微波器件与微波技术教学课件

微波器件与微波技术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理论基础、微波无源与有源器件、微波天线、微波电路与系统、测量技术及新发展等内容微波技术作为现代电子技术的重要分支，广泛应用于通信、雷达、医疗等领域，具有重要的理论意义和实用价值通过本课程的学习，您将掌握微波技术的基本原理和应用，为进一步的专业研究和工程实践奠定坚实基础希望这门课程能够激发您对微波技术的兴趣，并帮助您在这个领域取得进步课程概述课程目标主要内容掌握微波理论基础知识，熟悉涵盖微波基础理论、传输线理各类微波器件的工作原理和特论、无源器件、有源器件、微性，具备微波系统分析与设计波天线、微波系统与电路、测能力，培养微波测量技术实践量技术、微波材料与制造工艺技能，了解行业前沿发展趋势及新技术发展等方面学习方法结合理论学习与实验实践，注重基础概念理解，积极参与课堂讨论，完成设计与仿真项目，关注微波技术在实际工程中的应用本课程采用理论与实践相结合的教学方式，通过课堂讲解、实验操作和项目设计三个环节，帮助学生系统掌握微波技术知识体系，培养分析解决问题的能力第一章微波技术基础微波的定义微波频段微波是指频率范围从300MHz到微波频段按照IEEE标准可分为L波段300GHz的电磁波，波长介于1毫米1-2GHz、S波段2-4GHz、C波段到1米之间微波属于无线电波谱的4-8GHz、X波段8-12GHz、Ku波一部分，位于无线电波和远红外线段12-18GHz、K波段18-

26.5GHz、之间，是现代通信和雷达技术的重Ka波段

26.5-40GHz等要基础微波的特点微波具有频率高、波长短、带宽大、方向性好、穿透能力强等特点微波在自由空间中以直线传播，容易受到雨、雪等天气因素和地形影响，但能够穿透大气层到达远距离微波技术已经成为现代信息时代的关键技术之一，其应用范围覆盖了通信、雷达、导航、医疗、工业加热等多个领域，对社会发展具有重大影响微波的应用领域通信雷达医疗微波通信系统包括卫星通信、微波雷达广泛应用于军事探测、微波在医学领域用于肿瘤热疗、微波中继、无线局域网、5G移气象监测、航空交通管制、车生理监测、医学成像等，微波动通信等，利用微波频段大带辆防撞等领域，利用微波反射热疗利用微波的热效应，选择宽特性实现高速数据传输，支特性实现目标探测、跟踪和识性地加热病变组织，提高治疗持语音、视频和数据业务别功能效果工业加热微波加热具有均匀、高效、选择性好的特点，广泛应用于食品加工、材料干燥、陶瓷烧结、化工合成等工业生产过程，提高生产效率随着科技的发展，微波技术的应用领域不断拓展，在农业、环保、安防等新兴领域也展现出巨大潜力，成为推动多个行业技术革新的关键力量微波传输线理论传播常数描述波在传输线上传播的衰减与相移特性特性阻抗传输线的固有电气特性参数传输线方程描述电压与电流在传输线上的分布规律微波传输线理论是微波技术的基础，用于描述高频电磁波在传输线上的传播特性传输线方程是一对偏微分方程，描述了电压和电流沿传输线的分布情况，是分析微波电路的重要工具特性阻抗Z₀是传输线的基本参数，定义为行波电压与电流的比值，与传输线的几何结构和介质特性相关传播常数γ=α+jβ由衰减常数α和相位常数β组成，描述了电磁波在传输线上传播时的衰减和相位变化史密斯圆图原理史密斯圆图是基于复反射系数与阻抗之间的变换关系，将传输线上的阻抗变换为圆图上的点，使复杂的阻抗计算转化为简单的图形操作圆图中心代表特性阻抗，外圆周对应反射系数绝对值为1使用方法通过在史密斯圆图上进行旋转操作可以计算传输线上不同位置的阻抗顺时针旋转代表向发生器方向移动，逆时针旋转代表向负载方向移动一个波长的电气长度对应圆图上旋转360度应用实例史密斯圆图常用于微波阻抗匹配设计、天线匹配网络分析、传输线变压器设计等通过圆图可直观确定匹配元件的类型和参数，简化设计过程，提高效率史密斯圆图作为微波工程师的重要工具，将复杂的数学计算转化为直观的图形操作，大大简化了微波电路设计过程熟练掌握史密斯圆图的使用方法，对于理解微波匹配技术和分析微波网络具有重要意义微波网络理论参数类型适用条件物理意义主要应用S参数高频网络入射波与反射波的微波器件特性描述关系与测量ABCD参数级联网络输入端与输出端电级联网络分析压电流关系Y参数并联网络电压与电流的导纳有源器件分析关系Z参数串联网络电压与电流的阻抗低频电路分析关系微波网络理论是描述和分析微波电路与系统的基础S参数（散射参数）是最常用的微波网络参数，直接关联入射波和反射波，适合高频网络分析和测量典型的二端口网络有四个S参数S₁₁和S₂₂表示输入和输出端的反射系数，S₂₁和S₁₂表示正向和反向传输系数不同参数之间可以通过数学关系进行转换，工程实践中应根据具体问题选择合适的参数表示方法理解这些参数的物理意义和数学关系，是掌握微波网络分析的关键微波测量技术网络分析仪频谱分析仪功率测量微波网络分析仪是测量微波网络特性的核心微波频谱分析仪用于观察信号在频域的分布微波功率测量使用功率计、功率传感器等设设备，可测量S参数、阻抗、相位等参数特性，可测量信号频谱、谐波、相噪、带宽备，可测量平均功率、峰值功率和脉冲功率现代网络分析仪频率范围可达数百GHz，具等参数频谱分析仪是诊断微波系统问题和精确的功率测量对于微波系统性能评估和设有高精度校准功能和丰富的数据处理能力评估信号质量的重要工具备安全运行至关重要微波测量技术是微波工程的重要组成部分，准确的测量结果是设计验证和故障诊断的基础随着测量仪器的数字化和智能化，微波测量的精度和效率不断提高，为微波技术的发展提供了有力支持第二章微波无源器件分类特点按功能可分为传输、匹配、功率分配、滤波不需要外部能量即可实现信号处理功能等实现方式应用可通过波导、微带线、同轴线等多种形式实广泛应用于通信、雷达、测量等微波系统中现微波无源器件是微波系统中不需要外部电源的基本元件，主要利用电磁波的传输、反射、干涉等特性实现各种功能无源器件的性能直接影响微波系统的整体性能，是构建微波系统的基础常见的微波无源器件包括衰减器、移相器、功分器、隔离器、环行器、滤波器和谐振器等这些器件可以通过不同的传输线结构（如微带线、波导、同轴线）实现，各有优缺点和适用场景微波衰减器工作原理类型应用微波衰减器基于电阻网络或吸收材料实现•固定衰减器衰减值固定不变，结构•信号电平调整与控制对微波信号能量的衰减，将部分射频能量简单•接收机前端保护转换为热能，从而降低信号幅度•可变衰减器可调节衰减量，分为机•测量系统中的参考信号建立械调节和电控调节衰减器设计需考虑阻抗匹配，确保在衰减•阻抗匹配与隔离信号的同时不引入附加反射，通常要求输•步进衰减器通过开关组合实现离散•仪器校准与性能测试衰减值入输出阻抗与系统阻抗（如50欧姆）匹配•程控衰减器由计算机控制，精确设置衰减值微波衰减器的关键性能指标包括衰减精度、频率响应平坦度、驻波比、功率承受能力和温度稳定性在高精度测量和系统设计中，选择合适的衰减器对保证系统性能至关重要微波移相器工作原理类型微波移相器通过改变传输媒质的电气按结构和控制方式可分为

①开关式长度或波的传播路径，实现对信号相移相器通过切换不同长度的传输线位的精确控制相位变化量与频率、路实现离散相位变化；

②反射式移相介质特性和结构尺寸相关移相器设器利用反射波相位变化原理；

③加计需要保证在调整相位的同时保持插载线移相器通过调整传输线上的电入损耗和阻抗匹配的稳定性抗负载；

④铁氧体移相器利用磁场控制铁氧体材料特性变化应用微波移相器广泛应用于相控阵天线系统中进行波束扫描和成形，通信系统中的调制解调，测量设备中的相位补偿和校准，以及雷达信号处理系统先进的相控阵雷达通过控制每个辐射单元的相位，实现快速电子扫描和多目标跟踪现代微波移相器技术发展趋势包括集成化、小型化和高精度化MEMS（微机电系统）技术和半导体技术的应用，使得移相器的性能不断提高，为新一代微波系统提供了关键支持微波功分器型功分器T简单的三端口结构，可实现功率分配但匹配性能较差功分器Wilkinson增加隔离电阻，实现输出端口间的良好隔离定向耦合器四端口网络，能实现功率定向分配和隔离微波功分器是将输入功率按一定比例分配到两个或多个输出端口的无源器件理想的功分器应具有低插入损耗、高隔离度、宽工作带宽和良好的输入输出匹配特性T型功分器结构简单，但各端口间匹配较差，通常需要额外的匹配网络Wilkinson功分器通过增加隔离电阻，显著改善了输出端口间的隔离度，成为微波系统中最常用的功分器类型定向耦合器能够实现输入信号的定向分配，广泛应用于信号采样、功率监测等场合微波隔离器和环行器工作原理结构应用微波隔离器和环行器是基于铁氧体材料的•隔离器双端口器件，允许信号从端•隔离器保护信号源不受负载反射影非互易器件，利用铁氧体在外加磁场作用口1传输到端口2，但阻断从端口2到端响下的非互易特性，对不同方向传播的电磁口1的传输•环行器雷达发射接收切换、天线多波表现出不同的传输特性•环行器多端口（通常为三端口）器工器件，信号依次从一个端口传输到下一当微波信号在铁氧体中传播时，由于法拉•通信系统中的信号路由与隔离个端口，形成环形传输路径第旋转效应，电磁波的偏振面会发生旋转，•测量系统中防止多次反射通过合理设计结构参数，可以实现信号在•主要构成铁氧体材料、永磁体、匹•放大器级间隔离，提高稳定性配结构和外壳特定方向上的传输或阻断•常见形式波导型、微带型、同轴型等微波隔离器和环行器的主要性能指标包括隔离度、插入损耗、驻波比、功率容量和工作带宽现代设计趋势是降低体积、提高功率容量和拓宽工作频带，以满足新一代微波系统的需求微波滤波器微波滤波器是用于选择性传输特定频率信号的无源器件，根据通带特性可分为低通、高通、带通和带阻四种基本类型滤波器设计的核心是确定电路拓扑结构和元件参数，常用的设计方法包括影像参数法、插入损耗法和耦合矩阵法微波滤波器的设计需要考虑通带内插入损耗、阻带衰减、带宽、群延时平坦度、温度稳定性等指标随着通信系统对频谱利用效率要求的提高，高选择性、小型化和可调谐微波滤波器成为研究热点超导材料和MEMS技术的应用，为高性能微波滤波器的实现提供了新途径微波谐振器腔体谐振器介质谐振器腔体谐振器是封闭的金属空腔，内部电磁场形成介质谐振器利用高介电常数材料制成，体积小于驻波主要优点是高Q值（可达10000以上）和腔体谐振器但仍保持较高的Q值，是现代微波电良好的温度稳定性，适用于高精度振荡器和窄带路中的重要元件滤波器•材料陶瓷、蓝宝石等高介电常数材料•矩形腔分析简单，易于制造•优点体积小，易于集成•圆柱腔较高的Q值，紧凑结构•挑战温度稳定性控制•谐振模式TE模和TM模应用微波谐振器在现代微波系统中应用广泛，是许多关键器件的核心元件•振荡器频率稳定元件•滤波器基本构建单元•频率标准和计量•材料特性测量•传感器和探测设备微波谐振器的选择取决于应用需求，需要权衡Q值、体积、成本和集成度等因素新型谐振结构如超导谐振器、微机械谐振器等不断涌现，为微波谐振器技术注入新的活力第三章微波有源器件定义特点基本分类需要外部能量供给，能够实现信号放大、振微波二极管、晶体管、集成电路等荡等功能应用领域性能指标信号放大、频率转换、信号产生、功率控制增益、噪声系数、线性度、效率、频率响应微波有源器件是需要外部能量（如直流电源）供给，能够实现信号放大、振荡、混频等功能的器件它们是微波系统中能量转换和信号处理的核心组件，决定了系统的整体性能与无源器件相比，有源器件的设计与使用更为复杂，需要考虑偏置、稳定性、热管理等多方面因素随着半导体工艺的发展，微波有源器件的工作频率、功率和集成度不断提高，推动了整个微波技术的进步微波二极管二极管变容二极管肖特基二极管PIN特点具有可变电阻特性，射频电阻由直流偏置控特点结电容随偏置电压变化，高Q值，低噪声特点金属-半导体结，低正向压降，快速开关速度制，高功率容量应用电压控制振荡器、频率倍增器、参量放大器、应用开关、衰减器、移相器、调制器、限幅器电子调谐应用高速开关、混频器、检波器、整流器微波二极管是最基本的微波有源器件，利用半导体材料的特性在微波频段实现各种功能除了上述三种主要类型外，还有隧道二极管、IMPATT二极管、Gunn二极管等特种微波二极管，各具特点微波二极管的性能与半导体材料、结构设计和封装技术密切相关先进的材料工艺和创新的器件结构不断推动微波二极管性能的提升，拓展其应用领域微波晶体管10GHz双极型晶体管Si和SiGe双极型晶体管最高工作频率100GHz场效应晶体管GaAs和GaN HEMT典型截止频率300GHz前沿器件InP HEMT实验室样品达到的最高频率40%功率效率GaNX波段GaN功放的典型功率附加效率微波晶体管是现代微波有源电路的核心器件，按照工作原理可分为双极型晶体管BJT、场效应晶体管FET和高电子迁移率晶体管HEMT不同类型晶体管各有优势BJT具有高线性度和低噪声优点；MOSFET具有高输入阻抗和易于集成特性；HEMT结合了高频性能和低噪声优势材料技术是微波晶体管发展的关键因素，从硅Si到砷化镓GaAs、氮化镓GaN和磷化铟InP，晶体管的频率、功率和效率不断提高特别是GaNHEMT由于高击穿电压和高电子饱和速度，在高频高功率应用中表现出色微波放大器性能指标增益、带宽、噪声系数、线性度、效率、稳定性分类方法按频率、功率、用途、工作模式等多种方式分类工作原理利用有源器件的放大特性将微弱信号转化为大功率信号微波放大器是微波系统中实现信号功率增益的关键部件，其设计涉及多学科知识放大器工作原理基于有源器件（如晶体管）的非线性特性，通过合理的偏置和匹配网络设计，实现微波信号的高效放大微波放大器可按用途分为低噪声放大器LNA、功率放大器PA、驱动放大器和中频放大器等；按工作模式分为A类、AB类、B类、C类、D类、E类和F类等；按频带分为窄带、宽带和超宽带放大器放大器的关键设计环节包括器件选择、偏置电路设计、匹配网络设计、稳定性分析和热管理等低噪声放大器功率放大器分类效率功率放大器按工作模式可分为线性放大器效率是功率放大器的核心指标，包括排流（A类、AB类）和开关模式放大器（C类、效率和功率附加效率PAEA类放大器D类、E类、F类等）线性放大器注重信理论最大效率为50%，AB类为

78.5%，C号保真度，适用于需要高线性度的应用；类高达90%，而E类和F类可接近100%开关模式放大器注重效率，适用于恒包络实际应用中，GaN功放在X波段可达40%信号或通过预失真技术实现线性化的场景以上PAE，毫米波段则降至20%左右提高效率的技术包括负载调谐、包络跟踪和Doherty架构等线性度线性度表征功放对信号失真的程度，关键指标包括1dB压缩点、三阶交调点和邻道功率比现代通信系统采用复杂调制方式，对功放线性度要求极高数字预失真、反馈线性化和Doherty架构等技术可有效改善功放线性度，但通常以效率为代价功放设计需在线性度和效率间找到最佳平衡点功率放大器是微波发射系统中最关键也最具挑战性的部件之一，其设计需综合考虑功率、效率、线性度、带宽和可靠性等多方面因素随着5G和卫星通信的发展，宽带高效率功放技术成为研究热点微波振荡器振荡条件类型相噪微波振荡器的工作基于反馈系统理论，需•LC振荡器简单但Q值低，频率稳定相位噪声是振荡器的关键性能指标，表征满足两个基本条件

①环路增益大于等于性一般输出信号相位抖动程度，通常以dBc/Hz表1（幅度条件）；

②环路相移为360度的整示相噪性能取决于谐振器Q值、有源器•介质谐振振荡器DRO中等Q值，紧数倍（相位条件）件噪声和电路设计质量凑结构振荡器设计中，通常使环路增益略大于1•谐振腔振荡器高Q值，体积大高性能振荡器常采用高Q值谐振器或锁相以确保可靠起振，同时通过非线性限幅作环技术提高相噪性能相噪直接影响通信•表面声波振荡器SAW紧凑但频率有用使振荡稳定在特定幅度系统误码率和雷达系统检测能力限•YIG振荡器宽调谐范围，高Q值•电压控制振荡器VCO可电调频率•锁相环PLL高稳定性微波振荡器是产生固定频率或可调频率微波信号的源，是各类微波系统的核心部件现代振荡器设计趋向于高集成度、低相噪和宽带可调，以满足日益增长的系统需求微波混频器基本原理混频器是基于器件非线性特性，将两个不同频率的信号相乘，产生和频与差频分量通常将输入射频信号RF与本地振荡信号LO混合，输出中频信号IF，实现频率转换功能混频器类型按结构可分为

①无源混频器使用二极管或FET实现，无需直流偏置，转换损耗较大但失真小；

②有源混频器提供转换增益，但噪声和失真较大；

③单平衡混频器抑制LO或RF泄漏；

④双平衡混频器同时抑制LO和RF泄漏，性能最佳性能指标关键性能指标包括转换损耗/增益、隔离度、噪声系数、互调失真、动态范围、LO功率需求和频率响应等设计时需根据系统要求综合考虑各项指标，做出合理权衡混频器是微波收发系统中的关键频率转换器件，广泛应用于通信、雷达、测量等系统中现代混频器普遍采用双平衡结构，结合肖特基二极管或FET实现高性能混频集成电路技术的发展使混频器实现了小型化和低成本，同时性能不断提升在系统设计中，混频器的选择需考虑工作频率范围、线性度需求、噪声要求和功率处理能力等多方面因素，确保整体系统性能达到预期目标第四章微波天线天线基本概念天线是将导行波转换为空间电磁波或反之的装置，是微波系统与外界空间进行能量交换的接口天线的工作基于电磁场理论，通过适当结构设计实现电磁波的辐射与接收•发射天线将导行电磁波转换为空间电磁波•接收天线将空间电磁波转换为导行电磁波•全向天线各方向辐射能量均匀•定向天线辐射能量集中于特定方向天线参数天线性能通过一系列参数进行量化描述，这些参数反映了天线的辐射特性、效率和阻抗特性•方向图描述天线辐射能量空间分布•增益天线辐射方向性的量化指标•方向性理想无损耗条件下的增益•辐射效率实际辐射功率与输入功率比•波束宽度主瓣半功率点间的角度•阻抗天线输入端电气特性•极化电场矢量方向特性微波天线是微波系统的关键组成部分，其性能直接影响系统的通信质量、探测能力和覆盖范围随着通信和雷达技术的发展，天线设计向着多频段、宽带、小型化和智能化方向不断演进天线辐射原理电磁波辐射远场和近场天线辐射的基本机理是时变电流在空间产生电磁场根据麦克斯天线周围的空间可分为三个区域韦方程组，时变电流会产生时变磁场，时变磁场又会产生时变电•反应近场区距离小于λ/2π，能量主要储存而非辐射场，两者相互耦合形成电磁波向外传播•辐射近场区距离介于λ/2π和2D²/λ之间，场结构复杂天线辐射可通过电偶极子模型理解交变电流在导体中流动，在•远场区距离大于2D²/λ，电场和磁场垂直且同相位空间产生时变电磁场，形成辐射场辐射场的强度与电流大小、频率和天线尺寸相关其中D为天线最大尺寸，λ为工作波长工程应用中主要关注远场特性，此时电磁波近似为球面波，场强与距离成反比理解天线辐射原理对于天线设计至关重要现代天线设计不仅依靠理论分析，还广泛采用电磁仿真软件进行精确建模和优化，使天线性能达到设计要求不同的应用场景对天线辐射特性有不同要求，需要在设计中针对性优化天线方向图天线增益和方向性定义计算方法方向性Directivity是衡量天线将能量集中方向性D=4πUθ,φ/Prad，其中Uθ,φ为在特定方向能力的参数，定义为天线在给辐射强度，Prad为总辐射功率增益定方向上的辐射强度与各向同性辐射体在G=ηD，其中η为天线效率对于半波偶极相同输入功率下平均辐射强度的比值增子，D=

1.

642.15dB；对于抛物面天线，益Gain在方向性基础上考虑了天线效率，D≈πD/λ²，其中D为天线口径，λ为波长定义为天线在给定方向上的辐射强度与各在工程应用中，增益通常通过比较测量法向同性辐射体在相同输入功率下辐射强度确定，用被测天线与标准增益天线在相同的比值条件下接收功率之比计算实际应用天线增益是系统设计中的关键参数，直接影响通信距离和信号质量雷达系统中，高增益天线可提高探测距离和分辨率；通信系统中，增益决定了信号强度和覆盖范围不同应用场景对增益要求不同移动终端天线通常为低增益全向型2-3dBi；基站天线为中等增益扇区型10-18dBi；卫星通信和雷达系统采用高增益定向天线20-50dBi天线增益与尺寸、效率和工作频率密切相关在设计中需权衡增益与带宽、尺寸等因素，并考虑实际工程限制条件现代天线设计中，通常采用阵列技术实现高增益的同时保持合理尺寸天线阻抗匹配输入阻抗天线输入阻抗是天线输入端电压与电流的比值，包含实部（辐射电阻和损耗电阻）和虚部（感抗或容抗）理想情况下，天线输入阻抗应与馈电线特性阻抗匹配，以实现最大功率传输天线阻抗与频率、几何结构和周围环境密切相关，是设计中需重点考虑的参数VSWR电压驻波比VSWR是描述阻抗匹配程度的参数，定义为驻波电压最大值与最小值之比VSWR=1+|Γ|/1-|Γ|，其中Γ为反射系数理想匹配时VSWR=1，实际工程中通常要求VSWR≤2（对应反射功率小于11%）VSWR过高会导致功率反射、传输效率降低、发射机负担增加等问题匹配技术常用的天线匹配技术包括

①集总元件匹配网络（电感、电容）；

②分布元件匹配（短截线、开路截线）；

③阻抗变换器（λ/4变换器）；

④渐变匹配结构；

⑤巴伦变换器等匹配网络设计通常借助史密斯圆图，根据负载阻抗和目标特性阻抗，确定匹配元件参数宽带匹配需要更复杂的多级匹配网络设计天线阻抗匹配是天线设计中的关键环节，直接影响系统的传输效率和性能良好的阻抗匹配不仅能提高功率传输效率，还能减少系统中的干扰和噪声随着通信系统向多频段和宽带方向发展，天线阻抗匹配技术面临新的挑战，需要更创新的解决方案常见微波天线类型偶极天线八木天线喇叭天线偶极天线是最基本的天线形式，由两个对称导八木天线由一个有源振子和多个无源元件（反喇叭天线是波导管末端的喇叭形扩展结构，能体构成标准半波偶极子长度为λ/2，阻抗约射器和引导器）组成通过元件间的电磁耦合，实现波导模式到自由空间模式的平滑过渡根73Ω，增益

2.15dBi，E面为8字形方向图，H实现定向辐射，增益随元件数增加而提高，典据开口形状分为H面、E面和锥形喇叭特点是面为圆形特点是结构简单、辐射效率高，但型值为7-15dBi优点是结构相对简单、成本低高增益（15-25dBi）、宽带宽和低侧瓣电平增益较低常用于广播接收、无线通信和作为且具有较高定向性广泛应用于电视接收、业主要用于雷达、卫星通信和作为标准增益天线更复杂天线的基本辐射单元余无线电和点对点通信中进行测量不同类型的天线各有优缺点和应用场景，天线选择需综合考虑增益需求、带宽要求、尺寸限制、成本因素和安装环境等现代系统设计中，往往采用多种天线组合或集成设计方案，以满足复杂应用需求微带天线结构由介质基板两侧的导体层构成，上层为辐射贴片，下层为接地平面优缺点优点轻薄、低剖面、易集成；缺点带宽窄、效率较低、功率容量有限应用移动通信、卫星定位、车载雷达、物联网设备等小型化系统微带天线是一种印刷天线，由介质基板上的金属贴片和地平面组成，具有重量轻、体积小、成本低和易于与集成电路结合的特点其工作原理基于贴片和地平面之间的谐振，辐射主要来自贴片边缘的电场典型的矩形微带贴片天线尺寸约为半波长，输入阻抗由馈电位置确定为克服带宽窄的缺点，研究者开发了多种改进结构，如堆叠贴片、U形槽贴片和E形贴片等现代微带天线设计广泛采用计算机辅助设计工具，能精确模拟复杂结构的性能微带天线阵列通过组合多个单元，可实现更高增益和波束成形能力，是现代通信系统和雷达系统中的重要组成部分相控阵天线工作原理相控阵天线由多个辐射单元组成，通过控制每个单元的相位和幅度，实现波束的电子扫描和成形根据阵列理论，辐射场是各单元辐射场的矢量叠加，通过调整馈电相位，可以改变波束指向而无需机械转动相控阵系统通常包括辐射单元、移相器、功率放大器、控制电路和信号处理系统等部分波束扫描波束扫描是相控阵的核心功能，通过在各辐射单元间引入线性相位差，实现波束方向的控制扫描角θ与相位差Δφ关系为Δφ=2πd/λsinθ，其中d为单元间距，λ为波长扫描范围受阵元方向图、栅瓣效应和互耦效应限制，通常在±60°范围内现代系统可实现毫秒级甚至微秒级的波束切换速度，支持多目标同时跟踪和复杂波束成形应用领域相控阵技术广泛应用于军民领域

①雷达系统用于空中监视、武器制导、气象探测和地面穿透等；

②通信系统5G基站采用多波束技术提高容量和覆盖；

③电子对抗形成自适应波束，抑制干扰源；

④航天领域卫星通信和深空探测；

⑤医疗领域超声成像和治疗随着MMIC技术和数字波束形成技术的发展，相控阵系统成本不断降低，应用范围持续扩大相控阵天线代表了天线技术的高级形式，实现了传统机械扫描无法达到的性能未来发展趋势包括全数字波束形成、混合波束形成和大规模MIMO技术，将进一步提升系统性能并降低成本第五章微波电路与系统微波电路与系统是将各类微波器件按功能需求组合形成的完整功能单元，是实现微波信号处理、传输和应用的平台随着集成电路技术发展，微波电路从分立元件逐步发展为高度集成化的系统级芯片，大幅提高了性能和可靠性，降低了体积和成本微波集成电路按集成度和工艺可分为混合集成电路HIC和单片集成电路MMIC两大类微波系统则根据功能可分为收发机系统、雷达系统和通信系统等本章将系统介绍微波电路与系统的基本概念、设计方法和关键技术，为理解现代微波技术应用奠定基础微波单片集成电路（）MMIC优势制作工艺小型化、高可靠性、批量生产成本低、一致性好光刻、外延生长、离子注入、金属化、刻蚀等半2导体工艺应用材料通信终端、雷达模块、卫星设备、测量仪器GaAs、GaN、SiGe、InP等半导体材料微波单片集成电路MMIC是将有源和无源器件在单一半导体衬底上通过半导体工艺集成的微波电路与传统分立器件相比，MMIC具有体积小、重量轻、高可靠性和批量生产一致性好等优势，已成为现代微波系统的核心组件MMIC常用材料包括GaAs、GaN、SiGe和InP等，各有特点GaAs具有高迁移率和半绝缘特性，是最常用的MMIC材料；GaN具有高击穿电压和热导率，适合高功率应用；SiGe成本低且易与数字电路集成；InP性能最佳但成本高典型MMIC包括低噪声放大器、功率放大器、混频器、振荡器、衰减器和移相器等功能模块，工作频率可覆盖从几GHz到100GHz以上的范围微波混合集成电路特点制作方法应用实例微波混合集成电路HIC将分立器件、薄膜电路和HIC制作涉及多种工艺技术，主要包括HIC技术广泛应用于各类微波系统中MMIC芯片组装在同一基板上，形成功能完整的微•基板材料选择氧化铝、氮化铝、Rogers等•雷达前端收发模块T/R模块波模块•薄膜工艺溅射、蒸发等形成导体和电阻膜•通信系统上下变频器•集成度介于分立电路和MMIC之间•光刻工艺定义电路图案•宽带放大器模块•设计灵活性高，开发周期短•装配工艺芯片粘接、引线键合•频率合成器•性能与成本的折中方案•封装工艺保护电路免受环境影响•微波测量仪器部件•易于实现复杂功能和高性能指标微波混合集成电路在众多应用中仍具有不可替代的优势，特别是在高性能、小批量或对电路特性有特殊要求的场合随着新材料和新工艺的发展，HIC技术不断革新，与MMIC和系统级封装SiP技术相结合，为微波系统提供更优化的解决方案微波收发机天线1接收和发射电磁波，实现空间与电路间的能量转换收信机将接收信号放大、滤波、下变频并解调，恢复原始信息发信机将基带信号调制、上变频、功率放大，准备发射收发切换协调收发时序，防止高功率发射信号损坏接收电路微波收发机是实现微波信号发射和接收功能的系统，是无线通信和雷达系统的核心部件典型的微波收发机由发信机、收信机、收发切换单元和频率合成器等组成现代收发机多采用超外差结构，通过多次频率转换实现高性能接收收发机设计的关键性能指标包括灵敏度（最小可检测信号电平）、动态范围（最大与最小可处理信号之比）、信噪比、选择性（抗干扰能力）和信号保真度随着半导体技术发展，现代收发机趋向高集成度、低功耗和软件定义架构，支持多模多频和智能化运行，为下一代无线通信提供硬件基础微波雷达系统工作原理雷达系统通过发射电磁波并接收目标反射回波，分析回波特性获取目标信息基本工作流程包括信号发射→电磁波传播→目标散射→回波接收→信号处理→信息提取雷达方程R⁴=PtG²λ²σ/4π³PminL描述了雷达探测距离与系统参数的关系，是雷达设计的理论基础类型根据工作方式可分为

①脉冲雷达发射短时间脉冲，通过测量回波延迟确定距离；

②连续波雷达不间断发射，利用多普勒效应测速；

③调频连续波FMCW雷达通过频率调制实现距离测量和速度测量根据应用可分为监视雷达、跟踪雷达、成像雷达、气象雷达和导航雷达等根据频段可分为L波段、S波段、C波段、X波段和毫米波雷达等应用微波雷达系统应用广泛

①军事领域空中监视、武器制导、预警探测；

②民用航空空中交通管制、机场监视；

③航海导航船舶避碰、港口管理；

④气象监测降水观测、风暴预警；

⑤地球遥感地形测绘、资源勘探；

⑥车载雷达自动驾驶、碰撞预警；

⑦工业应用液位测量、速度检测近年来，随着毫米波技术和数字信号处理技术发展，雷达系统向小型化、智能化和多功能方向发展现代雷达系统通常结合相控阵天线、数字波束形成技术和先进信号处理算法，实现多目标探测、跟踪和识别能力，为军事防御和民用安全提供关键技术支持微波通信系统系统构成调制解调链路预算微波通信系统由信源、调制器、发射机、传调制技术将基带信号转换为适合传输的射频链路预算是通信系统设计的基础，计算信号输媒介、接收机、解调器和信宿组成系统信号，解调则完成逆过程常用调制方式包从发射端到接收端的功率变化，评估系统可设计需考虑频率规划、带宽分配、多址接入括靠性主要考虑因素包括方式和网络拓扑结构等因素•幅度调制ASK、QAM•发射功率和天线增益现代通信系统通常采用多层架构，包括物理•频率调制FSK、GMSK•自由空间损耗层（射频前端、调制解调）、数据链路层•相位调制PSK、QPSK•大气衰减和降雨衰减（帧同步、差错控制）和网络层（路由、流•扩频技术DSSS、FHSS•接收机噪声系数控）等，各层协同工作确保可靠通信•多载波技术OFDM•系统冗余度高阶调制可提高频谱效率，但对信噪比要求链路余量=接收信号电平-接收灵敏度，通常设更高现代系统常采用自适应调制，根据信计保留10-20dB余量确保可靠通信道质量动态调整调制方式微波通信系统是现代信息社会的基础设施，从蜂窝移动通信到卫星通信，从点对点微波中继到无线局域网，微波技术使信息能够快速、可靠地传输随着5G/6G技术发展，微波通信系统将向更高频段、更大带宽和更智能化方向演进第六章微波测量技术测量原理测量参数基于电磁波特性测量电路参数和信号特性频率、功率、阻抗、噪声、相位等常用仪器应用领域网络分析仪、频谱分析仪、功率计、噪声系数分析器件表征、系统调试、质量控制、科学研究仪微波测量技术是微波工程的重要组成部分，为器件研发、系统设计和质量控制提供了必要手段由于微波频段高、波长短，传统低频测量方法不再适用，需要专门的测量理论和技术微波测量面临的主要挑战包括信号衰减大、连接器和传输线影响明显、寄生效应显著以及校准困难等现代微波测量仪器采用先进的数字信号处理技术和校准算法，大大提高了测量精度和效率本章将系统介绍微波测量的基本原理、常用仪器和测量方法，为微波技术的工程实践提供指导网络分析仪工作原理网络分析仪通过测量入射波与反射波的关系，获取被测器件的网络参数矢量网络分析仪VNA能测量信号的幅度和相位，而标量网络分析仪SNA只能测量幅度典型的VNA结构包括信号源、信号分离单元（桥路或定向耦合器）、接收机和信号处理部分测量方法网络分析仪主要用于测量S参数，这些参数完整描述了微波网络的特性对于二端口网络，S₁₁表示输入反射系数，S₂₁表示正向传输系数，S₁₂表示反向传输系数，S₂₂表示输出反射系数测量时，将被测器件连接到网络分析仪测试端口，通过切换内部信号路径测量各个S参数校准技术校准是网络分析测量的关键步骤，用于消除系统误差常用校准方法包括

①SOLTShort-Open-Load-Thru校准使用短路、开路、匹配负载和直通标准件；

②TRLThru-Reflect-Line校准适用于难以获得精确标准件的场合；

③自动校准单元内置多种标准件，简化校准过程校准后系统误差可降低到-40dB以下现代网络分析仪具备强大的数据处理能力，可直接显示多种格式的测量结果，如Smith圆图、极坐标图、群延时和时域响应等高端网络分析仪频率范围可达110GHz甚至更高，支持非线性测量和材料特性测量等高级功能，是微波工程中最重要的测量仪器之一频谱分析仪结构频谱分析仪主要由射频前端、本振系统、混频器、IF滤波器、检波器和显示系统组成现代频谱分析仪多采用数字信号处理技术，提高测量精度和功能灵活性测量参数频率范围、频谱分布、功率电平、占用带宽杂散信号、谐波成分、调制特性、相位噪声应用信号特性分析、设备故障诊断、干扰检测EMC测试、通信系统调试、雷达系统验证频谱分析仪是在频域观察信号特性的专用仪器，通过扫频方式或快速傅里叶变换FFT方式实现频谱显示与示波器不同，频谱分析仪显示信号的频率成分及其功率分布，能直观反映信号的频域特性频谱分析仪的关键性能指标包括频率范围、分辨带宽RBW、显示动态范围、相位噪声和扫描速度等使用时需根据测量对象合理设置频率扫描范围、分辨带宽、视频带宽和参考电平等参数，以获得准确测量结果随着数字技术发展，现代频谱分析仪集成了多种测量功能，如信道功率、占用带宽、邻道泄漏比和调制分析等，极大提高了测量效率功率测量功率计热电偶功率计是微波功率测量的主要仪器，根据热电偶功率传感器是基于热电效应工作的传感器类型可分为热电功率计和二极管功功率测量元件，将微波功率转换为直流电率计热电功率计基于热效应，测量精度压输出其优点是良好的频率响应平坦度高但响应慢；二极管功率计基于二极管检和较高的精度，适合作为功率测量标准波特性，响应快但动态范围有限现代功热电偶传感器通常需要校准系数校正频率率计多采用USB接口功率传感器，直接与响应，现代高性能传感器覆盖DC-50GHz计算机连接，提高便携性和测量效率频率范围，测量精度可达±

0.5%测量注意事项微波功率测量需注意以下几点

①确保传感器与被测信号阻抗匹配；

②考虑连接器和电缆引入的损耗；

③注意传感器的功率量程，避免过载损坏；

④脉冲信号测量需考虑峰值功率和占空比；

⑤高精度测量应控制环境温度并定期校准；

⑥毫米波段测量需特别注意连接器重复性和校准质量功率是微波系统中最基本的参数之一，准确的功率测量对系统设计、性能评估和安全运行至关重要随着通信系统向复杂调制方式发展，现代功率测量技术也在不断革新，出现了峰值功率分析仪、调制功率分析仪等新型测量仪器，以适应新的测量需求噪声系数测量因子法冷热源法测量步骤YY因子法是最常用的噪声系数测量方法，利用热噪冷热源法使用两个不同温度的匹配负载作为噪声源，使用噪声系数分析仪进行测量的典型步骤包括

①声源在不同温度下产生的噪声功率不同来计算被测如液氮温度77K和室温290K，测量两种温度下校准仪器和噪声源ENR值；

②进行系统校准，建立设备的噪声系数测量时分别记录热噪声源接通系统输出功率之比计算噪声系数这种方法精度高参考平面；

③连接被测器件；

④执行测量并记录结ON和关闭OFF状态下的输出功率P₁和P₂，计但操作复杂，主要用于高精度校准和研究冷热源果；

⑤必要时对测量结果进行修正，考虑连接器损算Y=P₁/P₂，然后利用公式F=ENR/Y-1计算噪法的优点是不需要预先校准的噪声源，可直接利用耗、温度变化等因素现代噪声系数分析仪能自动声系数，其中ENR为噪声源的过剩噪声比热力学温度计算执行校准过程并显示频率相关的噪声系数和增益结果噪声系数是衡量接收系统灵敏度的关键参数，代表系统对信号的噪声贡献良好的测量实践需要控制环境温度、减少外部干扰、使用高质量连接器和正确选择测量频率范围随着系统频率向毫米波段扩展，噪声系数测量技术也在不断发展，以应对更高频率下的测量挑战相位噪声测量天线测量远场测量近场测量暗室测量远场测量是在满足远场条件距离2D²/λ，D近场测量在天线近场区域采集场分布数据，微波暗室是专门设计用于电磁波测量的屏蔽为天线口径下进行的测量方法，直接获取天通过近远场变换计算远场特性室，内壁覆盖吸波材料，减少电磁波反射线远场方向图•平面近场扫描适合高增益平面天线•矩形暗室适合近场和小型天线测量•室外测试场开阔空间，减少多径效应•柱面近场扫描适合扇形波束天线•紧缩场暗室使用反射面缩短测量距离•天线转台精确控制测量角度•球面近场扫描适合全向或宽波束天线•半/全消音室分别用于EMC和声学测试•标准增益天线提供参考增益近场测量的优势是空间需求小、环境控制好，暗室性能由屏蔽效能和电波反射系数决定，•测量参数增益、方向图、极化特性但需要复杂的数据处理和高精度扫描系统高性能暗室反射系数可低至-50dB远场测量的主要挑战是需要足够大的空间和稳定的测试环境，大型天线测量尤为困难天线测量是验证天线设计和性能的关键步骤，测量精度直接影响系统性能评估的可靠性随着相控阵和MIMO系统的普及，现代天线测量技术也在不断发展，出现了多通道同步测量、快速扫描和实时处理等新技术，提高了测量效率和精度第七章微波材料与器件制造微波材料特性微波材料的关键电磁参数包括介电常数εᵣ、损耗角正切tanδ、磁导率μᵣ和电导率σ这些参数决定了材料在微波频段的传输、反射、吸收和损耗特性理想的微波传输材料应具有稳定的介电常数、低损耗和良好的温度稳定性介质基板材料常用Rogers、PTFE、氧化铝和氮化铝等；磁性材料包括铁氧体和石墨烯等；导电材料主要有铜、金、银和铝等制造工艺微波器件制造涉及多种精密工艺，包括

①薄膜工艺物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD等形成微米级薄膜；

②光刻工艺利用掩模板和光敏材料定义微细图形；

③刻蚀工艺湿法刻蚀和干法刻蚀去除多余材料；

④封装工艺芯片粘接、引线键合和密封保护微波MMIC制造采用GaAs、GaN等半导体工艺，而混合集成电路则结合薄膜、厚膜和SMT技术实现微波材料与器件制造技术的进步直接推动了微波系统的性能提升随着5G通信和毫米波应用的发展，对材料和工艺的要求不断提高新型材料如液晶聚合物LCP、低温共烧陶瓷LTCC和三维打印技术的应用，为微波器件提供了更多设计自由度和性能优化空间本章将详细介绍微波材料的电磁特性、选择原则、测量方法以及各种微波器件制造工艺，帮助读者理解材料特性与器件性能的关系，掌握微波器件制造的基本知识常用微波材料微波材料按功能可分为介质材料、磁性材料和导电材料三大类介质材料主要用于波导、谐振器和基板，重要参数包括介电常数εᵣ、损耗角正切tanδ和温度系数常用介质材料有PTFE/玻璃纤维复合材料如Rogers系列，εᵣ=

2.2-

10.

2、陶瓷材料如氧化铝，εᵣ≈10和高介电常数陶瓷εᵣ=20-90等磁性材料主要用于隔离器、环行器和移相器，关键参数是饱和磁化强度、矫顽力和居里温度铁氧体是最常用的微波磁性材料，包括尖晶石型和石榴石型导电材料用于制作传输线、天线和接地平面，铜因良好导电性和成本优势被广泛使用，而金和银则用于需要高导电性和抗氧化性的场合新型材料如超导体、液晶聚合物和石墨烯等正逐渐应用于特殊微波器件，提供独特的性能优势微波印制电路板基板选择微波印制电路板的基板选择是设计的首要环节，需考虑电气性能、机械性能和环境适应性常用评价指标包括

①介电常数εᵣ和均匀性；

②损耗角正切tanδ；

③介电常数温度系数；

④热导率和热膨胀系数；

⑤机械强度和加工性；

⑥成本和可获得性根据应用需求，可选择Rogers系列高性能、FR-4低成本、PTFE低损耗或氧化铝陶瓷高导热等材料设计考虑微波PCB设计需特别注意

①传输线阻抗控制，通常采用50Ω或75Ω特性阻抗；

②信号完整性和反射控制；

③损耗预算和补偿；

④耦合和隔离设计；

⑤接地孔布局和密度；

⑥热设计和散热措施设计工具通常使用专业电磁仿真软件如HFSS、CST或ADS等，结合线路理论计算和经验规则，确保设计性能符合要求制作工艺微波PCB制造工艺比普通PCB更为精细，主要包括

①基板前处理和清洁；

②图形形成光刻或激光直写；

③精密蚀刻控制边缘平直度和下切；

④表面处理镀金、镀银或OSP；

⑤钻孔和金属化关键孔位和镀通要求；

⑥测试和检验阻抗、损耗和图形精度高频PCB制造需严格控制线宽公差通常±

0.02mm和基板厚度均匀性，以确保电气性能的一致性微波印制电路板技术是现代微波系统的重要基础，随着应用频率向毫米波扩展，PCB材料和工艺面临新的挑战先进的材料配方、精密制造工艺和严格的质量控制是确保高性能微波PCB的关键因素微波器件封装封装类型热管理常见的微波器件封装形式包括金属壳、陶瓷和塑料封装通过散热基板、热沉和热界面材料提高散热效率3性能考虑电磁兼容性寄生效应控制、信号完整性和可靠性设计屏蔽设计、接地策略和滤波技术降低电磁干扰微波器件封装是保护芯片免受环境影响并提供电气和机械接口的关键工艺与低频器件相比，微波封装需要特别考虑寄生效应、信号完整性和热管理问题常见封装类型包括

①金属壳封装提供最佳屏蔽和散热性能，适用于高性能应用；

②陶瓷封装如LTCC良好的高频特性和热匹配性；

③塑料封装成本低但高频性能受限；

④裸片封装最小寄生效应但保护性差封装设计中的关键考虑因素包括引脚引出方式引线键合、倒装芯片等、阻抗匹配最小化不连续性、信号过渡结构微带到同轴等、热管理策略和机械稳定性随着器件工作频率提高，封装寄生效应的影响日益显著，需要通过精确建模和补偿技术降低其影响系统级封装SiP和三维封装技术的发展，为高集成度微波模块提供了新的解决方案微波薄膜工艺薄膜沉积光刻技术刻蚀技术薄膜沉积是在基板表面形成均匀薄层材料的光刻是利用光敏材料和掩模将设计图形转移刻蚀是选择性去除材料形成所需结构的工艺，过程，是微波集成电路制造的基础工艺常到基板上的工艺，决定了微波电路的精度和分为湿法刻蚀和干法刻蚀用的沉积方法包括分辨率基本步骤包括•湿法刻蚀使用化学溶液，具有高选择性•物理气相沉积PVD如蒸发、溅射等•光刻胶涂覆均匀涂布感光材料•化学气相沉积CVD如PECVD、•预烘去除溶剂，提高附着力•干法刻蚀如反应离子刻蚀RIE、离子束MOCVD等刻蚀IBE•曝光通过掩模选择性照射紫外光•电化学沉积如电镀、无电镀等•显影去除曝光正胶或未曝光负胶区微波电路刻蚀需控制边缘陡直度和下切量，•溶液法如旋涂、浸渍等域避免刻蚀不均匀导致的阻抗变化和寄生效应•后烘增强光刻胶耐蚀刻性金属层常用湿法刻蚀如FeCl₃刻蚀铜，而半微波电路常用薄膜材料包括金属膜铜、金、导体和介质层多采用干法刻蚀以获得更好的铬、绝缘膜SiO₂、Si₃N₄和半导体薄膜微波器件制造通常采用接触式或投影式光刻，方向性和精度控制GaAs、InP等分辨率可达微米级微波薄膜工艺是微波集成电路和MEMS器件制造的核心技术随着微波器件向更高频率和更小尺寸发展，对薄膜工艺精度和一致性的要求不断提高，推动了微纳加工技术在微波领域的应用微波器件测试与筛选参数测试测量电气参数，如S参数、噪声系数、线性度、功率等环境测试2在极端温度、湿度、震动等条件下验证性能老化试验在加速条件下长时间运行，筛选早期失效器件最终测试全面验证器件功能和性能，确保符合规格微波器件测试与筛选是保证产品质量和可靠性的关键环节，涵盖从芯片到模块的全流程测试测试流程通常包括

①晶圆测试在芯片切割前进行初步参数验证；

②器件测试切割封装后的全参数测试；

③环境测试验证在各种环境条件下的性能稳定性；

④可靠性测试加速老化和应力测试；

⑤系统级测试在实际应用条件下的功能验证可靠性考虑是微波器件筛选的核心，主要关注以下方面

①热稳定性温度循环、热冲击和高温工作测试；

②机械可靠性振动、冲击和弯曲测试；

③湿度敏感性高温高湿测试；

④静电放电ESD敏感性；

⑤电迁移和时间相关击穿风险先进的微波器件测试系统采用自动化测试平台，结合统计过程控制SPC方法，实现高效率、高一致性的测试筛选，确保产品满足航空航天、军事和通信等领域的严格要求第八章微波技术新发展太赫兹技术通信5G/6G太赫兹波是介于微波和红外线之间的电磁波，频率范围为

0.1-10THz太赫兹技毫米波频段是5G/6G通信的关键频谱资源，支持超高速数据传输和低延迟服务术具有波长短、穿透性强、无电离辐射等特点，在安全检查、医学成像和高速毫米波通信面临的主要挑战包括传播损耗大、穿透能力弱和雨衰严重等，需要通信等领域展现出巨大应用前景创新技术解决•太赫兹源量子级联激光器、光子混频器•大规模MIMO多天线技术提高频谱效率•太赫兹探测器肖特基二极管、热辐射计•波束成形智能天线技术增强信号方向性•信号处理太赫兹时域光谱技术•小基站密集部署提高覆盖率微波技术正迎来新一轮快速发展，从传统微波频段向毫米波和太赫兹频段拓展，应用场景也从通信雷达向医疗、安全、能源等多领域扩展材料科学、半导体工艺和人工智能等交叉学科的进步，为微波技术注入新的活力，推动形成新的技术突破点本章将重点介绍微波技术的前沿发展方向，包括太赫兹技术、毫米波通信、微波成像、微波光子学等，帮助读者了解行业发展趋势和未来应用前景太赫兹技术

0.1-10THz频段特点太赫兹波位于微波和红外线之间的电磁频谱区域30μm-3mm波长范围具有微波和光波的双重特性10Gbps+通信容量理论上可实现超高速数据传输10-100m传输距离在大气中受水汽吸收严重限制太赫兹技术是近年来发展迅速的前沿领域，被称为电磁波谱的最后前沿太赫兹波具有独特的物理特性能够穿透纸张、塑料、陶瓷等非极性材料而被金属和水强烈反射；其光子能量低，不会引起电离效应，对生物组织安全；许多物质在太赫兹频段有特征吸收谱，可用于物质识别和分析太赫兹技术面临的主要挑战包括高效可靠的源与探测器、低损耗传输媒质和高性能器件目前太赫兹源主要有电子型如回旋管、BWO和光电型如光电混频两类；探测器包括热探测器、肖特基二极管和场效应晶体管等应用领域涵盖安全检查如隐藏武器探测、无损检测如集成电路内部缺陷、生物医学成像和超高速无线通信等随着材料科学和器件工艺的进步，太赫兹技术将迎来更广阔的应用前景微波技术5G/6G毫米波通信大规模波束成形MIMO毫米波是指频率在30-300GHz大规模多输入多输出Massive波束成形技术通过控制天线阵范围的电磁波，波长在1-10毫MIMO技术是5G/6G通信的核列的相位和幅度，形成指向特米之间5G通信首次大规模采心技术之一，通过在基站集成定方向的定向波束，增强信号用24GHz、28GHz、39GHz等大量天线单元（数十至数百强度并抑制干扰在毫米波系毫米波频段，提供数GB/s的传个），实现空间多路复用和波统中，波束成形是克服路径损输速率毫米波通信的主要特束成形这种技术显著提高了耗的关键技术现代波束成形点是大带宽（每信道可达数百频谱效率和系统容量，降低了技术分为模拟波束成形、数字MHz甚至GHz级）和高方向性，单用户功率需求在毫米波频波束成形和混合波束成形，各但同时面临传播衰减大、穿透段，天线尺寸缩小，更易于实有优缺点先进的自适应波束能力弱和多径效应复杂等挑战现大规模阵列基于GaN和硅成形算法能根据用户位置和信关键技术包括新型天线设计、基技术的高集成度收发芯片使道状况动态调整波束方向和形高性能毫米波芯片和先进信道大规模MIMO从理论走向实用，状，优化系统性能，支持高移编码成为5G基站的标准配置动性场景下的可靠通信随着5G商用部署的推进和6G研究的启动，微波毫米波技术面临新的发展机遇和挑战未来研究方向包括太赫兹通信（100GHz以上）、智能反射表面、轨道角动量复用和新型材料器件等6G预计将实现Tbps级传输速率、微秒级延迟和无缝全球覆盖，支持全息通信、数字孪生和智能互联等革命性应用场景微波成像技术原理应用领域最新进展微波成像是利用微波与物体相互作用时产生的反射、透射微波成像技术已在多个领域展现出独特优势

①安全检查微波成像技术近年来取得多项突破

①多频段联合成像或散射信号重建物体内部结构的技术根据工作方式可分机场安检系统可透过衣物探测隐藏物品；

②医学成像乳结合不同频段微波优势，提高分辨率和对比度；

②人工智为主动成像（主动发射微波并接收回波）和被动成像（接腺癌早期筛查、脑出血监测；

③无损检测建筑结构内部能辅助深度学习算法提升图像重建质量和目标识别能力；收物体自身辐射）成像算法包括合成孔径雷达SAR技术、缺陷检测，如混凝土裂缝；

④地球遥感地下水资源探测、

③实时三维成像通过并行计算和专用处理器实现快速三反向传播算法和压缩感知重建等，将接收到的微波信号转土壤湿度监测；

⑤军事应用穿墙雷达、隐藏目标探测；维重建；

④多静态雷达阵列多收发机协同工作提高空间换为二维或三维图像，展示目标内部结构和特性分布

⑥工业检测管道内壁腐蚀检测、密封容器内容物分析分辨率；

⑤双极化成像利用极化信息增强材料特性区分；这些应用利用微波良好的穿透性和对不同材料介电特性的

⑥便携式设备小型化、低功耗设计使便携应用成为可能，敏感性如手持式穿墙雷达和可穿戴医疗监测设备微波成像技术正朝着高分辨率、实时处理和智能化方向发展，在医疗诊断、安全防护和工业检测等领域展现出广阔应用前景相比X射线和超声波，微波成像具有无电离辐射、适中穿透深度和对含水组织高敏感度等优势，在特定应用场景中具有不可替代的作用微波光子学概念微波光子学是研究微波与光波相互作用及其应用的交叉学科，将微波技术与光子技术结合，利用光学器件处理微波信号基本原理是将微波信号调制到光载波上，经光学处理后再转换回微波域核心器件包括电光调制器、光探测器、光波导和光纤等这种技术结合了光的宽带宽、低损耗传输和电磁干扰免疫等优势，为微波信号处理提供了新途径优势微波光子技术相比传统纯电子微波技术具有显著优势

①超宽带宽可处理DC至数百GHz的信号；

②低传输损耗光纤传输损耗仅

0.2dB/km，远低于同轴电缆；

③抗电磁干扰光传输不受电磁干扰影响；

④重量轻光纤重量仅为同轴电缆的几十分之一；

⑤电气隔离光链路提供天然电气隔离；

⑥可重构性光学滤波器可实现灵活频率选择；

⑦延迟可控通过改变光路长度精确控制时延；

⑧波形生成可直接产生复杂微波波形应用实例微波光子技术已在多个领域取得应用突破

①雷达系统相控阵雷达的光学馈电网络和真时延波束成形；

②通信系统下一代无线接入网络的前传和回传链路；

③信号处理超宽带微波信号滤波和频谱分析；

④测量技术高精度相位噪声测量和时频基准分配；

⑤电子战宽带电子侦察和干扰系统；

⑥航空航天卫星通信和飞行器内部信号传输；

⑦5G/6G通信频率上变换和分布式天线系统这些应用充分利用了微波光子技术在带宽、损耗和灵活性方面的优势微波光子学是当前微波技术发展的重要方向之一，随着集成光电子技术的进步，微波光子集成电路MPIC正逐步取代分立器件方案，实现小型化、低功耗和高可靠性硅光子学、氮化硅波导和锂铌薄膜等新材料平台为微波光子技术提供了广阔发展空间，有望推动新一代微波系统的革命性变革微波无线能量传输工作原理系统组成1利用微波作为能量载体在空间传输并转换为电能发射系统、波束控制、整流天线和能量管理电路应用前景技术难点空间太阳能、无人机充电、物联网供电和医疗植入传输效率、方向性控制、安全防护和系统集成3设备微波无线能量传输WPT技术利用微波作为能量载体，实现能量的无线传输，解决传统有线供电的局限性系统由发射端和接收端组成发射端将电能转换为微波能量并定向发射；接收端通过整流天线Rectenna将微波能量转换回直流电能技术核心在于提高系统转换效率和安全性，关键性能指标包括直流-微波转换效率、传输效率、微波-直流转换效率和系统总效率微波WPT面临的主要挑战包括

①传输效率自由空间传播损耗大，需高增益定向天线和精确对准；

②功率密度限制需符合电磁辐射安全标准通常10mW/cm²；

③整流效率高效整流器设计复杂，且效率随功率变化；

④波束控制动态目标需实时跟踪和波束调整；

⑤系统集成小型化与高效率的平衡尽管挑战重重，该技术在太空太阳能电站、无人机续航、传感器网络供电等领域仍展现出巨大潜力，是未来能源技术的重要发展方向微波等离子体技术原理应用发展趋势微波等离子体技术是利用微波能量激发气体分子•材料处理薄膜沉积、表面改性、等离子体微波等离子体技术的发展趋势主要表现在以下几电离，形成高能等离子体状态的技术当微波能刻蚀个方面量传递给气体分子时，引起电子加速和碰撞电离，•环境治理废气分解、水处理、土壤修复•大气压等离子体无需真空系统，适用范围产生自由电子和离子，形成等离子体等离子体•医疗应用伤口消毒、组织修复、癌症治疗更广中包含高能电子、离子、自由基和激发态分子等活性粒子，具有高反应活性•能源技术燃料重整、等离子体点火、煤气•精确控制时空分辨的等离子体参数控制化•智能化系统基于传感反馈的自适应控制微波等离子体的产生通常采用腔体谐振器、表面•先进制造纳米材料合成、3D打印表面处理•低功耗化提高能量利用效率，降低运行成波传播器或雾化器等结构，工作频率主要为•航空航天推进系统、流动控制、热防护本

2.45GHz或915MHz与传统热等离子体相比，微波等离子体具有电子温度高、气体温度低、启微波等离子体应用广泛，从半导体制造到环境保•多物理场协同与其他场如磁场结合增强效动快速和能量传递效率高等特点护，从医疗健康到新能源开发，展现出强大的应果用潜力•小型集成化便携式和模块化设备开发微波等离子体技术作为一种清洁、高效的加工和处理手段，正在各领域展现出革命性应用潜力随着微波器件性能提升和等离子体物理认识深入，未来微波等离子体技术将更加精确可控，为材料科学、环境保护和能源技术等领域提供创新解决方案微波计算与人工智能微波神经网络基于微波元件实现的物理层神经网络计算架构智能微波系统2结合AI算法的自适应雷达和通信系统未来展望边缘智能和实时决策的微波感知平台微波计算是一种利用微波器件直接执行计算任务的新兴技术范式，结合人工智能算法，为下一代智能系统提供了全新架构微波神经网络是其核心研究方向，采用微波无源元件如功分器、移相器和衰减器构建物理层神经元和突触，利用电磁波传播特性实现矩阵乘法等基本运算与传统数字计算相比，微波计算具有并行处理、高速运算和低功耗等优势，特别适合处理高维数据的实时分析智能微波系统是AI与微波技术融合的产物，主要包括

①认知雷达能够感知环境并自适应调整参数的智能雷达系统；

②自适应通信根据信道状态动态优化波形和资源分配；

③智能传感网络分布式微波传感器协同工作，提供环境全面感知；

④数据驱动设计利用深度学习优化微波器件与系统设计这些系统利用AI算法处理微波信号，提取有价值信息，适应复杂电磁环境，极大扩展了微波技术的应用范围未来，随着专用微波计算芯片和边缘智能技术的发展，微波与AI的结合将催生更多创新应用，为智能感知、通信和计算领域带来变革性突破课程总结学习建议理论与实践相结合，关注行业发展前沿重点难点复杂电磁场分析、匹配技术、非线性电路设计知识回顾从基础理论到前沿应用的微波技术体系通过本课程的学习，我们系统了解了微波技术的基础理论、器件原理、系统应用和发展趋势从微波基本概念开始，深入探讨了传输线理论、网络分析、无源与有源器件、天线技术、微波系统、测量方法以及新兴技术方向，构建了完整的微波技术知识体系课程重点在于理解微波传输线理论、S参数网络分析、匹配技术和微波系统设计原理，这些是微波工程的基础难点主要集中在复杂电磁场分析、高频电路设计、非线性效应处理和系统集成优化等方面建议在学习过程中注重理论与实践结合，通过仿真工具辅助理解复杂概念，并积极参与实验操作，培养动手能力和工程思维同时，保持对行业前沿的关注，了解微波技术在5G/6G通信、汽车雷达、医疗电子等领域的最新应用，拓展知识视野，为未来职业发展打下坚实基础结语与展望微波技术的重要性未来发展方向微波技术作为现代电子信息技术的重要分支，在通微波技术未来发展呈现出以下趋势

①频率向更高信、雷达、导航、医疗和工业等众多领域发挥着不频段拓展，从毫米波到太赫兹波；

②系统趋向智能可替代的作用它是信息时代的基础技术，支撑着化，结合人工智能实现自适应和认知功能；

③器件我们日常生活中使用的无线通信、导航定位和遥感向集成化和小型化发展，推动片上系统的广泛应用；探测等系统随着社会数字化进程加速，微波技术

④多技术融合，与光子学、量子技术和生物技术交的重要性日益凸显，成为国家科技实力和产业竞争叉创新；

⑤绿色低碳，追求高能效和环境友好的技力的关键指标术方案这些方向将推动微波技术在新一代通信、物联网、智能交通、健康医疗和航空航天等领域创造更大价值学习与研究建议对于微波技术的学习与研究，建议

①打牢基础，掌握电磁场理论和网络分析等核心知识；

②跨学科学习，了解相关领域如通信理论、材料科学和计算机技术；

③关注应用，深入理解行业需求和市场动态；

④动手实践，积极参与设计、仿真和测试工作；

⑤培养创新思维，敢于挑战传统解决方案；

⑥保持国际视野，跟踪全球技术发展趋势微波技术是一个充满活力和机遇的领域，需要持续学习和创新才能在快速发展的科技浪潮中把握先机微波技术已经走过了一个世纪的发展历程，从早期的雷达系统到如今的5G通信网络，不断突破技术限制，创造新的应用可能展望未来，随着材料科学、半导体工艺和计算技术的进步，微波技术将继续革新，为人类社会的智能化、信息化和可持续发展提供强大技术支撑希望通过本课程的学习，能够激发大家对微波技术的兴趣和热情，为未来的科研创新和工程实践奠定坚实基础。