微波器件与微波技术教学课件

微波器件与微波技术教学课件欢迎学习微波器件与微波技术课程本课程将系统介绍微波技术的基本原理、器件特性及其应用，帮助同学们掌握微波领域的理论基础与实践技能通过本课程的学习，您将了解从基础电磁场理论到现代微波通信系统的全面知识体系微波技术作为现代电子信息技术的重要组成部分，在通信、雷达、医疗和工业等领域具有广泛应用希望这套教学课件能够帮助您建立系统的微波技术知识框架，为未来深入学习和研究奠定坚实基础课程简介课程目标学习内容12本课程旨在帮助学生掌握微波技课程内容涵盖微波基础理论、传术的基本理论与实际应用能力输线、微波网络、无源与有源器通过系统学习，学生将理解微波件、天线技术、雷达与通信系统传输原理，熟悉各类微波器件的等方面学生将学习电磁场理论工作机制，并能够分析和设计简、S参数分析、微波测量技术等单的微波系统课程强调理论与核心知识，并通过实验加深对理实践相结合，培养学生的工程实论的理解，培养动手能力和解决践能力和创新思维实际问题的能力教学方法3课程采用理论讲授与实验相结合的教学方式通过课堂讲解、实验演示、讨论研讨等多种形式，帮助学生构建完整的知识体系教学过程中将结合实际案例，展示微波技术在现代电子系统中的应用，提高学生的学习兴趣和应用意识第一章微波技术基础微波的定义微波频段划分微波的特点和应用微波是指频率范围在微波频段按IEEE标准划微波具有频带宽、信息300MHz至300GHz之间分为多个波段，包括L容量大、穿透性强、方的电磁波，波长约为1波段1-2GHz、S波段向性好等特点这些特毫米至1米微波在频2-4GHz、C波段4-性使微波在通信、雷达谱中处于无线电波和红8GHz、X波段8-、医疗诊断、工业加热外线之间，属于非电离12GHz、Ku波段12-、科学研究等领域有广辐射微波的特性决定18GHz、K波段18-泛应用近年来，随着了其在现代电子技术中26GHz、Ka波段26-5G通信、汽车雷达等技的重要地位，其传播特40GHz等不同波段术的发展，微波技术的性与光波相似，可以被应用于不同领域，如S应用范围不断扩大，呈反射、折射和衍射波段用于雷达，C波段现出多元化的发展趋势用于卫星通信微波的特点直线传播穿透性反射和散射多普勒效应微波的传播特性与光波相似微波具有一定的穿透能力，微波遇到金属和其他导电材当微波信号的发射源或反射，主要沿直线传播这种特可以穿过非金属材料，如塑料时会发生反射，遇到粗糙体与接收器之间存在相对运性使微波特别适合于点对点料、玻璃、陶瓷等这种特表面或形状不规则的物体时动时，接收到的信号频率会通信系统，如微波中继链路性使微波在医疗成像、安全会发生散射这些特性是雷发生变化，这就是多普勒效和卫星通信在实际应用中检查等领域有重要应用不达探测的基础，也是微波传应这一现象是多普勒雷达，微波天线通常需要架设在同频率的微波穿透能力不同播路径损耗的重要因素在测速的基础，广泛应用于交较高位置，以减少地形和建，低频微波的穿透性通常优设计微波系统时，需要考虑通监控、气象观测和军事探筑物的遮挡，确保信号的有于高频微波，这也是选择特多径效应对信号质量的影响测等领域效传输定频率进行特定应用的重要考虑因素微波的应用领域通信领域微波在现代通信系统中扮演着核心角色从传统的微波中继通信到卫星通信，再到最新的5G移动通信，微波技术都是其重要基础微波通信系统具有频带宽、容量大的优势，可以同时传输大量信息，满足日益增长的数据传输需求特别是在毫米波频段的应用，为5G和未来6G通信提供了更广阔的频谱资源雷达系统雷达是微波技术最重要的应用之一通过发射微波信号并接收其反射波，雷达可以探测目标的距离、方向、速度等信息微波雷达广泛应用于军事侦察、空中交通管制、气象观测、地形测绘、汽车防碰撞系统等领域随着技术进步，雷达系统的性能不断提高，应用范围不断扩大医疗应用微波在医疗领域的应用主要包括诊断和治疗两个方面微波成像技术可以用于医学诊断，提供非侵入性的组织结构成像微波热疗是一种癌症治疗方法，利用微波加热并破坏癌细胞，同时减少对周围健康组织的损伤此外，微波还用于医疗器械消毒、物理治疗等方面工业加热微波加热具有均匀、快速、高效的特点，广泛应用于工业生产过程在食品加工、木材干燥、陶瓷烧结、橡胶硫化等领域，微波加热技术能够显著提高生产效率和产品质量微波加热是内部加热，加热速度快，节能效果显著，符合现代工业绿色生产的要求电磁场理论回顾麦克斯韦方程组1麦克斯韦方程组是电磁场理论的基础，描述了电场与磁场的产生和相互作用关系包括高斯电定律、高斯磁定律、法拉第电磁感应定律和安培-麦克斯韦定律这组方程揭示了电磁波的本质，预言了电磁波的存在，为微波技术的发展奠定了理论基础边界条件2在电磁场理论中，边界条件描述了电磁场在不同介质界面上的变化规律对于电场和磁场的切向分量和法向分量，有不同的边界条件正确理解和应用边界条件，对于分析微波器件中的场分布、解决微波传输问题至关重要波动方程3波动方程是从麦克斯韦方程推导出来的，描述了电磁波在空间和时间中的传播规律通过求解波动方程，可以得到不同边界条件下的电磁场分布，为分析波导传输模式、天线辐射特性等提供理论工具微波传输的本质就是电磁波在特定结构中的传播过程传输线理论传输线方程传输线方程是描述电磁波在传输线上传播特性的基本方程，包括电压波和电流波的传播方程这组方程是从麦克斯韦方程在特定边界条件下简化得到的，适用于分析传输线上的电压和电流分布通过求解传输线方程，可以分析信号在传输线上的传播、反射和驻波现象特性阻抗特性阻抗是传输线的重要参数，定义为传输线上行波电压与电流的比值它由传输线的结构和材料决定，与频率有关在理想情况下，当负载阻抗等于传输线的特性阻抗时，信号传输效率最高，不产生反射特性阻抗是传输线设计和匹配的关键参数反射系数当传输线连接的负载阻抗与传输线特性阻抗不匹配时，会产生信号反射反射系数定义为反射波电压与入射波电压的比值，是描述反射程度的重要参数反射系数的大小和相位与负载阻抗和特性阻抗有关通过控制反射系数，可以优化微波系统的传输性能史密斯圆图原理和构造史密斯圆图是一种阻抗和导纳的图形化表示工具，基于复反射系数与归一化阻抗之间的转换关系图中的横轴代表实轴，每个点代表一个复阻抗或导纳值史密斯圆图由一系列圆和圆弧组成，实部常数圆与虚部常数圆相交，形成了便于阻抗匹配分析的特殊结构阻抗匹配在微波系统中，阻抗匹配是提高传输效率、减少反射的关键史密斯圆图提供了直观的方法来设计匹配网络通过在圆图上旋转和移动，可以模拟串联或并联不同元件对阻抗的影响，从而设计出将负载阻抗转换为源阻抗的匹配网络，实现最佳功率传输实际应用史密斯圆图在微波工程中有广泛应用，如天线设计、放大器匹配、滤波器设计等工程师可以通过圆图直观地分析复杂网络的阻抗特性，计算反射系数、电压驻波比等参数现代微波网络分析仪通常提供史密斯圆图显示模式，便于直观观察测量结果第二章微波传输线波导波导是一种金属管道结构，利用电磁波2在金属边界反射原理传输能量常见的同轴线有矩形波导和圆形波导，通常在高频微波系统中应用1同轴线是由内导体、外导体和中间介质组成的传输线，适用于低频到中频微波微带线信号传输其特点是屏蔽性好，抗干扰能力强，支持TEM模式传播微带线是由导体带、介质基板和接地平面组成的平面传输结构，广泛应用于微3波集成电路中具有体积小、重量轻、易于集成的优点微波传输线是微波器件和系统的基本组成部分，用于传输和处理微波信号不同类型的传输线结构具有不同的传输特性和应用场景，选择合适的传输线是设计微波系统的重要环节理解各类传输线的工作原理和特性参数，对于微波电路设计至关重要同轴线应用范围1通信系统、测量设备、连接器传输模式2TEM模式为主，高频时出现高阶模式结构和特点3内外导体同轴结构，屏蔽性好，损耗低同轴线是微波工程中最常用的传输线之一，由内导体、外导体和填充其间的介质组成这种结构使电磁波能够在导体之间的空间传播，形成TEM横电磁模式同轴线的特性阻抗由内外导体直径比和介质常数决定，通常设计为50欧姆或75欧姆在实际应用中，同轴线广泛用于各类微波系统的互连，如射频前端、测量设备连接等其优点是频带宽、损耗小、屏蔽性好；缺点是在高频时可能出现高阶模式，功率容量有限随着频率升高，同轴线的损耗增加，因此在毫米波频段应用受限矩形波导矩形波导是一种截面为矩形的金属管道，用于传输高频微波信号其工作原理基于电磁波在金属边界上的全反射矩形波导支持TE横电模式和TM横磁模式，不支持TEM模式在实际应用中，TE10模式最为常用，具有最低的截止频率矩形波导的尺寸与工作频率密切相关波导的宽度a决定了截止频率，通常设计为工作波长的

0.7倍左右波导的高度b影响功率容量和高阶模式的产生矩形波导在雷达系统、卫星通信、粒子加速器等高功率微波应用中具有重要地位，但体积大、重量重且带宽有限圆形波导1基本模式圆形波导的基本模式为TE11模式，具有最低的截止频率这是圆形波导中最常用的工作模式

2.613模式比例TM01模式的截止频率与TE11模式截止频率的比值，影响波导的单模工作带宽

1.306损耗比在相同截止频率下，圆形波导TE11模式的损耗约为矩形波导TE10模式的

1.306倍

0.5861截止波长系数圆形波导TE11模式的截止波长λc与波导直径d的比值，是波导尺寸设计的重要参数圆形波导是另一种重要的微波传输结构，具有旋转对称性和良好的机械强度与矩形波导相比，圆形波导在弯曲时损耗较小，工作模式中断现象较少，适合用于需要弯曲传输的场合圆形波导支持TE、TM多种模式，其截止频率与波导直径和模式有关圆形波导在微波通信、雷达天线馈电、回旋加速器等领域有广泛应用特别是在旋转模式转换器、极化控制等需要利用圆形对称性的场合，圆形波导具有独特优势正确选择波导尺寸和工作模式，是圆形波导应用的关键微带线微波集成电路天线系统滤波器功分器/耦合器其他应用微带线是一种平面型传输线，由印制在介质基板上的导体条和底部的接地平面组成微带线支持准TEM模式传播，是现代微波集成电路的基础结构其特性阻抗由导体条宽度、介质厚度和介质常数决定，通常设计为50欧姆以匹配系统阻抗与波导和同轴线相比，微带线具有体积小、重量轻、易于与其他元件集成的优点，但也存在损耗大、功率容量低、辐射损耗高等缺点微带线广泛应用于微波集成电路、天线、滤波器等领域，是现代微波系统的重要组成部分随着材料和工艺技术的进步，微带线的性能不断提高，应用范围不断扩大其他类型传输线带状线槽线同面波导带状线是一种由夹在两个接地平面之间的槽线是在金属平面上开槽构成的传输线，同面波导是一种由中心导体和两侧接地平导体条组成的平面传输线其特点是屏蔽电磁场主要分布在槽内及其周围空间槽面组成的平面传输线，所有导体均位于同性好，交叉互连容易实现，但制造工艺复线具有较低的损耗和较高的品质因数，适一平面上这种结构便于集成，且具有较杂，阻抗控制难度大带状线主要应用于合用于微波和毫米波频段其主要应用包低的辐射损耗同面波导广泛应用于单片需要良好屏蔽和低串扰的高密度互连电路括天线馈电、滤波器和谐振器等槽线易微波集成电路和毫米波电路中，特别是在中，支持纯TEM模式传播于与微带线集成，常用于混合电路设计需要电路元件接地的应用场景中具有优势第三章微波网络理论参数S1散射参数是描述微波网络特性的基本工具网络分析2利用矩阵方法分析复杂微波网络特性匹配技术3通过阻抗变换实现最佳功率传输微波网络理论是分析和设计微波系统的理论基础在高频条件下，传统的电路理论不再适用，需要采用专门的微波网络理论进行分析其核心是散射参数（S参数）理论，这是描述微波器件和系统特性的最常用方法S参数直接关联入射波和反射波，便于实际测量，已成为微波工程的通用语言微波网络分析涉及多种参数矩阵，包括S参数、Z参数、Y参数、ABCD参数等，这些参数之间可以相互转换在实际工程中，匹配技术是微波系统设计的关键环节，目的是实现最大功率传输，减少信号反射良好的网络匹配可以显著提高系统性能，降低噪声干扰参数基础S定义和物理意义S参数（散射参数）是描述微波网络中入射波和反射波关系的参数S参数使用标准阻抗（通常为50欧姆）作为参考，描述了在每个端口上的入射波和反射波之间的线性关系S参数的物理意义直观明确，便于测量和理解，是微波工程中最广泛使用的网络参数参数矩阵S对于N端口网络，S参数形成一个N×N的矩阵其中，对角元素Sii表示第i端口的反射系数，非对角元素Sij表示从第j端口到第i端口的传输系数S参数矩阵完整描述了网络的反射和传输特性，是分析复杂微波系统的强大工具测量方法S参数的测量通常使用矢量网络分析仪VNA完成测量时，将未测量的端口接上标准阻抗（通常为50欧姆），然后测量每个端口的反射和传输特性测量前需要进行校准，以消除测试系统的误差现代VNA可以直接显示S参数的幅度和相位，或转换为其他形式如史密斯圆图单口和双口网络参数类型单口网络双口网络S参数维度1×1矩阵2×2矩阵反射系数S11S11,S22传输系数不适用S21,S12典型应用天线、终端负载放大器、滤波器、衰减器关键特性输入阻抗匹配增益/损耗、回波损耗、隔离度单口网络是最简单的微波网络，只有一个输入/输出端口，如天线、终端负载等单口网络的S参数为一个复数S11，即反射系数反射系数的大小表示反射波与入射波幅度之比，相位表示反射波相对于入射波的相位差理想匹配负载的反射系数为0，开路为1，短路为-1双口网络是微波系统中最常见的网络类型，如放大器、滤波器、衰减器等双口网络的S参数为2×2矩阵，包含S

11、S

12、S

21、S22四个参数其中S21表示正向传输系数（增益或损耗），S12表示反向传输系数（隔离度），S11和S22分别表示输入和输出端口的反射系数VSWR（电压驻波比）是评价端口匹配程度的重要参数，可以从反射系数计算获得多口网络分析参数ABCD2链式参数，适合传输线网络参数T1传输参数，便于级联网络分析参数转换3不同参数间的数学变换关系多口网络分析是处理复杂微波系统的重要方法除了S参数外，T参数（传输参数）在处理级联网络时非常有用，级联网络的总T参数等于各级联部分T参数的矩阵乘积ABCD参数（也称为链式参数）特别适合于传输线和其他双向对称网络的分析，在处理串联元件时尤为方便不同参数系统之间存在确定的数学转换关系例如，可以通过矩阵运算将S参数转换为Z参数（阻抗参数）、Y参数（导纳参数）或ABCD参数，反之亦然这种转换能力使工程师可以选择最适合特定问题的参数系统进行分析在实际应用中，通常先测量S参数，然后根据需要转换为其他形式的参数进行后续分析和设计网络匹配技术阻抗变压器波长变压器集总元件匹配1/4阻抗变压器是一种利用四分之一波长变压器是集总元件匹配使用电感传输线段实现阻抗变换一种特殊的阻抗变压器、电容等离散元件构建的匹配元件通过选择，其长度为工作波长的匹配网络常见的集总适当长度和特性阻抗的四分之一其特性阻抗元件匹配网络包括L型传输线，可以将一个阻等于源阻抗和负载阻抗、T型和π型网络相比抗变换为另一个阻抗的几何平均值这种变于分布元件匹配，集总阻抗变压器通常用于固压器在单一频率点提供元件匹配占用空间小，定频率的阻抗匹配，其完美匹配，但带宽有限但在高频时寄生效应显长度与工作波长相关，为了扩大匹配带宽，著，元件Q值有限，损典型长度为四分之一波可以使用多节四分之一耗较大集总元件匹配长，因此也称为四分之波长变压器，每节具有适用于频率较低或空间一波长变压器不同的特性阻抗受限的应用场景宽带匹配多节匹配双插损匹配切比雪夫匹配多节匹配技术是提高匹配带宽的有效方双插损匹配是一种基于插入损耗概念的切比雪夫匹配是一种基于切比雪夫多项法，通过串联多个不同特性阻抗的四分匹配技术，目标是在所需频带内使反射式的匹配技术，可以在给定带宽内实现之一波长传输线段实现每个传输线段损耗满足特定要求，而不是追求某一频最大平坦的反射系数这种方法的特点的特性阻抗按照特定的规律变化，从源点的完美匹配该方法考虑了有损网络是在匹配带宽内反射系数的波动最小，阻抗平滑过渡到负载阻抗多节匹配可的综合特性，在工程实践中具有较高实适合对传输平坦度要求高的应用切比以显著扩大匹配带宽，但增加了网络的用性双插损匹配适用于带宽要求高但雪夫匹配网络的设计比较复杂，通常需物理尺寸和复杂性对每个频点匹配精度要求不苛刻的应用要借助计算机辅助设计工具第四章微波无源器件微波无源器件是微波系统的基础组件，主要用于调节和控制微波信号的幅度、相位和传输路径与有源器件不同，无源器件不需要直流偏置，不提供信号增益，但具有结构简单、可靠性高的特点常见的微波无源器件包括衰减器、移相器、功分器、耦合器、滤波器和谐振器等无源器件的性能直接影响微波系统的整体性能在设计和选择无源器件时，需要考虑频率范围、插入损耗、隔离度、驻波比、功率容量等多种参数现代微波无源器件的设计和制造技术不断发展，从传统的金属波导结构到微带技术，再到MEMS技术和新型材料应用，提供了更多样化的解决方案微波衰减器固定衰减器可变衰减器设计原理123固定衰减器提供恒定的信号衰减量，用可变衰减器能够提供连续或离散可调的微波衰减器的设计基于阻抗匹配和功率于系统级的信号电平调整常见结构包衰减量，用于动态控制信号电平常见分配原理电阻衰减器通过电阻网络消括T型、π型和桥式衰减器设计要点包的实现方式包括PIN二极管控制、机械调耗部分信号功率，同时保持输入和输出括宽频带阻抗匹配、衰减精度和功率容整和MEMS技术数字控制可变衰减器端口的阻抗匹配PIN二极管衰减器利用量固定衰减器广泛应用于测试系统、通过开关网络实现离散衰减步进，适合二极管的可变电阻特性实现衰减控制接收机保护电路和信号电平调整场合于自动测试系统和自适应控制系统可衰减器设计需平衡多项性能要求，包括材料选择和热设计对于高功率应用尤为变衰减器的关键性能指标包括衰减范围匹配度、平坦度、功率容量和频率响应重要、步进精度和调整速度等移相器数字移相器模拟移相器应用场景数字移相器通过开关网络选择不同长度的模拟移相器提供连续可变的相位调整，通移相器是相控阵系统的核心元件，通过控传输路径，提供离散的相位变化常用的常基于可变电抗元件如变容二极管或铁氧制各辐射单元的相位差，实现波束形成和有反射型和传输型两种结构典型的数字体材料相比数字移相器，模拟移相器具扫描在通信系统中，移相器用于相位调移相器提供多个二进制加权的相位位（如有连续调整的优势，但可能存在非线性和制和相位补偿测试系统中的移相器用于

22.5°、45°、90°、180°），通过组合可以温度稳定性问题模拟移相器常用于需要相位校准和网络分析随着5G和毫米波技实现较细的相位分辨率数字移相器广泛精细相位调整的系统，如测试设备和相位术的发展，小型化、低损耗、高精度的移应用于相控阵雷达和自适应天线系统中锁定环路相器需求日益增长功分器和耦合器隔离度dB插入损耗dB功分器是将输入信号分配到多个输出端口的器件Wilkinson功分器是最常用的功分器之一，通过四分之一波长传输线和隔离电阻实现功率分配和端口隔离功分器的关键性能指标包括分配比、插入损耗、隔离度和端口匹配度在相等分配的情况下，N路功分器的理论插入损耗为10logNdB耦合器是将输入信号按特定比例耦合到辅助端口的器件，常用于信号采样和功率监测定向耦合器具有高方向性，只耦合一个方向的信号混合器（如90°混合器和180°混合器）是特殊的耦合器，提供相等功率分配和特定相位关系这些器件广泛应用于微波系统中的功率分配、信号采样和混频电路中微波滤波器低通滤波器低通滤波器允许低于截止频率的信号通过，阻止高频信号微波低通滤波器常采用阶梯阻抗变化的传输线结构或分布元件实现设计方法包括原型滤波器设计和阻抗变换等低通滤波器广泛用于抑制高频杂散信号和谐波，是系统频谱纯度控制的重要组件高通滤波器高通滤波器允许高于截止频率的信号通过，阻止低频信号微波高通滤波器常采用耦合结构或阻断低频传输路径的方式实现实际应用中常见的高通滤波器包括波导中的窗口结构和微带线上的间隙耦合结构高通滤波器用于滤除低频干扰和系统隔离带通滤波器带通滤波器只允许特定频率范围内的信号通过，是微波系统中最常用的滤波器类型微波带通滤波器的实现形式多样，包括谐振腔滤波器、梳状滤波器、交叉耦合滤波器等设计关注点包括中心频率、带宽、插入损耗和带外抑制现代带通滤波器设计通常借助电磁仿真软件优化性能谐振器腔体谐振器1腔体谐振器是封闭金属腔内电磁波形成驻波的结构常见形式包括矩形腔、圆柱腔和同轴腔腔体谐振器具有高Q值（通常为数千至数万）和高功率容量的特点，适用于高性能滤波器和稳定振荡器谐振频率由腔体尺寸和工作模式决定调谐通常通过调整腔体尺寸或插入调谐元件实现介质谐振器2介质谐振器利用高介电常数材料中电磁波的驻波现象相比腔体谐振器，介质谐振器体积更小，但Q值较低（通常为数百至数千）常用材料包括陶瓷、铌酸锶和钛酸钡等介质谐振器广泛应用于小型化滤波器、振荡器和天线等设备中温度稳定性是介质谐振器设计中的重要考虑因素值计算3QQ值是谐振器性能的重要指标，定义为谐振器存储的能量与每周期能量损耗的比值高Q值意味着低损耗和高频率选择性Q值可分为无载Q值（谐振器本身的Q值）和载Q值（谐振器与外部电路连接后的Q值）谐振器的Q值受材料损耗、表面损耗、辐射损耗等因素影响，是滤波器和振荡器设计的关键参数第五章微波有源器件二极管晶体管真空管器件微波二极管是最基本的微波有源器件，包微波晶体管是现代微波系统的核心器件，尽管半导体器件已成为主流，但在高功率括PIN二极管、变容二极管、肖特基二极管包括双极型晶体管、场效应晶体管和高电、高频率应用中，微波真空管仍有重要地、隧道二极管等多种类型不同类型的二子迁移率晶体管HEMT等晶体管主要用位常见的微波真空管包括速调管、行波极管具有不同的特性和应用领域PIN二极于微波放大、振荡和混频随着半导体工管、反射式速调管、磁控管等这些器件管主要用于开关和衰减器；变容二极管用艺的发展，微波晶体管的工作频率不断提能够提供极高的输出功率（可达兆瓦级）于电压控制振荡器和调谐电路；肖特基二高，目前已进入毫米波和太赫兹频段，为，适用于高功率雷达、粒子加速器和工业极管和隧道二极管用于高频检波和混频新一代通信和雷达系统提供支持加热等场合微波二极管二极管变容二极管隧道二极管PINPIN二极管由P型、本征I型和N型半导体变容二极管是利用PN结电容随反向偏置电隧道二极管利用量子隧穿效应，在特定偏构成，在微波频段表现为电流控制的电阻压变化的特性在微波频段，变容二极管置条件下表现出负微分电阻特性这种特正向偏置时呈低阻态，反向偏置时呈高主要用作电压控制的可变电容元件变容性使其能够用于高频振荡和放大隧道二阻态PIN二极管的核心特性是在微波频二极管的关键参数包括电容变化范围、品极管的主要优势是开关速度极快，可工作率下的阻抗可通过直流偏置控制，并且具质因数Q值和调谐线性度常见类型包括于毫米波甚至亚毫米波频段，但功率容量有较高的功率容量和快速开关速度磷扩散型、超磷扩散型和肖特基结构有限PIN二极管主要应用于微波开关、数字衰变容二极管广泛应用于电压控制振荡器隧道二极管主要应用于高频振荡器、混频减器、移相器和调制器常见的PIN二极VCO、电子调谐滤波器和相位调制器器和开关电路在某些特殊应用中，隧道管开关配置包括串联、并联和反射式结构在VCO中，变容二极管通过改变谐振电路二极管的独特特性使其难以被其他器件替，各有不同的性能特点选择PIN二极管的电容值实现频率调谐调谐范围、调谐代随着半导体工艺的发展，更多新型二时需考虑开关速度、插入损耗、隔离度、灵敏度和相位噪声是变容二极管VCO设计极管结构不断出现，为微波系统设计提供功率容量和驱动要求等因素中的关键考虑因素了更多选择微波晶体管双极型晶体管场效应晶体管HEMT双极型晶体管BJT是最早用于微波电路的微波场效应晶体管FET包括金属-氧化物半高电子迁移率晶体管HEMT是一种利用异晶体管类型硅双极型晶体管在低GHz频段导体FETMOSFET和金属-半导体质结形成二维电子气的场效应晶体管常见有良好应用，而异质结双极型晶体管HBT FETMESFET等类型MESFET通常采用材料体系包括AlGaAs/GaAs、AlGaN/GaN等可工作在更高频率HBT通常采用GaAs或GaAs材料，具有高电子迁移率和低噪声特HEMT具有极高的电子迁移率、高截止频SiGe材料，具有高电流增益、高截止频率和性，广泛用于微波放大器硅MOSFET在工率和优异的噪声特性，是微波和毫米波电路良好的线性特性，特别适合于功率放大器和作频率和性能上不断提高，成为低成本微波的理想选择特别是GaN HEMT，凭借高击线性放大器应用电路的重要选择，尤其是在射频集成电路中穿电压和高功率密度，在高功率放大器领域具有显著优势微波集成电路技术1MMIC单片微波集成电路MMIC是将有源器件、无源器件和互连线路集成在同一半导体衬底上的电路MMIC的基本工艺包括外延生长、光刻、刻蚀、金属化和介质沉积等常用衬底材料包括GaAs、GaN、SiGe和CMOS硅等MMIC的优势在于小型化、可靠性高和批量生产成本低，但开发成本较高，灵活性有限设计2RFIC射频集成电路RFIC设计涉及电路拓扑选择、器件建模、电磁仿真和版图设计等多个环节微波电路设计需考虑寄生效应、阻抗匹配、噪声、稳定性等问题，通常需要专用的设计工具和仿真软件现代RFIC设计强调系统级优化，将多个功能模块如放大器、混频器和滤波器集成在单一芯片上，实现更高集成度和性能封装和测试3微波集成电路的封装和测试是保证性能和可靠性的关键环节微波封装技术包括芯片键合、引线连接、封装选择等，需要考虑热管理、电磁兼容性和机械保护测试技术涉及片上测试、晶圆测试和成品测试，需使用专门的微波测试设备如探针台和矢量网络分析仪良好的封装和测试对于微波集成电路的商业成功至关重要微波放大器特殊应用1分布式放大器、带通放大器低噪声放大器2注重噪声系数和信号完整性功率放大器3强调输出功率和效率小信号放大器4关注线性度和增益平坦度微波放大器是微波系统中最基本和最重要的有源电路之一，用于增强微波信号的功率小信号放大器主要用于提升弱信号的电平，关注线性度、增益平坦度和阻抗匹配设计时通常采用S参数分析方法，考虑稳定性、噪声系数和增益等因素功率放大器用于驱动天线或大功率负载，关注输出功率、效率和线性度常见的功率放大器类型包括A类、AB类、B类、C类和F类等，各有不同的效率和线性特性低噪声放大器是接收系统的前端关键器件，需要同时兼顾低噪声系数和合适增益分布式放大器通过多级晶体管并联输入和级联输出，实现超宽带性能，是特殊应用的重要选择微波振荡器VCO2电压控制频率可调的振荡器负阻振荡器1基于有源器件负阻特性产生振荡频率稳定技术3相位锁定、温度补偿等提高稳定性微波振荡器是产生微波信号的源头，是各类微波系统的核心器件负阻振荡器利用有源器件的负阻特性，结合谐振电路形成自持振荡常见的负阻振荡器包括Colpitts振荡器、Hartley振荡器和Clapp振荡器等谐振电路的选择对振荡频率和稳定性有决定性影响，常用的谐振结构包括LC谐振、传输线谐振和介质谐振器等电压控制振荡器VCO通过控制电压调节振荡频率，是频率合成器和相位锁定环的重要组成部分VCO的关键性能指标包括调谐范围、调谐线性度、相位噪声和温度稳定性频率稳定技术包括温度补偿、相位锁定、介质谐振器稳定和原子频标锁定等，这些技术对于提高振荡器的频率稳定性和相位噪声性能至关重要，特别是在通信和雷达系统中微波混频器1转换增益理想混频器的转换增益，实际混频器通常有转换损耗2平衡度双平衡混频器的平衡输入数量，提供更好的隔离度3端口数典型混频器的端口数，包括RF、LO和IF端口3互调产物三阶互调产物的阶数，是衡量混频器线性度的重要指标微波混频器是实现频率转换的关键器件，在接收机和发射机中广泛应用混频器将射频RF信号与本地振荡LO信号混合，产生中频IF信号单平衡混频器使用一个平衡结构，可抑制LO信号泄漏到RF或IF端口，但RF信号仍可泄漏到IF端口常见实现形式包括二极管环形混频器和有源混频器双平衡混频器使用两个平衡结构，能同时抑制RF和LO信号泄漏，提供更好的端口隔离度和谐波抑制图像抑制混频器通过特殊电路结构抑制图像频率响应，提高接收机选择性混频器的关键性能指标包括转换损耗、隔离度、端口匹配、动态范围和噪声系数等高性能混频器设计需权衡多项性能要求，是微波系统设计的关键环节第六章天线基础天线参数基本天线类型天线阵列123天线是微波系统的重要组成部分，其性微波天线种类繁多，常见的基本类型包天线阵列是由多个辐射单元按特定排列能直接影响系统的整体性能天线的基括线天线（如偶极子天线、单极子天线组成的天线系统，通过控制各单元的激本参数包括辐射方向图、增益、方向性）、面天线（如微带天线、缝隙天线）励幅度和相位，可以实现方向图的形成、极化、输入阻抗、带宽、效率等这和孔径天线（如喇叭天线、抛物面天线和控制天线阵列分为线性阵列、平面些参数描述了天线的辐射特性和电气特）不同类型的天线具有不同的辐射特阵列和立体阵列等类型相控阵是一种性，是天线设计和评估的基础理解这性和应用场景选择天线类型时需考虑特殊的天线阵列，能够通过电子方式快些参数对于选择和设计适合特定应用的频率范围、增益要求、尺寸限制、极化速改变波束方向，广泛应用于现代雷达天线至关重要需求和环境条件等因素和通信系统中天线基本参数方向图增益极化天线方向图描述了天线在不同方向上的辐射天线增益是衡量天线将输入功率转换为特定天线极化描述了天线辐射电磁波的电场矢量或接收能力分布方向图通常以极坐标或三方向辐射能力的参数，通常相对于全向辐射方向特性常见的极化类型包括线性极化（维图形表示，包括主瓣、旁瓣和后瓣等结构源或半波偶极子定义增益与方向性和效率水平或垂直）、圆极化（左旋或右旋）和椭重要的方向图参数包括半功率波束宽度、相关，包含了天线的方向性能和损耗影响圆极化极化匹配对于通信系统的性能至关第一零点波束宽度、旁瓣电平和前后比等天线增益通常以分贝dB表示，可通过比较重要，极化不匹配会导致极化损耗某些应方向图是评价天线定向性能的关键指标，直测量或绝对测量获得增益是天线最重要的用如卫星通信和移动通信对天线极化有特定接影响通信质量和雷达探测能力性能指标之一，直接影响通信距离和系统灵要求，选择合适的极化类型是天线设计的重敏度要方面线天线偶极天线单极天线环形天线偶极天线是最基本的线性天线，由两个沿单极天线是偶极天线的变体，由一个垂直环形天线由闭合导体环构成，可以是圆形同一直线排列的导体构成半波长偶极天导体和地平面构成理想情况下，地平面、方形或其他形状小环天线（周长远小线是最常用的类型，其输入阻抗约为73欧的影像效应使单极天线等效于偶极天线于波长）的辐射方向图与偶极天线互补，姆，呈现轻微电感性偶极天线的辐射方四分之一波长单极天线的输入阻抗约为主要辐射磁场；大环天线（周长接近波长向图在垂直于天线轴的平面内呈8字形，

36.5欧姆，辐射方向图与偶极天线在上半）则具有与偶极天线相似的辐射特性一方向性较弱，增益约为

2.15dBi空间相同波长环形天线具有全向性辐射特性偶极天线的优点是结构简单、成本低，但单极天线的优势在于尺寸减小一半且只需方向性不强且尺寸较大偶极天线的变体一个馈电点，常用于移动通信、广播和车环形天线在近场磁感应系统、RFID和方向包括折叠偶极天线（提高输入阻抗）和短载应用实际应用中，地平面的有限尺寸探测中有广泛应用由于环形天线具有较偶极天线（减小物理尺寸但降低效率）会影响天线性能，通常需要接地径向线或高的磁场分量，适合在导电介质附近工作偶极天线常用于广播接收、无线通信和作接地平面来改善地平面效果单极天线的环形天线的变体包括多环天线和螺旋环为更复杂天线系统的基本单元变体包括顶部负载单极天线和螺旋单极天形天线，可实现带宽扩展和极化控制环线，可实现尺寸缩小和阻抗调整形天线与偶极天线相比，输入阻抗较低，匹配难度较大面天线面天线是一类利用平面结构辐射电磁波的天线微带天线是最常见的面天线，由印制在介质基板上的金属贴片和接地平面构成其优点是轻量、低剖面、易于制造和集成，缺点是带宽窄和效率较低微带天线的辐射机理是贴片边缘的缝隙辐射，其形状可以是矩形、圆形、三角形等，不同形状具有不同的极化和带宽特性缝隙天线是在导电表面上开槽形成的天线，根据巴宾顿原理，是偶极天线的对偶形式缝隙天线的辐射方向图与等效偶极天线相似，但极化方向垂直于缝隙方向螺旋天线由导线绕成螺旋形状构成，在轴模工作时可产生圆极化波，带宽宽、增益中等，常用于卫星通信和GPS接收这些面天线在现代无线通信、雷达和卫星系统中有广泛应用孔径天线孔径天线是利用开口或孔径辐射电磁波的天线类型喇叭天线是最基本的孔径天线，由逐渐扩张的波导构成，用于将波导内的导向波转变为自由空间中的辐射波喇叭天线具有中等增益（10-20dBi）、较宽带宽和良好的匹配特性，常用作其他高增益天线的馈源，也直接用于通信和测量系统抛物面天线利用抛物面反射器的聚焦特性，将馈源辐射的球面波转换为平面波，实现高度方向性辐射抛物面天线增益高（可达40-50dBi），主要用于长距离通信、雷达和射电天文透镜天线使用介质透镜聚焦电磁波，类似于光学透镜透镜天线的优点是没有馈源阻挡效应，可实现较低的旁瓣电平，但体积大、重量重，主要用于特殊应用如毫米波成像和高精度测向系统天线阵列线性阵列线性阵列是由沿直线均匀或非均匀排列的天线单元组成的阵列线性阵列可以通过控制各单元的激励幅度和相位，在垂直于阵列轴的平面内形成窄波束和方向可控的辐射方向图线性阵列的阵列因子取决于阵元数量、阵元间距和幅相分布常见的幅度分布包括均匀分布、余弦分布和泰勒分布等，不同分布在主瓣宽度和旁瓣电平间形成不同折衷平面阵列平面阵列由排列在二维平面上的天线单元组成，具有在三维空间内形成窄波束和控制波束方向的能力平面阵列的典型排列方式包括矩形阵列、三角形阵列和圆形阵列等平面阵列的阵列因子是行阵列因子和列阵列因子的乘积平面阵列通常用于需要二维波束扫描的应用，如雷达和卫星通信设计平面阵列需考虑阵元互耦、供电网络复杂性和扫描盲区等问题相控阵相控阵是一种通过电子方式控制各阵元相位，实现波束快速扫描的天线阵列现代相控阵还可控制幅度分布，进一步提高方向图控制能力相控阵的核心组件是移相器和衰减器，通过数字控制实现波束形成相控阵的优势在于波束扫描速度快、可靠性高、可实现多波束和自适应波束形成随着MMIC技术和数字波束形成技术的发展，相控阵已成为现代雷达和通信系统的关键技术第七章雷达系统雷达原理雷达方程雷达类型雷达（RAdio DetectionAnd Ranging）是雷达方程是描述雷达探测能力的基本关系雷达系统种类繁多，按工作模式可分为脉利用电磁波探测目标位置、速度等信息的式，反映了雷达最大探测距离与发射功率冲雷达和连续波雷达；按用途可分为搜索系统雷达工作原理是发射电磁波并接收、天线增益、目标雷达截面积、接收机灵雷达、跟踪雷达、制导雷达等；按工作频目标回波，通过分析回波的时间延迟、频敏度等参数的关系雷达方程是雷达系统段可分为高频雷达、微波雷达和毫米波雷率偏移、幅度和相位变化等特征，提取目设计的基础，对理解各参数对系统性能的达等不同类型雷达具有不同的特点和应标信息雷达系统的基本组成包括发射机影响至关重要雷达方程需考虑传播损耗用场景，现代雷达技术趋向多功能化和智、接收机、天线、信号处理器和显示终端、大气衰减、系统损耗和环境杂波等因素能化，能够同时执行多种任务，适应复杂等部分影响电磁环境雷达基本原理脉冲雷达脉冲雷达是最常见的雷达类型，通过发射短时间脉冲并接收目标回波工作目标距离由发射脉冲到接收回波的时间延迟确定（距离=光速×时间延迟/2）脉冲雷达的关键参数包括脉冲重复频率PRF、脉冲宽度、占空比和平均功率脉冲雷达需要权衡距离分辨率（要求短脉冲）和探测距离（要求高能量）之间的矛盾，现代脉冲雷达通常采用脉冲压缩技术解决这一问题多普勒雷达多普勒雷达利用多普勒效应测量目标径向速度，当目标相对雷达运动时，回波频率会发生偏移，频率偏移量与径向速度成正比脉冲多普勒雷达结合了脉冲雷达的距离测量能力和多普勒技术的速度测量能力，能同时获取目标距离和速度信息多普勒雷达广泛应用于气象观测、交通监控和军事目标识别等领域，具有良好的动目标识别能力和抗干扰性能合成孔径雷达合成孔径雷达SAR利用雷达平台的移动，通过信号处理合成大尺寸孔径，实现高分辨率成像SAR通过记录回波信号的幅度和相位，利用多普勒历程处理形成二维图像SAR的方位向分辨率与实际天线尺寸无关，而由合成孔径长度决定，突破了传统雷达分辨率的物理限制SAR技术在地形测绘、环境监测、军事侦察等领域有重要应用，现代SAR系统还发展出极化SAR、干涉SAR等高级技术雷达方程距离km1m²目标10m²目标雷达方程是描述雷达探测性能的基本关系式，将雷达最大探测距离与系统参数关联起来基本雷达方程表示为R⁴=PtG²λ²σ/4π³kTBnFLsS/Nmin，其中R是最大探测距离，Pt是发射功率，G是天线增益，λ是波长，σ是目标雷达截面积，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，Bn是噪声带宽，F是噪声系数，Ls是系统损耗，S/Nmin是最小可检测信噪比从雷达方程可以看出，最大探测距离与发射功率的四分之一次方成正比，与目标雷达截面积的四分之一次方成正比这意味着要将雷达探测距离翻倍，需要增加16倍的发射功率雷达方程在实际应用中还需考虑大气衰减、地形影响和目标起伏等因素对于杂波环境中的目标探测，需要使用更复杂的雷达方程形式，考虑杂波干扰的影响雷达信号处理脉冲压缩1通过匹配滤波提高距离分辨率和信噪比处理MTI2通过多普勒滤波提取运动目标恒虚警率检测3自适应阈值保持恒定虚警概率雷达信号处理是现代雷达系统的核心部分，目的是从杂波和噪声背景中提取有用的目标信息脉冲压缩技术通过发射调频或编码脉冲，利用匹配滤波处理，实现长脉冲的能量优势和短脉冲的分辨率能力相结合常用的脉冲压缩方式包括线性调频LFM、非线性调频和相位编码等，脉冲压缩比可达数百至数千，大幅提高雷达性能动目标显示MTI处理利用目标与杂波多普勒特性的差异，通过多普勒滤波抑制固定或慢速杂波，提取运动目标恒虚警率检测CFAR是一种自适应阈值检测技术，通过估计周围单元的杂波电平，动态调整检测阈值，保持恒定的虚警概率现代雷达信号处理还包括波束形成、空时自适应处理STAP和目标识别等高级技术，多采用数字信号处理实现，处理能力不断提高雷达应用气象雷达导航雷达汽车雷达气象雷达是专门用于气象观测的雷达系统，利导航雷达主要用于船舶、飞机等的安全导航，汽车雷达是现代高级驾驶辅助系统ADAS和自用电磁波与大气中水滴、冰晶等粒子的相互作探测周围环境中的障碍物、地形和其他交通工动驾驶的关键传感器，主要用于前向碰撞预警用，获取降水强度、风速、风向等气象信息具船用导航雷达通常工作在X波段或S波段，、自适应巡航控制、盲点监测等功能汽车雷现代气象雷达多采用多普勒和双极化技术，能提供周围海域的态势感知航空导航雷达包括达通常工作在24GHz或77GHz频段，采用调频够区分不同类型的降水，预测强对流天气气机载气象雷达、地形回避雷达和着陆雷达等连续波FMCW技术，能够同时测量目标距离和象雷达网是现代气象预报系统的重要基础设施导航雷达通常采用PPI平面位置指示器显示方速度随着自动驾驶技术的发展，汽车雷达向，对预防气象灾害具有重要作用式，直观显示周围环境高分辨率、多功能和低成本方向发展，与摄像头、激光雷达等传感器融合使用第八章微波通信系统微波链路1微波链路是利用微波信号进行点对点通信的系统，广泛应用于骨干网络连接、远程站点接入和临时通信等场景微波链路通常采用高增益定向天线和高频段（通常在6-86GHz范围），实现远距离、高容量、无需布线的通信连接现代微波链路多采用数字调制技术和自适应编码调制，以提高频谱效率和链路可靠性卫星通信2卫星通信是利用空间卫星作为中继站实现广域覆盖的通信系统卫星通信的优势在于覆盖范围广、建设周期短、不受地形限制常用频段包括C波段4-8GHz、Ku波段12-18GHz和Ka波段26-40GHz卫星通信面临的挑战包括传播延迟大、传播损耗高和频谱资源有限等新一代卫星通信系统如低轨卫星星座，正在改变传统卫星通信的格局技术35G5G是第五代移动通信技术，特点是高速率、低时延和大连接5G引入了毫米波频段24-100GHz，大幅扩展了可用频谱资源，但也带来了传播损耗大、覆盖范围小等挑战为解决这些问题，5G采用大规模MIMO、波束赋形和小区密集化等技术5G不仅提升了移动宽带体验，还将支持车联网、工业互联网和智慧城市等多种应用场景，推动数字经济发展微波通信链路链路预算1性能分析与容量规划多址接入2频分、时分、码分多址技术点对点通信3直接微波传输连接微波通信链路是通过微波信号直接传输实现点到点通信的系统典型的微波链路由发射设备、接收设备和天线系统组成发射端将基带信号调制到微波载波上，通过定向天线发射；接收端通过天线接收信号，经放大、解调恢复原始信息微波链路的优势在于部署灵活、无需布线、容量大，特别适合地形复杂区域的通信需求多址接入技术允许多个用户共享同一通信资源常见的多址接入方式包括频分多址FDMA、时分多址TDMA、码分多址CDMA和空分多址SDMA等链路预算是微波链路设计的基础，考虑发射功率、天线增益、传播损耗、接收灵敏度等因素，预测链路性能和可靠性链路余量是保证通信可靠性的重要参数，需考虑雨衰、大气吸收、多径衰落等变化因素卫星通信频段选择卫星通信使用的主要微波频段包括L波段1-2GHz、轨道类型地面站设计S波段2-4GHz、C波段4-8GHz、X波段8-12GHz、Ku波段12-18GHz和Ka波段26-40GHz不同频通信卫星按轨道高度和特性分为多种类型地球同步卫星地面站是卫星通信系统的重要组成部分，负责与段有不同特点低频段抗雨衰性能好但带宽有限；高轨道GEO卫星位于赤道上空约36,000公里处，轨道卫星建立通信链路地面站的核心设备包括大功率发频段可提供更大带宽但受气象条件影响显著频段选周期等于地球自转周期，相对地面静止，一颗卫星可射机、低噪声接收机、大口径天线和天线跟踪系统等择需考虑业务需求、气候条件、干扰情况和监管政策覆盖约三分之一地球表面，但传播延迟较大约250毫地面站设计需考虑G/T比增益与噪温比、EIRP等等因素秒中轨道MEO卫星轨道高度在5,000-20,000公里效全向辐射功率、链路可用性和频谱效率等性能指之间，覆盖范围和延迟适中低轨道LEO卫星位于标现代卫星地面站趋向小型化和智能化，如VSAT2,000公里以下，传播延迟小，但需要大量卫星组网甚小口径终端和平板相控阵天线等技术的应用，大才能实现全球覆盖大拓展了卫星通信的应用场景213通信技术5G毫米波应用波束赋形Massive MIMO5G通信引入毫米波频段24-100GHz，大幅扩大规模多输入多输出Massive MIMO技术是5G波束赋形是通过控制天线阵列各单元的幅度和展了可用频谱资源，支持超高速数据传输毫的关键技术之一，通过使用大量天线单元数十相位，形成定向辐射波束的技术在5G系统中米波频段可提供大带宽数百MHz至数GHz，但至数百个，显著提高频谱效率和系统容量，波束赋形可以集中能量指向特定用户，增加传播损耗大、穿透能力弱、覆盖范围小毫米Massive MIMO利用空间维度复用，支持多用户信号强度，同时减少对其他用户的干扰，提高波技术要求使用波束赋形和高增益天线阵列克同时使用相同时频资源通信，并通过波束赋形系统容量5G采用的波束赋形技术包括数字波服传播劣势，适合高密度热点区域和固定无线增强有用信号、抑制干扰这项技术面临的挑束赋形、模拟波束赋形和混合波束赋形等形式接入等场景战包括硬件复杂度、信道估计和校准、计算复，适应不同频段和场景需求杂度等第九章微波测量技术功率测量频率测量网络分析微波功率测量是最基本的微波参数测量微波频率测量用于确定微波信号的频率网络分析是测量微波网络特性的技术，，包括平均功率和峰值功率测量常用特性，包括频率计数器、频谱分析仪和主要使用矢量网络分析仪进行S参数测量的微波功率测量设备包括热电偶功率计频率歧化器等多种测量方法频谱分析网络分析可以获取器件或系统的反射、热敏电阻功率计和二极管功率探头等仪不仅可以测量频率，还可以分析信号系数、传输系数、阻抗、相位等参数，功率测量需要考虑频率响应、动态范的频谱成分，是微波测量中最常用的仪是微波器件设计和测试的重要工具网围、准确度和校准等因素现代功率测器之一频率测量的关键指标包括测量络分析的精度受校准质量、连接器特性量仪器通常具有宽频带、高动态范围和范围、分辨率、准确度和稳定性等和测试环境等因素影响，需要严格的测数字接口等特点量规程和校准技术确保测量准确性微波功率测量热电偶功率计热敏电阻功率计12热电偶功率计是基于热电效应的微波功热敏电阻功率计利用热敏电阻随温度变率测量设备微波功率在负载电阻上产化的电阻特性测量功率热敏电阻吸收生热量，通过热电偶将热量转换为电压微波功率后温度升高，电阻值变化，通信号，电压信号与输入功率成正比热过测量电阻变化间接测量功率热敏电电偶功率计具有良好的线性度和宽频带阻功率计具有较高灵敏度，测量范围通特性，测量范围通常为-30dBm至常为-70dBm至+20dBm其优点是灵+20dBm其优点是频率响应平坦、动敏度高、响应时间较短；缺点是非线性态范围大；缺点是响应时间长、敏感度需要校正，易受环境温度影响现代热较低，不适合测量快速变化的功率敏电阻功率计通常采用平衡电桥结构，减小环境温度影响峰值功率测量3峰值功率测量用于测量脉冲信号或调制信号的峰值功率水平常用的峰值功率测量设备包括峰值功率计和功率包络检测器峰值功率测量需要较高的时间分辨率，以捕获短时间内的功率变化现代峰值功率测量仪器通常采用数字采样技术，具有波形显示功能，可以直观地观察功率随时间的变化，特别适合雷达和通信系统的测试和调试频率和相位测量测量设备频率范围分辨率主要应用频率计数器0-100GHz

0.1Hz-1kHz精确频率测量频谱分析仪0-110GHz1Hz-1MHz频谱分析、杂散测量谐波混频器50-325GHz取决于中频毫米波频率扩展相位检测器0-40GHz

0.1°-1°相位差测量频率歧化器1-40GHz依赖读数精度快速频率估计频率计数器是最常用的频率测量设备，通过计数单位时间内的信号周期数确定频率现代频率计数器采用高稳定度时基和先进计数技术，可实现高精度测量对于超出直接计数范围的高频信号，通常采用预分频器或异质变频技术扩展测量范围频谱分析仪不仅可以测量频率，还能分析信号的频谱成分，显示功率和频率的关系，是微波测量中最通用的仪器相位测量用于确定两个信号之间的相位差，常用于天线测量、阵列校准和相位匹配等应用相位检测器通过比较两个信号的相位差，输出与相位差成比例的电压信号矢量网络分析仪也可以进行高精度相位测量，提供幅度和相位的完整信息现代频率和相位测量设备多采用数字技术，具有高精度、自动校准和网络接口等特点，大大提高了测量效率和准确性矢量网络分析仪原理和结构矢量网络分析仪VNA是测量微波网络特性的主要仪器，能够测量幅度和相位完整信息VNA的基本结构包括信号源、信号分离单元、接收机和信号处理单元信号源产生测试信号，信号分离单元如方向耦合器分离入射波和反射波，接收机测量各路信号的幅度和相位，信号处理单元计算S参数并显示结果校准技术校准是保证VNA测量精度的关键步骤，目的是消除系统误差常用的校准方法包括SOLT短路-开路-负载-通校准、TRL通-反射-线校准和自动校准单元等校准过程需使用精密校准件，测量已知特性的标准器件，建立误差模型，然后在后续测量中应用误差修正校准的质量直接影响测量精度，需要定期进行并确保校准件的精度误差分析VNA测量涉及多种误差源，包括系统误差方向性、源匹配、负载匹配、反射跟踪、传输跟踪和随机误差噪声、连接器重复性、温度漂移系统误差可通过校准消除，而随机误差需要通过多次测量和平均等方法减小在高精度测量中，需要考虑连接器质量、电缆稳定性、温度变化和动态范围等因素对测量结果的影响噪声系数测量噪声系数是描述接收机或放大器噪声性能的重要参数，定义为输入信噪比与输出信噪比的比值Y因子法是最常用的噪声系数测量方法，基于两个不同温度下的噪声功率测量测量时分别连接热源通常为常温噪声源和冷源通常为液氮温度噪声源，测量输出功率比值Y，然后计算噪声系数Y因子法简单实用，但要求高精度功率测量和已知的噪声源特性冷源法是另一种噪声系数测量方法，只使用一个已知温度的噪声源进行测量噪声系数分析仪是专门用于噪声测量的仪器，集成了噪声源控制、功率测量和计算功能，能够自动完成噪声系数测量现代噪声系数分析仪还可以测量增益、Y因子和噪声温度等参数，支持频率扫描，显示噪声系数随频率的变化，是微波接收机和低噪放研发的重要工具第十章微波安全与EMC电磁兼容性1电磁兼容性EMC是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，同时不对环境中的其他设备产生不可接受干扰的能力微波系统的EMC问题尤为突出，因为微波能量容易通过辐射、传导和耦合方式影响周围设备微波EMC设计需要考虑射频干扰RFI、电磁干扰EMI和电磁敏感性EMS等多个方面微波辐射安全2微波辐射安全关注微波对人体和环境的影响微波是非电离辐射，主要通过热效应影响生物组织，过量微波照射可能导致组织温度升高，造成健康风险不同国家和组织制定了微波辐射安全标准和暴露限值，以保护公众和职业人员安全微波设备设计和使用过程中，需要遵循相关安全标准，采取适当防护措施屏蔽技术3屏蔽技术是控制电磁干扰和保护设备安全的重要手段微波屏蔽涉及材料选择、结构设计和接地技术等多个方面常用的屏蔽材料包括金属板、金属网、导电涂料和复合材料等，不同材料具有不同频率范围的屏蔽效能屏蔽结构需注意开口尺寸控制、接缝处理和电缆穿透处理等细节，确保屏蔽完整性电磁兼容基础传导干扰传导干扰是通过导体（如电源线、信号线和接地系统）传播的干扰微波系统中的传导干扰主要来自于射频电流进入电源和信号线路控制传导干扰的方法包和EMI EMS括滤波（如EMI滤波器、去耦电容）、隔离（如光电2隔离、变压器隔离）和接地系统设计（如单点接地、电磁干扰EMI是指设备产生的可能影响其他设备多点接地、混合接地）正确设计电源分配网络和接正常工作的电磁能量；电磁敏感性EMS是指设地系统是抑制传导干扰的关键备受到外部电磁干扰时的抵抗能力微波系统既1辐射干扰是EMI源（如振荡器、放大器泄漏），也可能是敏感接收者（如接收机前端）EMC设计需同时辐射干扰是通过空间以电磁波形式传播的干扰微波考虑抑制干扰发射和增强抗干扰能力两个方面，3设备因工作频率高，辐射效率高，容易产生辐射干扰实现系统内部和外部的电磁兼容控制辐射干扰的主要方法是屏蔽和吸收屏蔽通过导电材料反射或吸收电磁波；吸收材料将电磁能量转换为热能有效控制辐射干扰需要分析干扰源特性、传播路径和受害者敏感性，采取针对性措施，如优化电路布局、使用屏蔽罩和电缆屏蔽等微波辐射安全标准中国标准μW/cm²ICNIRP标准μW/cm²国际标准是确保微波设备安全运行和保护人体健康的重要依据国际非电离辐射防护委员会ICNIRP制定了广泛接受的微波辐射安全标准，规定了不同频率下的人体暴露限值这些限值区分为职业暴露限值（适用于工作环境中的人员）和公众暴露限值（适用于一般公众），后者通常为前者的五分之一标准基于已知的微波热效应，包含了足够的安全裕度中国的微波辐射安全标准主要包括GB8702《电磁环境控制限值》和GBZ1《职业健康标准·微波辐射卫生标准》这些标准规定了不同频率下的电磁辐射限值和相关测量方法合规性测试需要使用专业设备，如宽频带电场探头和微波功率密度计等随着5G等新技术的发展，微波辐射安全标准也在不断更新，以适应新的应用场景和频率范围微波屏蔽技术材料选择结构设计接地技术微波屏蔽材料是屏蔽效能的基础，不同材料微波屏蔽结构设计需考虑电磁波的传播特性良好的接地系统是有效屏蔽的关键部分接具有不同的屏蔽特性金属是最常用的屏蔽屏蔽壳体需要无缝连接，最小化接缝和开地设计需考虑直流接地、射频接地和安全接材料，如铜、铝、钢等，具有高导电率和良口必要的开口如通风孔和视窗，需设计为地的不同要求微波频段接地路径的阻抗（好的反射特性金属网和穿孔金属板在满足远小于工作波长（一般不超过波长的1/20）包括电感成分）对屏蔽效能影响显著常用通风和观察需求的同时提供屏蔽效果导电或使用波导截止原理电缆和连接器穿透是的接地方法包括单点接地（适用于低频）、织物和涂料提供灵活的屏蔽解决方案，适用屏蔽系统的薄弱环节，需使用滤波器、铁氧多点接地（适用于高频）和混合接地接地于复杂形状和便携设备吸波材料如铁氧体体磁环或屏蔽连接器控制干扰层叠屏蔽和连接点需保持低阻抗接触，通常使用导电垫和碳基材料通过吸收而非反射微波能量，在多层屏蔽可以提供更好的宽频带屏蔽效能，片、指形弹簧或导电胶等材料确保接触可靠抑制反射和谐振方面有独特优势适用于高要求应用性，减少接触电阻和腐蚀问题实验教学微波测量实验天线设计实验雷达系统实验微波测量实验是培养学生天线设计实验让学生通过雷达系统实验旨在帮助学实际操作能力的重要环节设计、制作和测试简单天生理解雷达工作原理和系基础测量实验包括微波线，掌握天线工作原理和统设计实验使用教学雷功率测量、频率测量和S参设计方法实验内容包括达系统或雷达模拟器，学数测量等，使学生熟悉常偶极天线、贴片天线和阵生通过调整发射功率、脉用微波测量仪器如功率计列天线的设计与测量学冲宽度、重复频率等参数、频谱分析仪和矢量网络生需要利用电磁仿真软件，观察这些参数对雷达性分析仪的使用方法进阶进行天线建模和优化，然能的影响实验内容包括实验包括天线参数测量、后制作实物样品，测量其距离测量、速度测量、目噪声系数测量和调制信号输入阻抗、方向图和增益标识别和抗干扰技术等分析等，培养学生解决复等参数，对比仿真和测量通过实际操作和数据分析杂测量问题的能力实验结果通过这一过程，学，学生建立起微波理论与过程强调测量规范、数据生不仅掌握天线设计技能实际应用之间的联系，培处理和误差分析，提高学，还学习团队协作和项目养系统思维和综合分析能生的工程实践能力管理力课程总结前沿技术介绍1毫米波技术、太赫兹技术、量子雷达学习方法建议2理论与实践结合、工程思维培养知识点回顾3电磁理论、微波器件、系统应用本课程系统介绍了微波技术的基础理论、器件特性和系统应用从电磁场和传输线理论出发，讲解了S参数网络分析方法和匹配技术，详细探讨了各类微波无源器件和有源器件的工作原理与应用场景在系统层面，课程涵盖了天线技术、雷达系统和微波通信系统的基本概念和设计方法，并介绍了微波测量技术和电磁兼容性问题随着科技的发展，微波技术正向毫米波和太赫兹频段拓展，集成化和智能化趋势明显未来的微波技术将更多地与人工智能、大数据等前沿技术融合，在通信、感知、能源传输等领域创造新的应用价值希望学生在掌握基础知识的同时，保持对新技术的关注和学习热情，培养自主解决问题的能力和创新思维，为未来职业发展和科研创新打下坚实基础参考资料与延伸阅读教材推荐学术论文在线资源《微波技术与天线》（刘凡等著，电子工业IEEE微波理论与技术汇刊（IEEE Microwaves101（出版社）本教材系统介绍微波基础理论和Transactions onMicrowave Theoryand www.microwaves

101.com）免费的微波天线技术，案例丰富，适合初学者Techniques）微波领域最具影响力的期刊百科全书，提供微波理论、器件和应用的基之一，发表最新研究成果础知识《微波工程》（大卫·波祖著，电子工业出版社）经典微波教材，理论讲解深入浅出IEEE天线与传播汇刊（IEEE Transactionson IEEEXplore数字图书馆提供大量微波领域，习题丰富Antennas andPropagation）天线领域权的期刊论文、会议文章和标准文档威期刊，涵盖天线设计和电磁波传播研究《天线理论与设计》（鲍思康等著，电子工CST、HFSS、ADS等软件官方教程和例子业出版社）全面介绍天线基础理论和各类提供电磁仿真和电路设计的学习资源天线的设计方法，适合深入学习天线技术IEEE微波与无线技术快报（IEEE Microwave国内外高校和研究机构的开放课程如麻省and WirelessComponents Letters）发表《雷达系统分析与设计》（梅里尔·斯科尔理工学院、斯坦福大学等提供的微波工程公微波技术领域的最新进展和创新成果尼克著，电子工业出版社）雷达领域的经开课程典著作，内容全面，深入浅出中国电子学会微波分会年会论文集展示国内微波领域的研究现状和发展趋势。