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第2章
微波与光波的基本物理现象及特性

2.1　微波的基本特性及其应用简介

2.1.1　电磁波谱及其应用

① 电磁波谱的划分如图2.1所示。从图可知，在现代无线电应用中，射频波段占据了约80%的电磁频谱。

图2.1　电磁波谱的划分

② 电磁波谱的应用：电磁波谱的应用如表2.1所示。

表2.1　电磁波谱的应用

（续表）

2.1.2　微波的基本概念

1. 微波的定义

微波是指频率为300 MHz～300 GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长为1 m～0.1 mm的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。

2. 微波的性质

微波的基本性质通常表现为穿透性、反射性和吸收性三个特性。玻璃、塑料和瓷器几乎不吸收微波，水和食物等则会吸收微波而使自身发热，金属类物体会反射微波。微波作为一种电磁波具有波粒二象性。微波传输满足光学原理，直线传播。从电子学和物理学观点来看，微波具有如下重要特性。

（1）穿透性

微波比其他用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等的波长更长，因此具有更好的穿透性。当微波穿透介质时，由于微波能与介质发生一定的相互作用，以微波频率2450 MHz为例，它能使介质的分子每秒产生二十四亿五千万次震动，介质的分子间互相产生摩擦，引起介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。因此，微波在工程上有广泛的应用，如下所述：

• 微波（特别是厘米波）信号能穿透电离层，打开了人们探测外层空间的宇宙窗口；

• 微波能穿透云雾、植被、积雪和地表层，具有全天候工作能力，是遥感技术的重要手段；

• 微波能穿透生物组织，是医学透热疗法的重要方法；

• 微波能穿透等离子体，是等离子体诊断与研究的重要手段。

（2）选择性加热

物质吸收微波的能力主要由其介质损耗因数来决定，介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强；相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力就弱。由于各物质的损耗因数存在差异，采用微波加热时表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，其介质损耗因数很大，对微波具有较强吸收能力。而蛋白质和碳水化合物等的介质损耗因数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。

（3）热惯性小

微波对介质材料是瞬时加热升温，升温速度快。另外，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性地随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

（4）似光性和似声性

微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机、舰船、汽车、建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上，因此微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性，故此采用微波工作能使电路元器件尺寸减小，使系统更加紧凑，可以制成体积小、波束窄、方向性很强、增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。

由于微波波长与物体（实验室中的无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。例如，微波波导类似于声学中的传声筒，喇叭天线和缝隙天线类似于声学喇叭、萧和笛，微波谐振腔类似于声学共鸣腔。

（5）非电离性

微波量子的能量为1.99×l0−25～1.99×10−21焦耳，不够大，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键。然而，部分物质除外，如微波可对废弃橡胶进行再生，可通过微波改变废弃橡胶的分子键。另外，分子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，因而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，从而形成了一门独立的微波波谱学。

（6）信息性

由于微波频率很高，所以在相对带宽不宽的情况下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的，这意味着微波的信息容量大，所以移动通信、多路通信、图像传输、卫星通信等系统几乎无例外都工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息、极化信息和多普勒频率信息，这在目标检测和遥感目标特征分析等应用中十分重要。

3. 微波的主要优点

① 频带宽：可传输的信息量大。

② 分辨率高：连续波多普勒雷达的频偏大，成像更清晰，反应更灵敏。

③ 尺寸小：电路元器件和天线体积小。

④ 干扰小：不同设备间干扰小。

⑤ 速度快：数字系统的数据传输和信量处理速度快。

⑥ 频谱宽：频谱不拥挤，设备工作更可靠。

4. 微波的不足之处

① 元器件成本高。

② 辐射损耗大。

③ 大量便用GaAs器件而不是通常的Si器件。

④ 电路中元器件损耗大，输出功率小。

⑤ 设计工具精度低，成熟技术少。

2.1.3　微波工程中要解决的核心问题

1. 微波铁三角

由于频率、阻抗和功率是贯穿微波工程的三大核心指标，故将其称为微波铁三角，它能形象地反映微波工程的基本内容。三大核心指标间既有独立性，又相互影响，图2.2展示了微波频率、阻抗和功率的铁三角关系。

图2.2　微波频率、阻抗和功率的铁三角关系

2. 铁三角关系内涵

（1）频率

频率是微波工程中最基本的参数，对应系统的频谱范围，决定了微波电路的结构形式和元器件材料。影响微波信号频率的装置如下所述。

① 信号产生器：用来产生特定频率信号，如低频振荡器、机械调谐振荡器、压控振荡器和频率合成器等。

② 频率变换器：用来将某一个频率的信号变为另一个所希望频率的信号，如分频器、变频器、倍频器和混频器等。

③ 频率选择装置：用于在复杂的频谱环境中选择所关心的频谱范围。经典的频率选择装置是滤波器，如低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器等。近些年发展起来的高速电子开关，由于其体积小，在许多方面取代了滤波器用于实现频率选择。

（2）功率

功率可描述微波信号能量的大小。影响微波信号功率的主要装置如下所述。

① 衰减器：用于控制微波信号功率的大小。通常由有耗材料（电阻材料）构成。

② 功分器：是将一路微波信号分成若干路的组件，可以等分，也可以按比例分配。功分器也可用作功率合成器，在各个支路上接收同频率同相位的等幅信号，在主路上叠加输出。

③ 耦合器：是一种特殊的分配器，通常耦合一小部分功率到支路，用以检测主路信号的工作状态。耦合器可分为支线耦合器和环形桥耦合器，以实现不同相位和功率的分配／合成。

④ 放大器：是一种提高微波信号功率的装置。小信号放大器用于接收，该类放大器主要要求低噪声、高增益；功率放大器用于发射，使用该类放大器主要为了满足输出功率。

（3）阻抗

阻抗是指在特定频率下，描述各种微波电路对微波信号能量传输影响的一个参数。电路材料和结构对工作频率的响应决定电路阻抗参数的大小，通过控制该参数，可实现能量的最大传输。阻抗所涉及的微波装置如下所述。

① 阻抗变换器：通过增加合适的元器件或结构，可实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡。

② 阻抗匹配器：是一种特定的阻抗变换器，以实现两种阻抗之间的匹配。

③ 天线：是一种特定的阻抗匹配器，以实现微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传输。

2.1.4　微波应用

1. 微波通信系统

（1）基本原理

微波通信的基本原理是利用其似光性传输特性，穿越空气，实现信息的无线传输，如图2.3所示。

图2.3　微波通信的基本原理

（2）微波通信数据链

微波通信数据链示意图，如图2.4所示。

图2.4　微波通信数据链系示意图

（3）微波中继通信、散射通信和卫星通信

微波中继通信、散射通信和卫星通信示意图，如图2.5所示。

图2.5　微波中继通信、散射通信和卫星通信示意图

• 微波中继通信如图2.5（a）所示。由于地球的曲率，要求各地面微波中继通信接力站间的距离在50 km左右，保证在视距通信范围内。

• 散射通信如图2.5（b）所示。散射通信依靠电离层或流星散射，将信号传得更远。

• 卫星通信如图2.5（c）所示。卫星通信利用人造地球同步卫星和星载接力站保证信号的传输质量，三颗卫星可覆盖全球。

（4）蜂窝移动通信

在地面建立蜂窝式分布的基站，组网覆盖大面积区域，可以降低单个设备的发射功率，实现互相通信，蜂窝移动通信系统原理如图2.6所示。

（5）5G技术

微波作为5G信号传播及测距定位传感器的主要技术手段，在5G应用场景中发挥了不可替代的作用。

图2.6　蜂窝移动通信系统原理

① 国际电联将5G应用场景划分为移动互联网和物联网两大类。5G具有低时延、高可靠、低功耗的特点，5G已经不再是一种单一的无线通信技术，而是多种新型无线通信技术和现有无线通信技术（4G后向演进技术）集成后的解决方案的总称。

② 普遍认为5G是一代能让移动通信网络扩展至全新应用领域，实现万物互联的无线技术。5G技术可让移动网络进入机器世界，促进无人驾驶汽车和无人驾驶飞机等产业的发展，并可与数以百万计的工业传感器和各种可穿戴的消费电子设备相连接。

③ 全球有50%～60%的移动基站通过微波承载信号，随着5G部署步伐的加快，移动基站的数量增加，微波作为无光纤场景中的重要承载手段，在5G接入中采用微波链路技术，有望发挥更大的作用。

④ 5G的工作频率很高（高达毫米波波段），相比于4G采用的分米波波段，其频率更高，波长更短，但其散射与绕射能力较差。毫米波通信更接近光通信，主要通过视距路径传输。虽然毫米波波束窄，具有良好的方向性，但是遇到阻挡就会被反射或被阻断。毫米波频段有4个被大气衰减相对较小的透明窗口，其中心频率分别为35 GHz、94 GHz、140 GHz和220 GHz，可供5G通信选用。

⑤ 5G网络传输速率将是4G网络传输速率峰值的100倍，4G与5G相比，简直就如同龟兔赛跑。这意味着，在5G时代，一部超高清画质的电影用1秒钟就可以下载完。如果说3G和4G使人与人互联，那么，5G将使万物互联。在未来的世界里，每一个物体都具有传感器功能，利用5G实现数据交互，人、花草、机器、手机、交通工具、家居用品等都具有独立的IP地址，一切物体都可控、可相互交流并被定位，彼此协同工作；世界上几乎所有东西都会被连接在一起，超越了空间和时间的限制。

⑥ 强大的互联网产业：百度追求的是连接“人和信息”，阿里巴巴追求的是连接“人和商品”，腾讯追求的是连接“人和人”，其共同追求是将“人”“信息”“商品”三者互相链接起来，这三者分别代表人类的社交、感知和交易三大行为。

⑦ 5G基站和5G微波可有效地结合和集成。图2.7展示了5G基站信号的传播方式。

现在人们都有使用固定网络的经验，通过光纤和变换器（俗称“猫”）直接将家用计算机等与网络相连接，在家内，信号传输是通过WiFi实现的，WiFi连接的范围不大，在有普通墙壁阻隔的情况下，直线传输距离一般不大于10米，在该范围内采用WiFi，移动终端可随意移动使用，不用连线。而当手机、平板电脑拿到室外去用时，则只好使用无线网络了。无线网络与家用WiFi网络其实是差不多的，它也需要一个变换方式，只不过不叫“猫”，而叫基站。基站相当于家里的“猫”，但它是公用的。基站与网络控制中心的连接一般采用光纤来实现。但在人口不那么稠密，居住比较分散的地区，只有采用微波接力方式通信，因为采用有线介质（光纤和光缆）通信需要新建网络，投资费用高昂。显然，在此场景中，“5G+微波”方案的优势就凸显出来了。