微波毫米波新技術(shù)及應(yīng)用

1、4/4/2024,1,微波毫米波新技術(shù)及應(yīng)用,肖中銀 博士 上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,4/4/2024,2,主要內(nèi)容,微波技術(shù)學(xué)科的發(fā)展微波毫米波新技術(shù)近幾年的研究工作,4/4/2024,3,微波技術(shù)學(xué)科的發(fā)展,一、引言二、微波技術(shù)的早期歷史三、我國在微波技術(shù)方面的進(jìn)展四、微波技術(shù)的發(fā)展展望,4/4/2024,4,一、引言,“微波”介于普通無線電波（長波、中波、短波、超短波）與紅外線之間的電磁波波長與電路或元器件尺寸可

2、比擬?分米、厘米、毫米。通常,把30～300 GHz的頻域稱為近毫米波,把100～1000 GHz的頻域稱為遠(yuǎn)毫米波, 把 300～3000GHz的頻域稱為亞毫米波。電路?電磁場解（集中參數(shù)?分布參數(shù)）國內(nèi)外對微波定義的區(qū)別： 中國（1米-1毫米） 美國（微波30厘米-0.3毫米),4/4/2024,5,一、引言,4/4/2024,6,一、引言,微波的特點(diǎn) 波長短?易于實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射 雷達(dá)?利用無線電波的反射測定目標(biāo)的位置

3、波束寬度?目標(biāo)的方向 拋物面天線電磁波發(fā)射波束角: 其中，D和?分別是拋物面的直徑和波長 5?波束角(可以相當(dāng)精確定位)? ?=3cm, D=84cm??=10m,D=280m(困難),4/4/2024,7,一、引言,頻率高（絕對帶寬大）、信息容量大信道?傳遞某種信息所必須的頻帶寬度人耳能聽到的聲音頻帶范圍約20-20000Hz聽懂語言300-3400Hz相當(dāng)逼真?zhèn)鬟f語言和音樂6-15kHz傳送電視圖象和聲音

4、我國8MHz頻帶多路通訊?信道中心頻率必須是被傳遞信息頻帶寬度的幾十甚至上百倍渡越時間、趨膚效應(yīng)、輻射效應(yīng),4/4/2024,8,一、引言,能穿透電離層 視距傳播?傳輸距離依賴于天線高度 長波：沿地球彎曲表面?zhèn)鞑ィǖ夭▊鞑ィ?中波過渡到短波，地波衰減增大 短波：60-300公里電離層的折射（天波傳播） 超短波和微波：視距內(nèi)沿直線傳播（空間波?穿透電離層） 限制作用范圍到所需區(qū)域，減少干擾 中繼通信、衛(wèi)星通信、天文觀測,

5、4/4/2024,9,二、微波技術(shù)的早期歷史,1862年,J.C.Maxwell提出位移電流假設(shè).1865年,他首次用electromagnetic field 一詞.1885年,H.Hertz實(shí)驗(yàn).發(fā)明了拋物反射面天線.1893年,J.J.Thomson預(yù)言了圓波導(dǎo).1897年, L.Rayleigh分析了矩形和圓形波導(dǎo)理論.1910年,D.Hondros and P.Dbye給出了介質(zhì)圓柱導(dǎo)波原理.,4/4/2024,10,下一

6、步,總結(jié)對聽眾的要求總結(jié)您要進(jìn)行的工作,4/4/2024,11,,4/4/2024,12,二、微波技術(shù)的早期歷史,1920–1935: “The Waveguide Era Blossoms and MicrowaveCommunications and Radar are Born”,4/4/2024,13,二、微波技術(shù)的早期歷史,4/4/2024,14,二、微波技術(shù)的早期歷史,4/4/2024,15,,,SCR-584 anti

7、aircraft gunfire control radar,4/4/2024,16,,,Western Electric WE-700C magnetron.Manufactured during World Ware II, it produced about 40-kW peak power at 690–700 MHz. Body diameter is 5.8 in (14.8 cm). Two of the output p

8、robes have protective covers installed (courtesy of the Historical Electronics Museum).,4/4/2024,17,二、微波技術(shù)的早期歷史,4/4/2024,18,三、我國在微波技術(shù)方面 的進(jìn)展,4/4/2024,19,四、微波技術(shù)的發(fā)展展望,1.無線通信（數(shù)字微波、衛(wèi)星通信）2.毫米波技術(shù)3.隱形軍艦4.光控微波的應(yīng)

9、用5.微波輸能6.微波民用技術(shù),4/4/2024,20,1.無線通信（數(shù)字微波、衛(wèi)星通信）,廣義上說，用任何方法、通過任何媒質(zhì)將信息從一地傳送到另一地，均可稱為通信。但通信通常指為達(dá)到聯(lián)系目的．使用電的或電子的設(shè)施來傳送語言、文字、圖像等信息的過程．實(shí)際上是指電氣通信，簡稱電信。微波通信是現(xiàn)代通信的支柱之一。數(shù)字微波通信更因其具頻帶寬、容量大、抗干擾能力強(qiáng)、上下話路方便、容易加密、建站容易、投資少等特點(diǎn)而受到廣泛重視。,4/4/2

10、024,21,衛(wèi)星通信方面，從1945年克拉克提出三顆對地球同步的衛(wèi)星可覆蓋全球的設(shè)想以來，衛(wèi)星通信真正成為現(xiàn)實(shí)經(jīng)歷了20年左右的時間。先是諸多低軌衛(wèi)星的試驗(yàn)，而1957年10月4日原蘇聯(lián)成功發(fā)射的世界上第一顆距地球高度約1600km的人造地球衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了對地球的通信，這是衛(wèi)星通信歷史上的一個重要里程碑；1965年4月6日發(fā)射的“晨鳥”（Early Bird）號靜止衛(wèi)星標(biāo)志著衛(wèi)星通信真正進(jìn)入了實(shí)際商用階段，并納入了世界上最大的商業(yè)衛(wèi)星組

11、織INTELSAT的第一代衛(wèi)星系統(tǒng)IS-I。GEO商用衛(wèi)星通信以INTELSAT衛(wèi)星系統(tǒng)為典型，從1965年IS-I以來，至今正式商用的衛(wèi)星系統(tǒng)歷經(jīng)八代12種，目前正在研制第九代衛(wèi)星系統(tǒng)IS-IX。,4/4/2024,22,2.毫米波技術(shù),20世紀(jì)60年代激光技術(shù)的發(fā)展曾分散了人們對毫米波技術(shù)的注意,但從70年代開始,由于空間技術(shù)、軍事電子技術(shù)和其它科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,人們又迫切地要求開發(fā)界于微波到光波之間的電磁頻譜。與微波相比具有以

12、下特點(diǎn):頻帶極寬、波束窄、方向性好,有極高的分辨率;有較寬的多普勒帶寬,可提高測量精度。它與激光和紅外波段相比,具有穿透煙霧、塵埃的能力,基本上可全天候工作。,4/4/2024,23,2.毫米波技術(shù),在整個毫米波頻段有四個傳播衰減相對較小的大氣“窗口”，它們的中心頻率在35 GHz、94 GHz、140 GHz和220 GHz附近，相應(yīng)波長為8.6mm、3.2mm、2.1mm和1.4mm。這些“窗口”的帶寬分別為16GHz、23GHz、

13、26GHz和70GHz。因而任何一個毫米波“窗口”的可用帶寬幾乎都可以把包括微波頻段在內(nèi)的所有低頻頻段容納在內(nèi)。這些帶寬特性，在雷達(dá)中可用窄脈沖和寬帶調(diào)制技術(shù)獲得目標(biāo)的細(xì)部特征，在通信中能傳送更多的信息，大大拓寬現(xiàn)已十分擁擠的通信頻譜，為更多的用戶提供互不干擾的通道，也能為各種系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電磁兼容特性。,4/4/2024,24,3.隱形軍艦,4/4/2024,25,4.光控微波的應(yīng)用,自20世紀(jì)70年代以來，由于半導(dǎo)體激光器、集成光

14、學(xué)、光纖導(dǎo)波光學(xué)和微波單片集成電路(MMIC)的發(fā)展，以及兩者在半導(dǎo)體材料和工藝方面的兼容性，使得原來各自獨(dú)立發(fā)展的光波和微波兩門學(xué)科開始緊密結(jié)合，形成了新興的交叉學(xué)科——微波、毫米波光子學(xué)。目前已研制成光控增益放大器、光控分路收發(fā)開關(guān)、光控移相器、光控衰減器等光控微波功能組件。,4/4/2024,26,5.微波輸能,無線輸能技術(shù)，就是將電能轉(zhuǎn)化為電磁波，不借助其它任何傳輸線或波導(dǎo)，讓電磁波在自由空間中將能量傳送到目標(biāo)位置，再經(jīng)一定設(shè)

15、備轉(zhuǎn)化成電能，提供供電。,4/4/2024,27,,1964年美國雷聲公司首先進(jìn)行了微波驅(qū)動直升飛機(jī)試驗(yàn)，飛行高度約為18米,4/4/2024,28,,,日本進(jìn)行微波驅(qū)動飛機(jī)實(shí)驗(yàn),日本進(jìn)行微波驅(qū)動飛機(jī)實(shí)驗(yàn),4/4/2024,29,6.微波民用技術(shù),微波真空凍干技術(shù)微波爐微波生物效應(yīng),4/4/2024,30,微波毫米波新技術(shù),微波毫米波技術(shù)包括：微波技術(shù)、毫米波技術(shù)和天線技術(shù)。隨著科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，微波毫米波新技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，這

16、里就微波電路、射頻識別、微波遙感和數(shù)字微波通信等新技術(shù)方面進(jìn)行介紹。,4/4/2024,31,微波電路,微波毫米波因具有波長短、波束窄、頻帶寬、穿透能力強(qiáng)等一系列特點(diǎn)，從而使其器件和電路處在當(dāng)今微電子技術(shù)的重要發(fā)展前沿。隨著衛(wèi)星有效載荷小型化技術(shù)、相控陣?yán)走_(dá)和電子對抗等技術(shù)的發(fā)展，微波毫米波器件及其電路的地位日漸提高，以致使它成為突破或制約尖端技術(shù)的關(guān)鍵，已引起美國、日本、西歐等國家的極大關(guān)注。早在1990年美國就把微波半導(dǎo)體功率器件及

17、其電路列為國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心技術(shù)，投入大量的人力、物力、財(cái)力制定計(jì)劃并組織實(shí)施。,4/4/2024,32,微波電路,由于毫米波在軍事應(yīng)用上的特殊價值，使毫米波的學(xué)術(shù)交流、民用受到很大限制。而隨著軍事技術(shù)的不斷進(jìn)步，民間對毫米波技術(shù)無線商用的呼聲日益高漲，近幾年來一些處于技術(shù)前沿的國家先后60GHz毫米波附近劃分出數(shù)GHz的免許可連續(xù)頻譜（如歐洲、美國、加拿大、韓國將57-64GHz頻段劃分為免許可頻率），供用戶免費(fèi)使用，使得用戶無需負(fù)擔(dān)

18、昂貴的頻譜資源允許費(fèi)用，為毫米波技術(shù)在無線家庭和高帶寬領(lǐng)域的應(yīng)用掃清了障礙。這讓以WiHD和WiGig為代表的新一代無線高速傳輸標(biāo)準(zhǔn)都將其做為了新技術(shù)的基準(zhǔn)，讓其廣泛應(yīng)用的天空被打開。,4/4/2024,33,微波電路,近年來毫米波單片、高溫高功率電路和多功能的模塊電路成為研究重點(diǎn)，充分挖掘著第三代半導(dǎo)體材料寬禁帶半導(dǎo)體的潛力。微波毫米波器件及其電路的應(yīng)用領(lǐng)域，大量集中在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等方面。隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，美國已在擬定計(jì)劃，把聯(lián)邦

19、研究經(jīng)費(fèi)轉(zhuǎn)向民用。據(jù)此我們不難預(yù)料，微波毫米波器件及其電路今后也將主要在民用方面。近年來，其商業(yè)應(yīng)用已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，主要有移動電話、無線通信、個人通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、直播衛(wèi)星接收、甚小孔徑終端衛(wèi)星系統(tǒng)和自動防撞系統(tǒng)等。,4/4/2024,34,微波電路,1、T/R 模塊 由于半導(dǎo)體功能模塊不僅提高了整個系統(tǒng)的性能和可靠性，還減少了體積和重量，因而倍受青睞。目前，許多商業(yè)應(yīng)用都需要收/發(fā)電路，從而T/R

20、 模塊成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著無線通信系統(tǒng)的迅速增長，無線整機(jī)的小型化和低成本成為當(dāng)務(wù)之急，致使對高集成度多功能MMIC的需求增加，所以必須進(jìn)行微波電路的小型化、高集成化的研制。,4/4/2024,35,微波電路,目前在微波毫米波頻段，單一的芯片尚無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)級集成，而90年代發(fā)展起來的多芯片組件（MCM）技術(shù)將多個集成電路芯片和其它片式元器件組裝在一塊高密度多層互連基板上，成為一個獨(dú)立的系統(tǒng)級組件，解決了系統(tǒng)發(fā)展的矛盾，是目前能最

21、大限度的發(fā)揮高集成度，高速單片性能，實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化、高可靠、高性能的最有效的途徑之一。MCM技術(shù)己廣泛應(yīng)用于移動通信、航天航空和計(jì)算機(jī)等各個領(lǐng)域。微波毫米波技術(shù)發(fā)展主要集中于組件，子系統(tǒng)的研制，主要應(yīng)用于衛(wèi)星、電子對抗、雷達(dá)及制導(dǎo)靈巧武器的各個領(lǐng)域。,4/4/2024,36,微波電路,近年來有許多采用平面、單片MMIC 技術(shù)的小型接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的報(bào)道，但在小面積上得到的帶寬和轉(zhuǎn)換增益是很有限的。最近日本Ichihiko 等人利用三維MM

22、IC 技術(shù)在2.5um×4 的聚酰亞胺的薄膜結(jié)構(gòu)上研制了增益為20dB 的9.5～12GHz 的接收機(jī)和9.5～ 14GHz 的發(fā)射機(jī)。,4/4/2024,37,微波電路,該MMIC 由四層2.5um 聚酰亞胺薄膜和五層1um 的導(dǎo)電層疊在GaAs 晶片上。導(dǎo)電層通過通孔相互連接，有源器件如FET、電阻和電容制作在襯底上。這種結(jié)構(gòu)最明顯的特點(diǎn)是地金屬層設(shè)置在聚酰亞胺層的中間，無源電路層在地金屬層的上部或下部，并可在很小的區(qū)域內(nèi)

23、提供緊密(3dB) 且寬帶耦合的寬帶耦合器。,4/4/2024,38,微波電路,這種3D MMIC 技術(shù)由于其層疊效應(yīng)及線寬和間隔窄，從而大大減少了電路面積,增加了集成度。接收機(jī)在2mm ×2mm 芯片上集成了一個四級前端放大器、一個LO 放大器和一個鏡象抑制混頻器；發(fā)射機(jī)在1.9mm ×1.9mm 芯片上集成了一個帶平衡輸出的中頻放大器、一個LO 放大器、一個射頻緩沖放大器和一個平衡下變頻器。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在X 波

24、段的集成度分別為1.5 和2.3，幾乎是目前常規(guī)平面單芯片接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的3 倍。,4/4/2024,39,微波電路,T/R 模塊已越來越成為關(guān)鍵部件。相控陣?yán)走_(dá)上的電子掃描天線由連接在相控陣中的T/R 模塊組成，致使微波能量可直接在相控陣面上合成，使整個系統(tǒng)功率得到增強(qiáng)，并降低了雷達(dá)系統(tǒng)的損耗，從而相控陣?yán)走_(dá)不僅具有電子掃描的靈活性和同時跟蹤多個目標(biāo)的性能，并且可快速實(shí)現(xiàn)精密導(dǎo)航。,4/4/2024,40,微波電路,2、MPM 微波功

25、率模塊 為了滿足下一代雷達(dá)和電子戰(zhàn)有源相控陣對功放模塊的技術(shù)要求和機(jī)載環(huán)境等對尺寸、重量、效率、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性諸多方面的嚴(yán)格要求，提出了微波功率模塊(MPM ) 的開發(fā)計(jì)劃，這也是寬帶微波功率放大器的突破性進(jìn)展。,4/4/2024,41,微波電路,MPM 是把MMIC 驅(qū)動放大器、真空管功率提升器和電子電源調(diào)節(jié)器的最佳性能結(jié)合起來，以模塊形式提供系統(tǒng)應(yīng)用所需的性能，并且制造柔性化強(qiáng)、將來有可能替代相控陣?yán)走_(dá)用的全

26、固態(tài)T/R 模塊。美國制定的MPM 性能指標(biāo)是6～ 18GHz，輸出功率為50～ 100W，增益為50dB。 Northrop Grumman 公司自1991年以來一直從事MPM 的研究，已具有豐富經(jīng)驗(yàn)， 研制出的一系列MPM 包括2～ 6GHz、5～18GHz、6～ 18GHz 和毫米波功率模塊(MMPM )。,4/4/2024,42,微波電路,微波毫米波半導(dǎo)體器件是MMIC 的重要基礎(chǔ)，必須首先研究開發(fā)；發(fā)展寬帶MMIC 和功率MM

27、IC，頻率覆蓋1～100GHz?，F(xiàn)代電子戰(zhàn)特別迫切開發(fā)寬帶/超寬帶MMIC，以便迅速地變換電子裝備的工作頻率以達(dá)到克敵制勝的目的?，F(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)、通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng)等均對功率MMIC的需求日益增長，使之成為研究的重要領(lǐng)域。同時，加強(qiáng)全球定位系統(tǒng)(GPS)、移動通信電話和Ku 波段電視衛(wèi)星接收和通信用的MMIC的研制。,4/4/2024,43,微波電路,基片集成波導(dǎo)（SIW）結(jié)構(gòu)圖,4/4/2024,44,微波電路,優(yōu)點(diǎn)：超小型化、質(zhì)量輕、

28、低成本、表面安裝、易于集成、比微帶濾波器插損小、輻射小缺點(diǎn)：插損比波導(dǎo)濾波器大、加工一致性要求高、性能易受材料影響基片集成波導(dǎo)濾波器,4/4/2024,45,微波電路,,4/4/2024,46,射頻識別,RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即無線射頻識別。它是20世紀(jì)90年代開始興起并逐漸走向成熟的一種非接觸式自動識別技術(shù)，利用電磁場或電磁波為傳輸手段，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相

29、關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)。系統(tǒng)中的閱讀器將低頻的加密數(shù)據(jù)（載波信號）經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送。含有射頻卡的標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)后被激活，接受閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量，發(fā)出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息。,4/4/2024,47,射頻識別,這些信號或信息加密后變?yōu)楦哳l加密載波信號，然后經(jīng)由射頻卡內(nèi)高頻發(fā)射模塊發(fā)射出去。接受天線接收到射頻卡發(fā)來的載波信號，經(jīng)閱讀器處理后，提取出目標(biāo)識別碼送至計(jì)算機(jī)，完成預(yù)設(shè)的系統(tǒng)功能和自動識別

30、，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動化管理。 射頻識別卡RFID的廣泛應(yīng)用使其無源設(shè)計(jì)成為發(fā)展的一個趨勢，利用微波輸能來提供RFID所需的電源是一個很好的解決方法。如高速公路自動收費(fèi)系統(tǒng)中的RFID，圖像識別RFID，火車貨運(yùn)車皮RFID，石油管道RFID等等。,4/4/2024,48,射頻識別,,,用于RFID供電的整流天線,工作頻率為5.8GHz，軸比1.5 dB。當(dāng)發(fā)射的微波功率為32 dBm時，在距離2 米以上時，

31、輸出的直流電壓為1.3V。,4/4/2024,49,射頻識別,,RFID收發(fā)器,4/4/2024,50,射頻識別,RFID面臨的問題和挑戰(zhàn) （1） 隱私問題 很多企業(yè)在使用RFID標(biāo)簽追蹤商品流向的同時，也在無意中泄漏了顧客隱私。在購買物品時他們的身份已經(jīng)與物品鏈接，一旦再次通過某些商場或中心時，自己的身份就有可能被嵌入在服裝或隨身物品上的RFID標(biāo)簽泄漏。（2）安全性問題一些公司采用RFID技術(shù)對貨物的供應(yīng)鏈進(jìn)行管理，但它并

32、不希望其他競爭對手能通過貨物上的標(biāo)簽追蹤到貨物的行蹤及貨物種類。同樣，一些帶有與用戶金融信息有關(guān)的設(shè)備如果使用了RFID標(biāo)簽，那么與用戶帳戶相關(guān)的信息也應(yīng)該得到保護(hù)。（3）RFID融合問題 RFID技術(shù)面臨的另一個問題是如何將RFID技術(shù)融合到現(xiàn)有系統(tǒng)中。很多研發(fā)部門都希望通過RFID中間件解決這個問題，通過中間件提供的接口，將RFID系統(tǒng)與已有的后端系統(tǒng)相連。,4/4/2024,51,微波遙感,國際上微波遙感發(fā)展已有40 余年，我國微

33、波遙感發(fā)展也有30 余年。微波遙感是一個包括信息獲取、星上處理、傳輸、地面處理及應(yīng)用處理的全過程。從學(xué)科層面，包括基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)研究等方面。從基礎(chǔ)技術(shù)體系上考慮，包括微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)、微波高度計(jì)、微波雷達(dá)(合成孔徑雷達(dá))。,4/4/2024,52,遙感圖像的特征,空間分辨率 分辨率（像元大?。?平臺高度*角分辨率（弧度） D= H * IFOV如，飛機(jī)飛行高度8000米，角分辨率為2.5毫弧度，則地面

34、分辨率為： 8000m*2.5*10^3=20m,4/4/2024,53,不同空間分辨率的圖象,4/4/2024,54,不同空間分辨率的圖象,1 m,4/4/2024,55,不同空間分辨率的圖象,10 m,4/4/2024,56,不同空間分辨率的圖象,30 m,4/4/2024,57,不同空間分辨率的圖象,80 m,4/4/2024,58,微波遙感,微波遙感傳感器分類主動方式： 1、雷達(dá)（側(cè)視雷達(dá)）：

35、成像 2、微波高度計(jì)：不成像 3、微波散射計(jì)：不成像被動方式： 1、微波輻射計(jì)：成像 2、微波散射計(jì)：不成像,4/4/2024,59,微波遙感,1、成像雷達(dá)技術(shù)：合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar）是一種先進(jìn)的主動式微波遙感器。這種雷達(dá)在設(shè)計(jì)中通過雷達(dá)與目標(biāo)的相對運(yùn)動及單元雷達(dá)波合成技術(shù)，使其在普通雷達(dá)中可傲視群雄。因?yàn)榫屠碚摱?，雷達(dá)天線

36、越大，其探測監(jiān)視范圍也越大，但從隱藏性、機(jī)動性和生存需要等因素考慮，又不能將天線做得過大，如何解決這個問題呢？,4/4/2024,60,微波遙感,而SAR正是在這樣一種技術(shù)需求與客觀現(xiàn)實(shí)的矛盾中另辟蹊徑，它在方位探測上采用合成孔徑技術(shù)，即利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對運(yùn)動，把尺寸較小的真實(shí)天線孔徑——“小眼”用數(shù)據(jù)處理的方法合成一較大的等效天線孔徑，解決了雷達(dá)發(fā)展中的天線難題。合成孔徑雷達(dá)的分辨率高，與可見光、紅外傳感器比較具有獨(dú)特的優(yōu)勢和無法替

37、代的作用，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研和軍事等領(lǐng)域。目前在航空測量、遙感、衛(wèi)星海洋觀測、航天偵察、圖像匹配制導(dǎo)中正發(fā)揮著突出作用 。,4/4/2024,61,微波遙感,,4/4/2024,62,微波遙感,2、雷達(dá)散射計(jì)：最主要用于目標(biāo)后向散射特性研究和海洋風(fēng)場測量。目前為止它是唯一能給出海洋風(fēng)場的遙感器，幾十年來廣泛用于海洋探測和陸地散射特性測量中，發(fā)展出了一扇型波束的桿狀天線陣技術(shù)。近來一些專家正在發(fā)展扇型波束掃描技術(shù)以適應(yīng)各種平臺和

38、對系統(tǒng)簡化的要求。,4/4/2024,63,微波遙感,3、雷達(dá)高度計(jì)：主要功能是測量海面平均高度、有效波高和風(fēng)向。近年來為滿足更高測量精度的要求又發(fā)展了幾種新型雷達(dá)高度計(jì)，其中成像雷達(dá)高度計(jì)是中國專家在1988 年提出的，美國APL 專家發(fā)展了一種新的探測機(jī)理，延時多普勒高度計(jì)(DDA )，隨后中國專家也發(fā)展了高性能高度計(jì)(HipA )。,4/4/2024,64,微波遙感,4、輻射測量：是被動探測微波遙感器，用途很廣且比較簡單，已廣泛用

39、于氣象、海洋探測等，主要問題是空間分辨率有限。幾十年來在提高其分辨率方面進(jìn)行了大量研究，包括加大天線孔徑(巨大展開式天線)。值得注意的是利用孔徑合成技術(shù)提高其分辨率。美國、丹麥、中國等國已掌握了這一技術(shù)。此外發(fā)展全極化輻射計(jì)，開辟除散射計(jì)以外的能探測海洋風(fēng)場的新技術(shù)。,4/4/2024,65,微波遙感,我國微波遙感乃至整個空間應(yīng)用的科學(xué)基礎(chǔ)研究很薄弱，空間科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及配套設(shè)施很弱。特別要加強(qiáng)基礎(chǔ)器件及頻段器件(特別是毫米波、亞毫米

40、波器件) 的自主研發(fā)能力。要重視先進(jìn)材料研究，使星載系統(tǒng)輕型化、小型化和低耗功化。,4/4/2024,66,數(shù)字微波通信,SDH (Synchronous Digital Hierarchy)微波通信是新一代的數(shù)字微波傳輸體制，它兼有SDH 數(shù)字通信和微波通信兩者的優(yōu)點(diǎn)。由于微波在空間直線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，這種通信方式又稱為視距數(shù)字微波中繼通信。,4/4/2024,67,終端站包括：微波收發(fā)信設(shè)備、調(diào)制解調(diào)設(shè)備以及時分復(fù)用設(shè)備。,4/4/20

41、24,68,數(shù)字微波通信,發(fā)射機(jī)接收機(jī),無線通信系統(tǒng)模型,4/4/2024,69,數(shù)字微波通信,1、高速多狀態(tài)調(diào)制解調(diào)技術(shù) 微波是一種頻帶受限的傳輸媒質(zhì)，根據(jù)ITU - R建議，我國在4～11 GHz 頻段采用的波道間隔大都為28～30 MHz 及40 MHz ( ITU - R 相關(guān)的頻率配置建議) 。要在有限的頻帶內(nèi)傳輸SDH 信號，最有效的辦法就是采用高性能、高速度、多狀態(tài)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。SDH 傳送方式的特

42、點(diǎn)決定了在傳送相同話路或相同的2 Mbit/ s 接口數(shù)的傳輸方式中，SDH 微波所需占用的比特率要比PDH (Pseudo-synchronous Digital Hierarchy)微波所需占用的比特率高11%～20%。,4/4/2024,70,數(shù)字微波通信,2、自適應(yīng)交叉極化干擾抵消(XPIC) 技術(shù) 在SDH 微波傳輸?shù)那闆r下，為了提高頻譜利用率，經(jīng)常要采用同波道或插入波道交叉極化頻率再用技術(shù)。同波道型頻率再用方

43、式是使其主用波道與再用波道頻率完全重合，頻譜利用率較高；而對于插入波道型頻率再用方式，再用波道插在兩主用波道中間，頻率互相錯開，其抗干擾能力較好。為實(shí)現(xiàn)交叉極化頻率再用，需要加一個自適應(yīng)交叉極化干擾抵消器(XPIC) 用來減少來自交叉極化信號的干擾。原則上干擾抵消過程可在射頻、中頻或基帶進(jìn)行，對干擾的抑制能力一般可達(dá)15 dB 左右。,4/4/2024,71,數(shù)字微波通信,3、高線性功率放大器和自適應(yīng)發(fā)射功率控制 多

44、狀態(tài)調(diào)制技術(shù)對傳輸信道特別是對高功率放大器的線性提出了嚴(yán)格的要求，例如，對采用64 QAM的系統(tǒng)而言，要求傳輸信道的三階交調(diào)失真要比主信號至少低45 dB，若采用128 QAM 或256 QAM 調(diào)制技術(shù)，則要求更嚴(yán)。為滿足系統(tǒng)總傳輸性能的要求，除了對微波“功放”采取功率回退(Back - off ) 措施和功率合成技術(shù)外，還要采取一些非線性的補(bǔ)償技術(shù)，如采用微波預(yù)畸變法或前饋技術(shù)等來改善放大器的線性，而自適應(yīng)基帶預(yù)畸變法也是一種很有潛

45、力的線性化方法。,4/4/2024,72,數(shù)字微波通信,采用該技術(shù)后，有利于降低無線接入系統(tǒng)之間的干擾，減小平坦衰落對系統(tǒng)的影響,并可改善多級調(diào)制無線設(shè)備的線性以及增加其動態(tài)范圍。另外，因發(fā)信機(jī)在99%以上的時間內(nèi)均以比額定輸出功率低10～15dB的狀態(tài)工作，降低了電源消耗，使射頻放大器的功耗相當(dāng)于正常電平時的50%。,4/4/2024,73,數(shù)字微波通信,4、自適應(yīng)頻域和時域均衡技術(shù)及智能天線 當(dāng)系統(tǒng)采用高速多狀態(tài)調(diào)

46、制方式時，要達(dá)到ITU- R 所規(guī)定的性能指標(biāo)，對各種衰落必須采取相應(yīng)的對抗措施。在各種抗衰落技術(shù)中，ATPC (Automatic Transmit Power Control 微波發(fā)信機(jī)的輸出功率在ATPC的控制范圍內(nèi)可以自動地隨接收電平的變化而變化，即ATPC技術(shù)可以根據(jù)收信機(jī)的收信電平而自動調(diào)整發(fā)信電平，以克服電波衰落的影響)和備用波道倒換的方法主要用來對付平坦衰落，而對頻率選擇性衰落和多徑衰落則采用分集接收技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)

47、和智能天線技術(shù)。,4/4/2024,74,數(shù)字微波通信,在對抗多徑衰落技術(shù)方案中，智能天線從空間域角度提供了一條新途徑，它能識別不同入射方向的直射信號和反射信號，具有較強(qiáng)的抗多徑衰落和同波道干擾能力。另外，作為一種新型的抗衰落技術(shù)，其最大魅力在于對傳統(tǒng)信道進(jìn)行空分復(fù)用，從而成倍增加系統(tǒng)容量。,4/4/2024,75,數(shù)字微波通信,5、編碼調(diào)制與前向糾錯技術(shù) 為了取得更高的功率/頻譜利用率，采用了一種新技術(shù)，即把調(diào)制和糾

48、錯編碼結(jié)合起來統(tǒng)一設(shè)計(jì)的編碼調(diào)制技術(shù)，常見的有塊狀編碼調(diào)制(BCM) 、格狀編碼調(diào)(TCM) 、多級編碼調(diào)制(MLCM) 和LEE氏糾錯編碼技術(shù)。LEE 氏運(yùn)算規(guī)則下的多進(jìn)制線性分組糾錯碼，它在相同的冗余度的情形下有比BCH碼更好的糾錯性能和相位透明的特性，因而它與QAM 結(jié)合的方式在SDH 中有較多的應(yīng)用，可見LEE氏糾錯編碼是一種較好的糾錯方式。,4/4/2024,76,數(shù)字微波通信,典型的微波一點(diǎn)多址通信系統(tǒng),通常在基站安裝一部全

49、向天線，它在系統(tǒng)中同所有的用戶站(或中繼站) 相互傳送和接收微波信號。一般基站的塔高應(yīng)選擇得足夠高，以使所有的用戶站都能采用較低的簡易鐵塔。用戶站安裝一部定向天線，形式有喇叭天線、八木天線等。,4/4/2024,77,近幾年的研究工作,1.微波材料的吸波特性2.復(fù)雜媒質(zhì)中電磁波的傳輸3.平面波導(dǎo)導(dǎo)波特性4.微波電路設(shè)計(jì)：微波濾波器的設(shè)計(jì)。 具體包括：雙頻帶濾波器的設(shè)計(jì)， 超寬帶濾

50、波器的設(shè)計(jì)。,4/4/2024,78,微波濾波器,典型的通信接收機(jī),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Antenna,Tx RejectFilter,LNA,LO,Up Converter,,,,,,,,,,,Input Multiplexer,Power Amplifiers,,,,,,,,OutputMultiplexer,,4/4/2024,79,濾波器的應(yīng)用,天線接收的信號經(jīng)接收端帶通濾波器處理濾去

51、噪聲信號。變頻器輸出的信號包含有各種各樣的雜散信號，必須通過BPF提取有用信號。,,4/4/2024,80,微波濾波器回顧,1915年，德國科學(xué)家K．W．Wagner開創(chuàng)了一種以“瓦格納濾波器” 聞名于世的濾波器設(shè)計(jì)方法，與此同時，美國的G．A．Canbell則發(fā)明了另一種以圖像參數(shù)法而知名的設(shè)計(jì)方法。l9l7年，兩國的科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年美國第一個多路復(fù)用系統(tǒng)面世。從此許多科研人員開始積極地和系統(tǒng)地對采用集總元件電感和電

52、容的濾波器設(shè)計(jì)理論的研究。隨著濾波器設(shè)計(jì)理論的深入研究、材料領(lǐng)域的不斷進(jìn)步及工作頻率的日益升高，濾波器設(shè)計(jì)由原先的集總參數(shù)元件濾波器逐漸擴(kuò)展到分布參數(shù)元件濾波器。,4/4/2024,81,1939年，P．D．Richtmever報(bào)道了介電濾波器，由于當(dāng)時材料的溫度穩(wěn)定性不高使該種濾波器不足以實(shí)際應(yīng)用。2O世紀(jì)70年代以來，隨著陶瓷材料的發(fā)展，介電濾波器的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。近年來，小型化的趨勢促進(jìn)了各種類型微帶線濾波器的發(fā)展。20世紀(jì)8

53、0年代，出現(xiàn)了高臨界溫度超導(dǎo)材料，被認(rèn)為極有可能用于設(shè)計(jì)出極低損耗和極小尺寸的新穎微波濾波器。目前，高溫超導(dǎo)濾波器已逐步使用在軍事和商業(yè)領(lǐng)域。,4/4/2024,82,濾波器按頻率分類和性能,從頻率通帶范圍分類，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。性能：帶內(nèi)特性、帶外特性、帶寬。,4/4/2024,83,濾波器按頻率分類和性能,4/4/2024,84,濾波器主要參數(shù),4/4/2024,85,濾波器主要參數(shù),1. 中心

54、頻率：濾波器通帶的中心頻率 f o，一般取 f o =(f 1+f2)/2， f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB 或3dB 邊頻點(diǎn)。2. 通帶帶寬:BW=(f2- f1)。 3. 插入損耗: 由于濾波器的引入對電路中原有信號帶來的衰耗，以中心頻率處損耗表征。 4. 紋波:插損隨頻率在損耗均值曲線基礎(chǔ)上波動的峰－峰值。 5. 回波損耗:端口信號輸入功率與反射功率之比的分貝(dB)數(shù)，也等于-20lgρ，ρ為電壓反射

55、系數(shù)。,4/4/2024,86,濾波器主要參數(shù),,4/4/2024,87,微波濾波器根據(jù)結(jié)構(gòu)分類,微帶線濾波器,4/4/2024,88,微波濾波器根據(jù)結(jié)構(gòu)分類,同軸濾波器：同軸帶通濾波器廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等系統(tǒng)。同軸腔體具有高Q值、電磁屏蔽、低損耗特性和小尺寸等優(yōu)異特點(diǎn)，但要在10 GHz以上使用時，由于其微小的物理尺寸，制作精度很難達(dá)到。,4/4/2024,89,微波濾波器根據(jù)結(jié)構(gòu)分類,◆ 波導(dǎo)濾波器：波導(dǎo)帶通濾波器是一種選頻電路，

56、應(yīng)用在通信、電子戰(zhàn)、雷達(dá)、自動測量設(shè)備等的微波設(shè)備中，它易于與波導(dǎo)天線的饋電裝置連接，適于高功率的應(yīng)用，并且性能良好。在小信號電平上，它基本上是用在8～100GHz的頻率范圍。波導(dǎo)濾波器的主要功能是在通帶插入損耗和失真很小的前提下，提供足夠的阻帶選擇性。例如，在微波接收機(jī)中，波導(dǎo)帶通濾波器濾掉不需要的帶外信號，保持前端噪聲特性；在微波發(fā)射機(jī)中，減小不需要的頻譜，抑制發(fā)射機(jī)噪聲傳到接收機(jī)。波導(dǎo)帶通濾波器還應(yīng)用在各種微波多工器上，但其最大缺

57、點(diǎn)是尺寸明顯比其他可應(yīng)用在微波段的諧振器大?！?聲表面波（SAW)濾波器，陶瓷濾波器，高溫超導(dǎo)濾波器等等。,4/4/2024,90,微帶線濾波器,微帶線具有小的尺寸、通過光刻技術(shù)易于加工、與其他有源電路元件的易于兼容等優(yōu)點(diǎn)；另一大優(yōu)勢是能通過采用不同的襯底材料而在很大的頻率范圍內(nèi)得以應(yīng)用。,,4/4/2024,91,微帶線和諧振器,1.微帶傳輸線2.階躍阻抗諧振器（SIR）代替均勻阻抗諧振器（UIR） 傳統(tǒng)的傳輸線諧振器是均勻阻

58、抗諧振器（UIR），雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計(jì)而被廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，這樣的諧振器還存在不少的缺陷，如設(shè)計(jì)參數(shù)有限，雜散響應(yīng)的存在等等。而階躍阻抗諧振器（SIR）由于存在阻抗變化，比UIR多了一個設(shè)計(jì)的自由度，并可以抑制雜散響應(yīng)，因此，階躍阻抗諧振器（SIR）取代UIR成為必然。這種結(jié)構(gòu)也逐漸被大家所廣泛理解，并正發(fā)揮著它的巨大作用。,4/4/2024,92,UIR演變?yōu)镾IR,加載了電容的UIR很難在1GHz以上的頻率范圍內(nèi)使用，

59、其原因是隨著諧振器頻率改變含有集總元件電容C的電路損耗明顯增加，從而需要調(diào)節(jié)頻率。加載的電容C能被開路的傳輸線替代。當(dāng)Y2tanθ2’ = Y1tanθ2時，所有三個諧振器將在同一頻率上諧振。這樣，如果Z2<Z1，那么θ2’<θ2，諧振器長度能被縮短。,,,,,,(a）均勻 UIR,(b) 電容加載UIR,(c) SIR,Z2,Z1,,,,,,,,,,,,,,,,4/4/2024,93,濾波器結(jié)構(gòu)和特性,1. SIR的基本

60、結(jié)構(gòu)和特性2.諧振條件3.仿真設(shè)計(jì)4.優(yōu)化設(shè)計(jì),4/4/2024,94,1.SIR的基本結(jié)構(gòu)和特性,SIR是由兩個以上具有 不同特性阻抗的傳輸 線組合而成的諧振器。右圖給出微帶線結(jié)構(gòu) 的典型例子，圖中(a)(b)(c)分別是 λg/4、λg/2和λg 諧振器。,,,4/4/2024,95,2.諧振條件,如果忽視階躍非連續(xù)性和開路端的邊緣電容，Zi的表達(dá)式如下: Zi = jZ2(Z1tanθ1 + Z

61、2tanθ2)/(Z2 – Z1 tanθ1tanθ2),,設(shè)Yi=0,那么諧振條件為： Z2 = Z1tanθ1tanθ2 即 tanθ1tanθ2 = Z2/Z1 = Rz 從上面的公式，我們能理解SIR的諧振條件取決于θ和阻抗比Rz。一般的均勻阻抗諧振器(UIR)的諧振條件唯一的取決與傳輸線的長度，而對于SIR則同時要考慮長度和阻抗比Rz。因此說SIR比UIR多了一個設(shè)計(jì)一的自由度。此外，SIR一個顯著的特點(diǎn)就是能

62、通過改變阻抗比Rz來調(diào)整諧振器長度和相應(yīng)的雜散諧振頻率，使基本諧振頻率應(yīng)和雜散頻率盡可能離得遠(yuǎn)些。,4/4/2024,96,,,Line #1W=160,S=9,L=262,Line #2W=40,S=78,L=225,Line #3L=26,50 ohmW=54,3.BPF設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn),4/4/2024,97,利用Ansoft Designer軟件仿真設(shè)計(jì)此濾波器,,,,,1).繪制平面模型 2).設(shè)置軟件分析數(shù)值和分析圖

63、精度和范圍。,4/4/2024,98,3).軟件自動分析，并生成結(jié)果。,,中心頻率和帶寬都與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)非常接近，通帶兩邊沒有雜散響應(yīng)，插損在-3dB附近，回波損耗在-10dB附近 ,整體大小只有約500mil*350mil (1mil=0.0254mm) 。,4/4/2024,99,4.結(jié)構(gòu)優(yōu)化,1.耦合強(qiáng)弱對濾波器的影響,,,插損從-3dB猛然下降到了-15dB，回波損耗也上升到-2dB。,4/4/2024,100,插損和回波損耗

64、也與原先的非常接近，分別在-3.5dB和10dB附近，但是，在2.1GHz附近又產(chǎn)生一個性能不佳的雜散通帶，這將對帶通濾波器在通帶附近的衰減變得緩慢,從而對選頻帶來一定影響。 又通過一系列類似的微調(diào)耦合距離的仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：相對于這樣尺寸的兩個SIR進(jìn)行耦合組成BPF，上述第一個仿真實(shí)驗(yàn)中的耦合距離78mil正好為最佳的耦合距離。另外，還從這些實(shí)驗(yàn)中可以看出，耦合距離的遠(yuǎn)近對此類濾波器性能的影響非常大，是設(shè)計(jì)濾波器過程中一個極重要

65、的因素！,,4/4/2024,101,2.接地孔對濾波器的影響,,,,,4/4/2024,102,從接地孔越多造成接地槽介質(zhì)剩余越少，很自然地使人聯(lián)想到：接地槽也是一塊同樣材料的介質(zhì)，它肯定會對上面的階躍阻抗產(chǎn)生影響，從而妨礙到濾波器的性能。,通帶兩邊曲線比較光滑，沒有雜散頻率的影響 ，而且回波損耗曲線中的波紋也有大幅度改善 。,,,4/4/2024,103,3.諧振器長度對性能的影響,諧振器的長度決定了中心頻率的位置，它越長中心頻率越

66、小，反之 則越大，這和先前的理論分析是一致的。此外，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，line #2越長傳輸性能越好（越靠近0dB），但是回波損耗曲線中的波紋起伏問題將變得越突出。所以，為了調(diào)和這對矛盾，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終提出了一種比較折中的結(jié)構(gòu)，使得傳輸性能和回波損耗都比較理想。,,,4/4/2024,104,5.兩種結(jié)構(gòu)新穎的階躍阻抗型濾波器,1.三個SIR組成的BPF,,,,,中心頻率 1.74GHz，3dB帶寬為175MHz，則分?jǐn)?shù)帶寬為10.06

67、%，插損和回波損耗分別在-1.35dB、-15dB。雖然從圖中明顯的發(fā)現(xiàn)在通帶右側(cè)有一個寄生通帶，但是未出現(xiàn)在中心頻率的倍頻處，因此很好的起到了抑制寄生通帶，不會影響到BPF選頻和濾波的作用。,4/4/2024,105,2.錐形線型濾波器,我們嘗試?yán)脙蓚€錐形線諧振器來構(gòu)建一個新型的帶通濾波器。和SIR諧振器相比，錐形諧振器阻抗不連續(xù)性減小，這可以減小損耗。(1mil=0.0254mm),,4/4/2024,106,從結(jié)構(gòu)上看，該濾波器

68、造型新穎、尺寸達(dá)到微型化；從分析結(jié)果來看，該BPF的中心頻率在2.05GHz，3dB帶寬達(dá)到230MHz，則相對帶寬為11.22%，插損和回波損耗分別為-0.5dB、-31dB，并且在通帶兩邊都未產(chǎn)生雜散響應(yīng)。,,,4/4/2024,107,錐形線與SIR型濾波器比較,從濾波器的性能上來看，相同尺寸的錐形諧振器濾波器比SIR諧振器濾波器具有更寬的帶寬，帶內(nèi)具有更小的傳輸損耗和更大的反射衰減。該造型的濾波器在尺寸上的容錯性也比較好，當(dāng)長度