微波技术简介

注释：摘自 Artech House 的 Thomas S. Laverghetta 的《简化的微波和无线》一书

微波用于雷达、无线电传输、烹饪和其他已成为现代社会必不可少的应用。微波是电磁波，通常定义为位于 100 MHz（3 m 波长）至 300 GHz（1 mm 波长）的频率范围内。在 30 GHz 以上，由于波长以毫米为单位测量，因此习惯上称它们为毫米波。光学频率范围开始于 300 GHz 以上的红外线。射频范围从微波区域向下延伸至低至 3 KHz（100,000 m 波长）。重要的是要了解这些都是遵循相同经典定律的电磁波。

由于常见的分立电气元件（如碳电阻、云母电容、绕线电感）和连接它们的导线的尺寸相对于微波频率及以上的波长而言变得较大，它们不再适用于微波电路的构造。代替使用具有微观内部尺寸的分布式“印刷”电路元件、波导和专用有源元件（即放大器），直到波长变得如此之小以至于采用光学技术，例如使用透镜和反射镜。

常见的低频分立元件和连接线不能在微波频率下使用的另一个原因是一种称为趋肤效应的现象，即高频能量仅在导体的外部皮肤上传播，并且不会穿透很远的距离。. 通过以下示例可以最好地理解趋肤效应的概念。如果你将一根绳子系在一个球上，然后以慢速将球绕着你的头旋转，你会发现当你旋转它时，球离你的身体很近。当您旋转得更快时，它会从您的头部和身体延伸得更远，并且以足够高的速度直接延伸。导致这种情况发生的力是离心力。

将球的速度与频率联系起来（慢速是低频，高速是高频），随着频率的升高，离心力会越来越大。该力是由于电流流动而在传输线中建立的电感。这种力，我们称之为微波离心力，阻止能量穿透传输线的表面，并使其沿着线路的皮肤沿着路径而不是向下进入整个横截面区域，如低-频率电路；因此，趋肤效应决定了微波信号的特性。

与趋肤效应相对应的是一个称为趋肤深度的术语。这是微波能量实际渗透到导体中的距离，取决于所使用的材料和工作频率。例如，10 GHz 时铜的趋肤深度为 0.000025 英寸；对于 10 GHz 的铝，它是 0.000031 英寸；对于银，它是 0.000023 英寸；对于黄金，它是 0.000019 英寸。因此，可以看出能量确实沿着金属的外边缘传播。考虑到具有铜包层的微波电路板，铜的厚度通常为 0.0014 英寸，这一点更加强调。

由于传输线不允许高频能量穿透很深的导体，因此在微波应用的组件上使用圆形（径向）引线是没有意义的。能量只会在铅皮上传播，效率很低。这就是为什么在大多数微波元件上都有带状引线或没有只有焊接端接点的引线。这也是为什么微波电路板上的物理组件相对较少的原因。它们在那里，但它们分布在一个又大又薄的区域上，其值相当于在较低频率下使用的分立器件；因此，术语分布式元素组件。这就是促使许多人查看微波电路并问：“所有部件都在哪里？”的原因。微波电路需要特殊的设计和制造技术。

微波常用术语

在定义了微波之后，下面介绍一些与微波和无线技术相关的基本术语，即微波领域的行话和流行语。随着后续主题的介绍，该列表将被扩展和进一步细化。

分贝 (dB)

dB 是一个没有单位的相对术语，是两个功率（或电压）的比率。分贝值可以是正数（增益）或负数（损失）。如果测量设备（或系统）的输出功率和输出功率，则取两者之比的对数乘以 10 得出增益或损失的分贝值。使用电压时，倍增系数为 20，因为功率与电压的平方成正比。它仅表示功率或电压电平增加或减少多少。它本身并不提供对实际功率或电压水平的测量。它对于确定系统的整体收益或损失很有价值。例如，具有 2 dB 损耗的滤波器、具有 20 dB 增益的放大器、具有 6 dB 损耗的衰减器和具有 12 dB 增益的另一个放大器，具有 +24 dB 的整体设置（或系统）增益（参见图 1）。该值是通过将正分贝 (+32) 和负分贝 (-8) 相加并取差 (+24) 得出的。

dBm

dB 是相对项，dBm 是绝对数，即以毫瓦 (mW) 表示的分贝是特定功率（mW、W 等）。为了确定以 mW 为单位的分贝，只需要一个功率。例如，给定 10 mW (0.010 W) 的功率，将其除以 1 mW，取结果的对数，然后乘以 10（在本例中为 +10 dBm）。+10 dBm 的值意味着 10 mW 的功率可从源获得或正在特定点读取。这与 +10 dB 有很大不同，这意味着只有 10 dB 的增益（增益为 10）。因此，每当需要绝对功率读数时，请使用以 mW 为单位的分贝。为了帮助理解与 mW 和相关功率相关的分贝，请参见表 1. 该表显示了以 mW 为单位的五个分贝值以及与之相关的功率。

如图 2 所示，术语分贝和称为 mW 的分贝可以一起使用。在图中，总增益为 +14 dB。还可以看到在输入端施加了 +10 dBm 信号。在整个分贝和分贝参考 mW 水平之后，可以看到输出为 +24 dBm，这比输入正好高 14 dB。因此，表明分贝和称为 mW 的分贝可以一起使用。

图2 dB 和dBm

特性阻抗

在考虑阻抗时，请考虑一些阻碍。一群重达 300 磅的防守线卫阻碍了足球的跑卫；高速公路上的事故阻碍了交通；酒精会妨碍一个人的驾驶技能。所有这些例子都以正常操作的方式显示了一些参数。特性阻抗是确定系统中或通过传输线的高频能量流动的阻抗（以欧姆为单位）。高频应用中最常使用的特性阻抗为 50 欧姆。该值是动态阻抗，因为它不是用欧姆表测量的值，而是交流电(ac) 阻抗，它取决于所使用的传输线或组件的特性。放置在同轴电缆的中心导体和外屏蔽层之间的欧姆表除了开路外不会测量任何东西。[3]同样，使用欧姆表从微带传输线的导体到其接地层进行测量会产生相同的结果。[4]这应该加强这样一种理解，即特性阻抗不是直流 (dc) 参数，而是在其设计工作频率下定量描述系统或传输线的参数。

图 3 同轴线的衰减和功率容量

如前所述，高频应用中最常使用的特性阻抗为 50 欧姆。要了解如何确定此值，请参见图 3。从此图表可以看出，传输线的最大理论功率处理能力出现在30欧姆，而最低衰减出现在77欧姆。“理想”特性阻抗是这两个值之间的折衷，即 50 欧姆。另请注意，传输线或设备输入端的特性阻抗与 30 cm、1 m 或 1 km 外的特性阻抗相同。它是一个常数，可以依靠它在系统中产生可预测的结果。

电压驻波比(VSWR)

VSWR 用于表征微波电路的许多方面。它是一个介于 1.0 和无穷大之间的数字。VSWR 的理想值为 1:1（表示为比率），称为匹配条件。匹配条件是系统具有相同阻抗的条件，即源传输的所有能量通过传输介质向前传播到负载。没有能量反射回源头。要理解驻波的概念，请考虑一根绑在柱子上的绳子。如果您将绳子握在手中并上下翻转手腕，您会看到波浪顺着绳子流向柱子。如果柱子和绳子相互匹配，沿着绳子向下传播的波将被柱子完全吸收而不再被看到，即来自手腕的所有能量都通过绳子传递到柱子。然而实际上，柱子和绳子不匹配，波浪会回到你的手上。如果你能以足够高的速度移动绳子，你就会有一个波浪沿着绳子向下，一个波浪同时回来，在某些点上增加，在其他点上减少。这导致在线上的波“静止”，这就是术语驻波的地方 来自。

VSWR 是驻波电压最大值的峰值幅度除以其峰值电压最小值。它取决于与传输线的特性阻抗相比，传输线输出端的阻抗值。还可以表明，驻波比是设备输入阻抗与驱动它的设备输出阻抗的比较。没有驻波表示完美匹配。严重的失配，例如开路或短路，会导致传输线或设备上出现大振幅驻波。这表明设备之间或传输线与其输出端的负载之间存在非常大的不匹配。失配越大，传输线上或设备输入或输出的 VSWR 越高。相反，较小的失配会导致较低的 VSWR。尽可能低的 VSWR，1:1 的值与完美匹配发生。

回波损耗

与 VSWR 相关，回波损耗（以分贝为单位）表示由于不匹配而从设备反射的功率水平。如果传输线与其输出端的负载完美匹配，则反射的功率非常少（如果有的话），输入电平与反射功率之间的差异是很大的分贝。如果传输线的输出端出现短路或开路，则所有入射功率都被反射回来，两者的分贝差异很小。重要的是要理解，电路中更好的匹配（更理想的条件）由更高的回波损耗值和更低的 VSWR 表示。

反射系数

反射系数是在传输线末端或电路输入或输出处反射波与入射波的幅度之比。它也与 VSWR 有关。该比率的平方乘以 100 的大小表示从失配反射的功率百分比。如果存在完全匹配的条件，则反射系数为 0（0%）；如果传输线末端出现开路或短路，则反射系数为 1（100%）。这两个极端之间的任何不匹配条件都在 0 和 1 之间。反射系数的名称是 ρ 或 G，具体取决于出版物。低反射系数代表良好的匹配。高反射系数表示失配较大，因此，

图 4波长定义。

波长

波长是信号一个周期的长度，如图 4 所示。波长由符号 λ 表示。一个波长是具有相同幅度的两个相邻点之间的距离。例如，如果我们在波的某一点测量 0.1 V，则一个波长将是波再次为 0.1 V 的位置。高频应用中常用的值是 λ/2（半波长）和 λ/4（四分之一波长）。

频率

这仅表示电磁波在 1 秒内重复自身的次数（即完成一个完整周期）。每秒一个周期定义为 1 Hz。例如，1 GHz 意味着波在 1 秒内重复自身 10 亿次（每秒 10 亿次）。

短路

对于高频工作，短路通常是一种有意的情况，即用欧姆表测量的实际短路值为0欧姆。短路有助于沿传输线建立定义的参考点。在任何应用中使用短路时都必须小心；它对直流和微波短路，并将直流电流分流到地。

无线

在无线通信系统中，发射器和接收器之间没有物理连接。尽管无线技术现在是一项非常庞大的业务，但这个概念并没有什么新鲜事，可以追溯到特斯拉和马可尼时代。从那时起，我们已经走了很长一段路；今天，无线局域网 (LAN)、个人通信系统 (PCS) 和许多其他没有连接线的系统已经司空见惯。三个术语与许多无线应用相关联：时分多址 (TDMA)、频分多址 (FDMA) 和码分多址 (CDMA)。

图 5 TDMA。

TDMA是一种分时方案，其中站被分配了特定的时隙以进行操作。图 5显示了 TDMA 操作的时间和频率关系。可以看出，每个系统都有特定的时间，中间有保护时间，因此站之间没有交互。在 TDMA 方案中，每个信道都被分配了特定的时间来发送和接收。在未分配给他们的时间内，他们无法执行分配给他们的职能。这可能看起来有问题，但这些时间很短，大约为毫秒和微秒，不会注意到传输或接收的中断。

图 6 FDMA。

FDMA如图6 所示。每个电台一直都在工作，但被分配了特定的运行频率。在该方案中，站之间也有空间，称为保护带，其作用与 TDMA 中的保护时间相同。FDMA 是大多数人都熟悉的方法（尽管他们可能没有意识到），因为它用于 AM 和 FM 广播和电视。每个电台或频道都被分配了一个特定的发射频率。这些电台一直以其指定的频率工作。电台之间也有波段，以便易于收听的广播电台不会干扰摇滚电台或电视情景喜剧不会干扰晚间新闻。

图 7CDMA。

CDMA用于扩频安全通信系统。图 7显示了 CDMA 根据代码分配时间和频率。这些时间/频率分配称为芯片。通常，在发射机处建立一个伪随机码，并且仅由具有相同码的那些接收机接收；只有他们才能接收信号并解调。这就是 3G 蜂窝电话网络背后的工作原理，确保通话的安全性。

最后，一种称为正交频分多址 ( OFDMA ) 的 FDMA 形式近年来已被用于蜂窝通信的 4G。它将串行数据流拆分为多个并行流，通过单独的紧密间隔的窄带通道传输。这些频道可以以有效的方式紧密排列，因为它们的频谱是正交的，或者彼此独立。这具有在不牺牲吞吐量的情况下减少干扰和串扰的效果。这种调制和信号处理形式在现代网络中比 CDMA 更受欢迎，因为它具有抗衰落和干扰的能力，以及它的频谱效率。

雷达

最早的无线电探测和R系统_anging 是在二战之前和二战期间开发的，用于检测、表征和跟踪空中威胁。当前的应用更加多样化，包括空中和陆地交通控制、导航、雷达天文学、地面测绘、天气预报等。雷达采用叠加在微波频率和更高频率的发射电磁波上的复杂调制。这些是通过复杂的天线系统瞄准和聚焦的，以便通过将发射的能量反射回具有复杂信号处理器的敏感接收器，以高精度和精确度检测、表征和跟踪目标和感兴趣的对象。

关注射频学堂，学习更多有用的知识