1-2微波技术的发展和应用

1-2微波技术的发展和应用一、微波技术的发展工作频段向高频段发展小型化、宽带化自动化、智能化发展方向二、微波技术的应用雷达通信科学研究生物医学微波能微波应用1901年马可尼使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验，从此，在自由空间中飞翔的电波替代了信鸽。20世纪20年代初：短波通信20世纪60年代：卫星通信20世纪80年后：移动通信1.通信方面的应用由于微波频带宽，信息容量大，因此微波可用于多路通信。在有线通信方面，利用同轴电缆可以同时传送几千路和几路电视信号；在无线通信方面，利用微波的中继接力传送电视信号，利用微波能穿透电离层的特性，可进行卫星通信和宇航通信，利用外层空间三颗互成120°角的同步卫星，就能实现全球通信和电视实况转播。移动通信全球定位系统(GPS)蓝牙技术广播电视中继通信卫星通信国外发达国家的微波中继通信在长途通信网中所占的比例高达50%以上。紧急状态下的通信无线微波接入网络WLAN各波段的无线电波传播特性是不一样的：长波可以沿着地球的弯曲表面传播到很远，这种传播方式叫地波。从中波过渡到短波，地波的衰减逐渐增大，传播距离逐渐减小。但短波可以借助60～300km高空的电离层折射返回地面，这种传播方式叫天波。短波通信就是利用了天波，它可实现远距离通信，但不够稳定，因为电离层的密度和高度随季节，昼夜以及太阳的活动而变化。到了超短波和微波波段，地波的衰减更大，已无法利用。同时，这个波段的电磁波一般不能被电离层折射返回地面，它能穿过电离层，因此不能采用天波的传播方式。超短波和微波只能在视距内沿直线传播，并能穿过电离层到达外层空间(视距传播)，这种传播称为空间波。空间波的传播有它有利的一面，也有不利的一面。有利方面是可以把作用范围限制在我们所需要的区域内，以避免干扰。同时由于微波可以穿透电离层而不像频率较低的电磁波那样被电离层折返或吸收，因此，地球和宇宙之间的通信、卫星通信等必须使用微波。不利一面是明显的，即在地球上它不能直接传播到很远的地方（一般不超过50km）。因为地球表面是弯曲的球面，一个高100m的发射天线其作用半径只有约40km。当然，天线越高作用半径越大，但架设很高的天线是困难的。为了解决微波传播距离有限这个困难，通常采用以下几种方法：中继通信(接力通信)：在相距很远的发射台与接收台之间设立若干中继站(接力站)，站与站之间的距离不超过视距。这样，微波信号就可以像接力棒一样一站一站地传递过去。古代的烽火台和驿站传书就是中继通信的应用例子。散射通信：在距地面上几十千米以内的大气层叫做对流层，可以利用它对微波的散射作用进行距壁通信。卫星通信和卫星广播：如前所述，微波天线架设得越高通信距离越大，广播的服务半径也越大。如果把中继站或发射台及其天线放到人造卫星上去，那么，这个中继站或发射台的作用距离就可以大大增加。这就是目前在国际或国内通信及电视转播和广播中占重要地位的卫星中继通信或卫星电视广播。目前广泛使用的是在赤道上空距地面约36000km的同步轨道上的卫星。在这个轨道上卫星公转周期恰好等于地球的自转周期，从地面上看，卫星是固定不动的，这种卫星称为同步卫星，三颗这样的同步卫星就可覆盖全球的大部分面积(南北极除外)。蓝牙技术：“蓝牙”（Bluetooth）原是一位在10世纪统一丹麦的国王，他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一了起来。用他的名字来命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。蓝牙技术是一种短距的无线通讯技术，电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来，省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的电子产品能够在10m的距离内彼此相通，传输速度可以达到每秒钟1兆字节。以前红外线接口的传输技术需要电子装置在视线之内的距离，而现在有了蓝牙技术，这样的麻烦也可以免除了。WLAN（无线局域网）：WLAN是WirelessLocal-areaNetwork的缩写，即无线局域网。是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。通俗地说，无线局域网就是在不采用传统电缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能。在室内和小规模园区无线覆盖。GPS（全球定位系统）原理：24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻、地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。GPS前景：由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。2.“电子战”的核心－国防应用现代的战争，已经不再单纯以杀伤对方的有生力量为主要目的，而越来越倾向于以电子信息的获取与反获取为核心的“电子战”。南联盟战争与伊拉克战争充分说明了这一点。而微波技术，恰恰是所有信息传输的基础技术。雷达电子对抗雷达是微波技术的早期应用，正是由于第二次世界大战期间对于雷达的需要，微波技术才迅速发展起来。雷达设备可以利用微波信号准确地测定目标的方向、距离和速度，从而对运动目标实现定位、跟踪和识别。目前，用于军事上的有制导雷达、跟踪雷达、警戒雷达和炮瞄雷达等；用于民用上的有导航雷达、气象雷达和遥感雷达等。雷达是微波技术应用的典型例子。在第二次世界大战期间，敌对双方开始了迅速准确地发现敌人的飞机和舰船的踪迹，继而又为了指引飞机或火炮准确地攻击目标，所以发明了可以进行探测、导航和定位的装置，这就是雷达。事实上，正是由于第二次世界大战期间对于雷达的急需，微波技术才迅速发展起来。雷达的发展经过了几个阶段。为适应各种不同要求，雷达的种类很多，性能也在不断提高。现代雷达多数是微波雷达。迄今为止，各种类型的雷达，例如导弹跟踪雷达、炮火瞄准雷达、导弹制导雷达、地面警戒雷达乃至大型国土管制相控阵雷达等，仍然代表微波频率的主要应用。这主要是由于这些雷达要求它所用的天线能象光探照灯那样，把发射机的功率基本上全部集中于一个窄波束内辐射出去。①雷达－微波技术的最初动力微波波长短易于实现窄波束定向辐射：例：常用的抛物面天线，它所发射电磁波的主波束角约等于140/D其中D为抛物面直径，λ为波长。为了得到波束角为5°的波束，就必须使直径为波长28倍的抛物面，即使选用短波段的最短波长(10m)，也要使用一个直径达280m的抛物面天线，这样大的天线建设在地面上已十分困难，更不用说装在船舶或飞机上了。而如果选用微波波段，例如3厘米波段，则一个直径84cm的抛物面天线就可获得同样窄的波束，这样的天线装在小型歼击机上也不困难。因此，只有掌握了微波波段，才能使雷达的实现成为可能。短波10m，直径280m微波3cm，直径84cma)军事应用：空间和海事导航，飞机、导弹、空间飞行器的定位、检测和跟踪，导弹的精确制导，导弹和火炮的点火控制，武器保险、侦察等。b）公共应用：机场监视、海上导航、气象雷达、测量学、飞机着陆、夜间防盗、速度测量（警戒雷达）、测绘等。c）科学应用：天文学、绘图和成像，精密距离测量，自然资源遥感等。②电子对抗技术电子对抗就是敌对双方为削弱、破坏对方电子设备的使用效能，保障己方电子设备发挥效能而采取的各种电子措施和行动，又称电子战。电子对抗分3个方面：电子对抗侦察、电子干扰和电子防御。电子干扰抗干扰主动干扰其它干扰微波成像、遥感环境应用：沙子潮湿的测量、海洋表面的风速、洪水绘图、大气层温度的轮廓、雪层/冰层的测绘等。军事应用：目标检测、监视、目标确认、绘图等天文学应用：行星绘图、银河星系射电噪声目标的测绘、太阳辐射测绘、宇宙黑体辐射的测量等。③微波的其他应用3.在微波能方面的应用源加热处理（快速均匀）消毒（杀虫灭菌）微波能量传递微波弹4.在生物医学方面的应用诊断：（磁共振）热效应：微波理疗、组织固定。治疗非热效应：免疫组织化学和免疫细胞化学研究。微波物理微波化学微波吸收光谱学微波等离子体化学交叉学科5.在科学研究方面的应用微波可以作为科学研究的一种重要手段。根据各种物质对微波吸收的不同，可以用来研究物质的内部结构；利用大气对微波的吸收和反射特性，来观察气象的变化；在射电天文学中，利用微波作为一种观测手段，可以发现新的星体。在生物医学方面的应用