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题目:微波技术与天线的发展与应用学生姓名：高仁轩学号：08202053106院系：电子通信工程学院专业：08通信工程本（1）班2011年11月20日摘要：在经过多年的发展后，微波技术与天线已经越来越深入大众的生活当中，并且分支越来越细。本文主要阐述了微波技术与天线在过去的发展以及未来的研究方向和应用。正文：（一）微波技术的发展与应用随着科学技术的迅速发展和生产工艺的不断改进，微波技术已在许多工业生产领域得到应用。在国内，微波技术已应用于玻璃纤维、化工产品、保温材料、木材等的干燥，食品、医疗的灭菌、干燥和焙烤。并在医疗、环保、农业等领域也有所应用。微波技术的应用，提高了生产效率和产品质量，降低了能耗和环境污染，减轻了人的劳动强度，提高了生产效益。在国际上，许多工业发达国家都对微波的工业应用非常重视，把微波技术作为改进生产工艺和提高产品质量的重要手段。一、微波的特性1、似光性。微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的反、折射一样。同时微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性好、体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号，从而确定该物体的方位和距离，这就是雷达导航技术的基础。2、透光性。微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特性称为穿透性。例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（光波除外）。因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段。3、信息性。微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息。这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。4、非电离性。微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。而由物理学可知，分子、原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。二、微波应用1、微波加热原理与微波炉提起微波，很多人首先想到现代炊具微波炉。微波炉的微波加热原理是基于物质对微波的吸收作用而产生的热效应。微波加热的是一些能够吸收微波的吸收性介质，即含有极性分子的介质材料。当有极性分子的介质材料置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列在交变电磁场的作用下，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列，就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，实现分子水平的“搅拌”，从而产生大量的热量。由于微波频率高，极性分子摆动速度很快，因此，快速加热是微波加热的突出特点。水分子是极性分子，绕其对称轴的旋转频率为22吉赫，在此频率的水对微波产生共振吸收现象，对微波有很强的吸收作用。而一般食品中都含有水分子，因此可用微波快速烘干和烹调食品。微波炉是一种多功能、快捷、方便、能量转化均匀的加热工具。微波在生物内转化为热量的热效应，它不同于常规加热。常规加热是首先通过传导对流、辐射的传热方式加热固体周围的环境或固体表面，使固体的表面得到热量，然后再通过热传导的方式将热量传到固体内部，其加热介质可以是热空气、炉气、过热蒸汽，也可以是远红外线辐射等。这种加热方式效率低，加热时间长。而微波加热是一种“冷热源”，它在产生和接触到物体时，不是一般热气，而是电磁能，要在生物体内经过分子内部作用才能转化为热能。因此，使用这种能源加热时不会像其他能源那样由外向内传输热能，当内部发热时，外表就可能焦糊了。而使用微波进行加热时由于它能深入到物体的内部，所以是里外一起加热。另因物体表外的水分一般都较少，往往是里面的湿度高于表面的湿度，且内部物质如果质地相同时，也往往是同时加热，就不会出现加热体表面烧焦的现象，并能保护表面形状的色彩。所以，微波炉既能用于工业、医疗上进行加热与解冻、烘烤与干燥等，还能用于家庭进行烹饪、野外军事训练进行后勤保障的应用。2、微波的杀伤机理与微波武器什么是微波武器？微波武器是利用高功率微波束毁坏敌方电子设备和杀伤作战人员的一种定向能武器。用作武器的微波波长通常在30~3厘米、频率为1~30吉赫、输出脉冲功率在吉瓦级。目前，美、俄、英、法等国研制的微波武器主要分为两大类：一类是高功率微波波束武器，另一类是微波炸弹。微波武器的杀伤机理是基于微波与被照射物之间分子相互作用，将电磁能转变为热能而产生的微波效应，就其物理机制来讲，主要有以下三种效应：电效应、热效应和生物效应。基于这种原理，微波武器利用高增益定向天线，将强微波发生器输出的微波能量会聚在窄波束内，从而辐射出强大的微波射束（频率为1~300吉赫的电磁波），直接毁伤目标或杀伤人员由于微波武器是靠射频电磁波能量打击目标，所以又称“射频武器”。高功率微波武器的关键设备有两个，即高功率微波发生器和高增益天线。高功率微波发生器的作用是将初级能源（电能或化学能）经能量转换装置（强流加速器等）转变成高功率强脉冲电子束，再使电子束与电磁场相互作用而产生高功率电磁波。这种强微波将经高增益天线发射，其能量汇聚在窄波束内，以极高的强微波波束（其能量要比雷达波的能量大几个数量级）辐射和轰击目标、杀伤人员和破坏武器系统。微波武器的穿透力极强，能像中子弹那样杀伤目标（如装甲车辆）内部的战斗人员，如指挥人员、武器装备操纵人员等，从而瘫痪目标。与常规武器、激光武器等相比，微波武器并不是直接破坏和摧毁武器设备，而是通过强大的微波束，破坏它们内部的电子设备。实现这种目的途径有两条：其一是通过强微波辐射形成瞬变电磁场，从而使各种金属目标产生感应电流和电荷，感应电流可以通过各种入口（如天线、导线、电缆和密封性差的部位）进入导弹、卫星、飞机、坦克等武器系统内部电路。当感应电流较低时，会使电路功能混乱，如出现误码、抹掉记忆或逻辑等；当感应电流较高时，则会造成电子系统内的一些敏感部件如芯片等被烧毁，从而使整个武器系统失效。这种效应与核爆炸产生的电磁脉冲效应相似，所以又称非核爆炸电磁脉冲效应；其二是强微波束直接使工作于微波波段的雷达、通信、导航、侦察等电子设备因过载而失效或烧毁。因此，微波武器也被认为是现代武器电子设备的克星。三、微波技术的发展应用前景1、民以食为天，食品工业是我国迅速崛起的支柱产业。利用微波可对食品进行膨化、烘干、脱腥和保鲜处理。目前已用于糕点、牛肉于、土豆片、鱼片干、盐水鸭、腰果、花生米、瓜子、大豆、方便食品加工、茶叶杀青、干燥等方面的生产中。微波可对1-6cm厚的木板进行均匀、快速烘干，干燥只需十几分钟，且不开裂、变形小，同时杀死木材内部的卵虫和幼虫；也可对胶合板或拼板胶接的固化处理；竹制品干燥、灭霉杀菌等。2、用微波可在较低温度下灭菌杀虫。处理食品、药品、烟草、木材等。在70-80℃时就能起到杀虫灭菌作用.且升温速度快，不受物料厚度、形状影响。使用微波法处理废水，在降低了投资总额的前提下，处理后废水出水水质大大提高，可作为冲洗或绿化用水直接使用。4.3微波技术在医疗领域的应用前景。微波生物效应分热效应和非热效应。其热效应在医疗方面可进行微波理疗、配合放疗和化疗进行透热治癌；另外还可以利用微波加热血浆、解冻冷藏器官；还可设计微波手术刀，开刀止血快、出血量少。3、半导体生产工艺中已经采用微波等离子体技术，进行刻蚀、溅射、气相沉积、氧化硅片；还可用于金属、合金、非金属的表面处理；用于等离子体光谱分析，可检测十几种元素。微波测量精度高，适宜于生产中连续测量和自动控制。已广泛用于测距、测温、测厚、测速等方面。利用微波源进行加热干燥，就是将干燥物料处在真空条件下。在真空条件下，水的汽化温度低，实现了低温干燥，完好的保持了加工物料原有的色、香、味及营养成份，避免了物料中活性成分的氧化变质，制品复水性好；微波穿透至物料内部，回转系统驱动物料作回转运动，使物料受热更均匀，干燥更迅速，其运行成本远远低于冷冻干燥和红外干燥，节能降耗、卫生。（二）天线技术的发展与应用近年来无线技术的应用愈来愈广，过去各式各样的实际接线也都期望透过无线而获得去线化，使得天线必须依据各种场合需求而有更合适的变化提升。为了更快的传输率，ＷｉＦｉ已经开始使用ＭＩＭＯ（多组收发天线）技术，ＭＩＭＯ是实现智能型天线所必备的基础，ＭＩＭＯ虽然兴盛，但主要是用于固定式通信。所以，未来的发展方向则是趋向于智能天线和微型天线。一、智能型天线智能型天线有别于过去多半用单一天线进行收发，而是同时动用多组天线来强化收发效果。智能型天线的第一个好处是拓增频宽，倘若１组天线可以传输通量５５Ｍｂｐｓ，那么同时用上２组天线理想上就可获得１１０Ｍｂｐｓ的传输通量，但先决条件是发送与接收端都要同时具备与启用２组天线，以此类推也可以加增第３、第４天线，目前ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ的最高定义也是４组，４接收、４发送的４×４组态。除了简单的增组增通量外，事实上多组天线也可以实现更多以往单组天线所办不到的收发特性，以接收而言，多组天线同时接收，由于各天线有其方位差别，所接收到的信号也不尽相同，然而利用不同天线接收相同信号的些微差异，这个差异透过更后端的数字信号处理器进行比对、分析，如此原本对单组天线而言已经微弱（在传送路径中已经反射、散射性地减弱）到不能辨识的信号，也可透过这种多组接收比对使信号仍有机会再现，进而强化信号的接收性。此外，智能型天线也可以先向远处的收发端进行一个发波，之后接收发波反射的回应时间而得知受服务端的远近距离，得知距离后便可以依据远近的不同而发送不同功率的传输，Ａ装置较近就发送较低弱的功率，Ｂ装置较远就发送较强的功率，而不是对任何服务装置都发送相同功率，如此反而会增加干扰机会，适传距适功率也是智能型天线特性中的一环，此种技术机制一般称为ＢｅａｍＦｏｒｍｉｎｇ。更进一步的，智能型天线也因为天线数的增加而可以有方位性的应用，ＰＨＳ基地台所用的分空多方存取（Ｓｐａｃｅ－ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ，ＳＤＭＡ）即是运用智能型天线技术所实现。二、微型天线：平板、槽孔智能型天线是编码、调变、演算层面的信号技术，而另一个天线技术趋势是微型化，也称微型天线或微带天线，这是为了更合乎手持、掌上装置应用需求而有的新趋势。微型天线多半为平板型（Ｐｌａｎａｒ）设计，或同时用上多片平板的阵列平板（ＡｒｒａｙＰｌａｎａｒ）型，此外也有采行槽孔（Ｓｌｏｔ）型等设计。事实上微型天线依然是传统偶极天线，只是为了缩小体积而特别改变外貌，例如变化成圆形、椭圆形、环形、矩形、三角形等，以此让天线更短小轻薄，而天线背后的基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）则多是使用ＦＲ４的玻璃纤维印刷电路板（ＰＣＢ），以此能更符合电子应用产品的一体性设计。此也称为印刷式天线（ＰｒｉｎｔｅｄＡｎｔｅｎｎａ），印刷式天线可以是单偶、双偶、折偶等多种形式。另外，不与应用电路一体成形，而采用额外附加的微型天线也有贴片式的天线、表面黏着的天线，或者是螺旋状天线。