖ母鼜V泛應(yīng)用提供了新的發(fā)展機(jī)遇與美好的未來。

1.2微波技術(shù)與微波電路

微波技術(shù)是開發(fā)和利用微波為人類服務(wù)的科學(xué)理論和技術(shù)的總稱，包括微波的產(chǎn)生、傳輸變換(包括幅度、頻率、頻譜)、測量、輻射、傳播及利用等的一切理論和方法。除了輻射由天線實(shí)現(xiàn)，空間傳播屬電波理論的研究范疇外，其他技術(shù)均與微波電路有關(guān)。導(dǎo)引微波信號(hào)(能量)沿一定方向在規(guī)定范圍內(nèi)傳輸?shù)脑O(shè)備稱為微波傳輸線。微波傳輸線是微波頻率下的電路導(dǎo)線。由于微波的特點(diǎn)，其傳輸線的種類很多。其中，雙導(dǎo)線只適用于米波波段；同軸線是分米波波段的最佳傳輸線；厘米波波段最實(shí)用的傳輸線是波導(dǎo)；小功率無源電路以帶狀線為最佳；小功率、小體積有源電路則是微帶線的應(yīng)用領(lǐng)域;應(yīng)用于毫米波頻率以上的傳輸線還有介質(zhì)波導(dǎo)、鏡像線、波束傳輸線等；有源和無源電路中還用到懸?guī)Ь€、鰭線、共面線、槽線等；光纖屬于介質(zhì)傳輸線。因此，微波傳輸線的第一個(gè)特點(diǎn)是種類繁多，結(jié)構(gòu)差異大且互相不可替代。其次，微波傳輸線雖然絕對(duì)長度一般不大，但由于微波頻率高，波長短，其長度和波長可比擬，即等于、小于、大于波長，其電長度l/x很大，故微波傳輸線都是“長線”。第三，微波傳輸線在導(dǎo)引信號(hào)沿線傳輸時(shí)，周圍空間同時(shí)存在電磁波。所以，電磁波存在的空間及媒質(zhì)也是傳輸線的組成部分，不給周圍空間媒質(zhì)留出電磁波的傳輸空間的微波傳輸線是不存在的。空間媒質(zhì)中的電磁波和線上的電荷變化服從麥克斯韋方程組的旋度關(guān)系及邊界條件，因此與電場相關(guān)的分布電容和與磁場相關(guān)的分布電感對(duì)傳輸線的特性起決定性作用。第四，微波頻率的信號(hào)或能量沿傳輸線在傳播方向上是波動(dòng)式行進(jìn)的，即線上的電荷變化和與它聯(lián)系的電磁場以波動(dòng)方式傳播，每一個(gè)截面上的電場、磁場、電壓、電流都不相同且隨時(shí)間變化。綜上所述可知，發(fā)生在微波傳輸線上的物理現(xiàn)象遠(yuǎn)比傳統(tǒng)導(dǎo)線復(fù)雜得多，所以，傳輸線理論是微波技術(shù)的理論基礎(chǔ)。微波電路是各種微波設(shè)備的核心，它是由各種微波網(wǎng)絡(luò)用傳輸線聯(lián)系而組成的。微波網(wǎng)絡(luò)是完成特定信號(hào)變換作用的電路功能塊，如濾波器、混頻器、放大器、功分器、阻抗匹配器、定向耦合器等。微波網(wǎng)絡(luò)的最基本單元是各種微波元件，如匹配負(fù)載、波導(dǎo)膜片、銷釘與窗孔以及各種諧振器、環(huán)行器、微波分支電橋等。微波元件和微波網(wǎng)絡(luò)都是以對(duì)外聯(lián)接端口數(shù)來分類的，如一端口、二端口、三端口、四端口等。描述網(wǎng)絡(luò)特性的方法是定義網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。微波網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)除了確定電壓和電流關(guān)系的阻抗、導(dǎo)納和轉(zhuǎn)換參數(shù)外，還有確定端口入射波和反射波關(guān)系的散射參數(shù)和傳輸參數(shù)。最復(fù)雜的微波電路是微波系統(tǒng)。微波系統(tǒng)的組成框圖如圖1-2-1所示。從該圖中可以清楚地看出微波電路在設(shè)備系統(tǒng)中的核心作用以及微波電路本身的內(nèi)容。除電真空器件部分外，微波電路的所有其他部分都是本書所涉及的內(nèi)容。雙導(dǎo)線雖然是傳輸線理論的分析模型，但實(shí)際主要應(yīng)用在米波頻段，所以在微波傳輸線中未將其列入。其他微波傳輸線如介質(zhì)傳輸線、波導(dǎo)鰭線、共面線、懸?guī)Ь€、槽線等，本書沒有仔細(xì)研究，也沒有列入。但它們的參數(shù)與常用傳輸線有共同之處。只要熟練掌握了傳輸理論，結(jié)合其他參考資料，實(shí)用設(shè)計(jì)知識(shí)也不難掌握和運(yùn)用。圖1-2-1微波系統(tǒng)的組成框圖(虛線框內(nèi)為本書介紹的微波電路部分)微波電路按其是否需要電源又分為有源電路和無源電路兩大類。微波振蕩器、放大器、混頻器、變頻器、控制電路(開關(guān)、衰減、移相、調(diào)制等)都屬于有源電路，也叫微波電子線路。有源電路的共同特點(diǎn)是必須有需要供電的核心電真空或半導(dǎo)體元件，也稱微波電子器件，如肖特基勢壘二極管、變?nèi)莨?、階躍管、雪崩管、體效應(yīng)管、PIN管、雙極晶體管、場效應(yīng)管、高電子遷移率晶體管(HEMT器件)等。微波無源元件簡稱為微波元件，如匹配負(fù)載、短路活塞、各種波導(dǎo)電抗元件(膜片、窗孔、銷釘、螺釘)、衰減器、移相器、阻抗匹配器、各種轉(zhuǎn)換器、濾波器、諧振器、功率分配器、環(huán)行器、隔離器、各種定向耦合器等。它們起低頻電路中電阻、電感、電容、電位器、繼電器等基本無源元件的作用，但其功能及發(fā)生在元件內(nèi)的物理過程遠(yuǎn)比低頻元件復(fù)雜得多。微波元件的最主要特點(diǎn)是分布參數(shù)，雖然有些微波元件在一定條件下可用集中參數(shù)元件等效，但其基本理論體系是建立在微波傳輸線理論基礎(chǔ)上的另一套全新體系。微波電路的最大魅力在于：同一網(wǎng)絡(luò)功能的電路與元件可以用不同種類的傳輸線和各種不同的元器件組合實(shí)現(xiàn)，因而其成本、性能、結(jié)構(gòu)差異非常大。在市場經(jīng)濟(jì)中，如何在特定應(yīng)用的設(shè)備中用最低成本實(shí)現(xiàn)最佳性能存在激烈的技術(shù)競爭，因而設(shè)計(jì)人員的能力與水平非常重要。微波電真空器件在大功率、高頻率方面至今仍占獨(dú)特優(yōu)勢，如磁控管、回旋管、