光纖光柵在微波毫米波系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

本課題以光子信息處理器件——新型光纖光柵為基礎(chǔ)，將微波與光波結(jié)合，研究將光纖光柵用于微波、毫米波的信號(hào)處理，研制用于超寬帶無線移動(dòng)通信的微波橫向?yàn)V波器、有源濾波器，以及用于相控陣天線的波束形成器等關(guān)鍵信號(hào)處理器件，對(duì)其作深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。本課題對(duì)于微波波毫米波光子學(xué)的發(fā)展有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

《微波毫米波系統(tǒng)工程》比較系統(tǒng)和深入地介紹了微波毫米波系統(tǒng)工程的基本理論和分析方法，內(nèi)容主要包括微波發(fā)射機(jī)、微波接收機(jī)、微波通信系統(tǒng)、微波雷達(dá)系統(tǒng)、微波無源和有源電路、微波集成電路、微波天線等。全書以微波毫米波系統(tǒng)為主線，采用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能分析論述與對(duì)組成部件特性分析論述相結(jié)合的方法，闡明相關(guān)基本概念、性能、工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用，并給出定量的數(shù)學(xué)分析和應(yīng)用舉例。各章之間貫通連接，互為呼應(yīng)，構(gòu)成完整的體系，比較全面地搭建了微波毫米波系統(tǒng)與微波技術(shù)相關(guān)聯(lián)的知識(shí)體系。

《微波毫米波系統(tǒng)工程》適合作為高等院校無線電專業(yè)本科生的教材，也可供從事微波毫米波工程技術(shù)的專業(yè)技術(shù)人員閱讀和參考。

第1章 概述

1.1 微波及其頻譜

1.1.1 微波技術(shù)發(fā)展的歷史

1.1.2 微波的主要特性

1.1.3 微波應(yīng)用系統(tǒng)

1.1.4 微波系統(tǒng)工程的發(fā)展方向

1.1.5 微波技術(shù)的基本概念

1.1.6 微波網(wǎng)絡(luò)概念

1.1.7 微波系統(tǒng)工程中的dB量綱

1.2 微波空間傳播

1.2.1 在自由空間的傳播

1.2.2 微波的主要傳播方式與傳播衰減因子

1.3 毫米波及其應(yīng)用

1.4 微波系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

1.5 本書章節(jié)安排

參考文獻(xiàn)

第2章 微波接收機(jī)

2.1 微波接收機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 超外差接收機(jī)

2.1.2 零差拍接收機(jī)

2.1.3 零中頻接收機(jī)

2.1.4 低中頻接收機(jī)

2.1.5 數(shù)字中頻接收機(jī)

2.2 微波超外差接收機(jī)的頻率分析

2.2.1 微波幅度非線性系統(tǒng)分析

2.2.2 微波接收機(jī)中的頻率變化分析

2.2.3 微波接收機(jī)的干擾信號(hào)分析

2.3 微波接收機(jī)前端技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 接收機(jī)噪聲

2.3.2 接收靈敏度

2.3.3 線性動(dòng)態(tài)范圍

2.4 微波接收機(jī)前端設(shè)計(jì)與電路分析

2.4.1　LNA的作用和意義

2.4.2 前置濾波電路的作用和意義

2.4.3　IF濾波電路

2.4.4　IF放大器的作用和意義

參考文獻(xiàn)

第3章 微波發(fā)射機(jī)

3.1 概論

3.2 微波發(fā)射機(jī)功率源

3.2.1 微波電子管功率源

3.2.2 微波固態(tài)功率器件

3.2.3 微波電子管和固態(tài)功率器件的對(duì)比

3.3 微波通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3.1 外差式發(fā)射機(jī)

3.3.2 正交調(diào)制直接上變頻發(fā)射機(jī)

3.3.3 通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的參數(shù)

3.4 雷達(dá)電子管發(fā)射機(jī)

3.4.1 雷達(dá)電子管發(fā)射機(jī)的原理結(jié)構(gòu)

3.4.2 雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

3.4.3 脈沖雷達(dá)電子管發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

3.5 雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)

3.5.1 固態(tài)發(fā)射機(jī)的現(xiàn)狀與未來挑戰(zhàn)

3.5.2 毫米波Ka波段發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)舉例

3.6 發(fā)射機(jī)的冷卻系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)控

3.6.1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的熱源

……

第4章 微波通信系統(tǒng)

第5章 雷達(dá)系統(tǒng)

第6章 常用微波無源電路

第7章 微波固態(tài)有源電路

第8章 微波集成電路設(shè)計(jì)與工藝

第9章 微波固態(tài)頻率源

第10章 電磁輻射與天線

隨著微波集成電路的不斷發(fā)展，微波電路在電路結(jié)構(gòu)、幾何形狀、材料性質(zhì)、電磁環(huán)境等方面都變得日益復(fù)雜，如何準(zhǔn)確而有效地對(duì)微波電路展開分析變得極其重要。起初人們利用Maxwell方程及其邊界條件來分析電路，然而由于Maxwell方程包含了空間坐標(biāo)函數(shù)的矢量場(chǎng)量的矢量微分或積分運(yùn)算，數(shù)學(xué)計(jì)算的難度很大，對(duì)于一些復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)甚至無法直接求解。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，開創(chuàng)了電磁場(chǎng)計(jì)算的新時(shí)代。20世紀(jì)60年代，幾種適應(yīng)于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大型計(jì)算的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法陸續(xù)出現(xiàn)。1968年，Harrington的《計(jì)算電磁場(chǎng)的矩量法》(Field Computation by Moment Method)的出版宣告計(jì)算電磁學(xué)的創(chuàng)立。常用的數(shù)值方法有基于積分方程的矩量法(Method of Moment，MOM)及其快速算法(如快速多極子)，基于微分方程的有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)和時(shí)域有限差分法(Finite Difference Time Domain Method，F(xiàn)DTD)等。

微波平面電路微波平面電路及其研究現(xiàn)狀

微波電路開始于20世紀(jì)40年代應(yīng)用的立體微波電路，是一種把有源和無源器件集成在同一塊半導(dǎo)體基片上的微波電路，它由波導(dǎo)傳輸線、波導(dǎo)元件、諧振腔和微波電子管等組成的，廣泛用于各種電路及技術(shù)中。隨著微波固態(tài)器件的發(fā)展以及分布型傳輸線的出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代初，出現(xiàn)了微波平面電路，它是由微帶線、共面波導(dǎo)、槽線、集總元件、微波固態(tài)器件等無源微波器件和有源微波元件利用擴(kuò)散、外延、沉積、蝕刻等各種加工制造技術(shù)，制作在一塊半導(dǎo)體基片上的微波混合集成電路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC)，屬于第二代微波電路。與傳統(tǒng)的第一代微波電路相比較，第二代微波電路具有體積小、重量輕、避免復(fù)雜的機(jī)械加工、易與波導(dǎo)器件集成等優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)當(dāng)時(shí)迅速發(fā)展起來的小型微波固體器件；又由于其性能好、可靠性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被用于各種微波整機(jī)。從20世紀(jì)80年代開始，國際上微波電路技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的波導(dǎo)及同軸線元器件和系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到采用微波平面電路。除了某些大功率和高極化純度的場(chǎng)合，微波平面電路已經(jīng)幾乎取代了各種常規(guī)形式的微波電路，是當(dāng)前微波領(lǐng)域的主要研究對(duì)象。

在微波平面電路的技術(shù)發(fā)展歷程中，砷化鎵(GaAs)是使用最廣泛的基片材料。然而隨著頻率的提高，具有周期結(jié)構(gòu)的新型人工材料如頻率選擇表面、左手媒質(zhì)、光子帶隙材料為提高微波電路的性能提供了新的手段，同時(shí)也對(duì)分析和設(shè)計(jì)提出了新的要求。頻率選擇表面由于具有帶阻或帶通特性，在微波與毫米波領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來越廣，是微波工程領(lǐng)域的前沿問題之一。

微波平面電路波概念迭代法原理

波概念迭代法是一種結(jié)合了傳輸線理論與傅里葉模式變換的快速算法。這種方法根據(jù)所研究的電路結(jié)構(gòu)確定分界面，然后根據(jù)電路表面的切向電場(chǎng)和電流密度引入波的概念，通過對(duì)電路表面進(jìn)行剖分網(wǎng)格來建立電路模型，利用空域散射算子表示空域波之間的關(guān)系，利用譜域反射算子描述譜域波之間的關(guān)系，由于該方法概念清晰、模型建立簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高，因此得到了很快的發(fā)展。

引入的空域波在電路表面發(fā)生散射，其關(guān)系由空域散射算子表示，空域散射算子可以表示為矩陣的形式，其矩陣元素與電路表面剖分的網(wǎng)格單元一一對(duì)應(yīng)。下面討論空域散射算子的建立過程。將電路表面均勻剖分成小矩形網(wǎng)格，根據(jù)其不同結(jié)構(gòu)，可以將整個(gè)電路表面區(qū)域劃分為金屬(Metal)、介質(zhì)(Dielectric)、源(Source)區(qū)域以及其它區(qū)域(圖5所示)，各個(gè)子區(qū)域擁有不同的邊界條件，然后根據(jù)波概念方程及各個(gè)子區(qū)域的邊界條件得到空域波在對(duì)應(yīng)區(qū)域的散射關(guān)系，從而得到空域散射算子。

微波平面電路波概念迭代法分析微帶貼片天線

微帶天線是一種典型的微波平面電路，和常用的微波天線相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，低剖面，制造簡(jiǎn)單，成本低，可以和集成電路兼容等；電器上的特點(diǎn)是能得到單方向的寬瓣方向圖，最大輻射方向在平面的法線方向，易于和微帶電路集成，易于實(shí)現(xiàn)線極化或圓極化。相同結(jié)構(gòu)的微帶天線可以組成微帶天線陣，以獲得更高的增益和更大的帶寬。已研制成了各種類型平面結(jié)構(gòu)的印制天線，如微帶貼片天線、帶線縫隙天線、背腔印制天線以及印制偶極子天線。微帶貼片天線在一塊厚度遠(yuǎn)小于波長的介質(zhì)基片上，一面附著金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸線探針對(duì)貼片饋電，在導(dǎo)體貼片與接地板之間激勵(lì)起射頻電磁場(chǎng)，并通過貼片四周與接地板的縫隙向外輻射。常用輻射貼片的形狀有矩形、圓形、多角形、扇形、H形等，也可以是窄長條形的薄片振子(偶極子)。微帶貼片天線已廣泛應(yīng)用于軍事、移動(dòng)通信、航空航天、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。

波概念迭代法在分析微帶天線時(shí)，只對(duì)天線的不連續(xù)性表面剖分網(wǎng)格，微帶線饋電或同軸探針激勵(lì)處的區(qū)域定義為源區(qū)域，貼片所在區(qū)域?yàn)榻饘賲^(qū)域，其他為介質(zhì)區(qū)域，根據(jù)各自區(qū)域的邊界條件建立空域散射算子，表征空域波之間的關(guān)系；電路表面之外的區(qū)域利用傳輸線理論等效，電路模型建立簡(jiǎn)單；利用空域波在分界面的散射和譜域波在上下區(qū)域的反射關(guān)系展開迭代運(yùn)算，避免了基函數(shù)的選取和大矩陣的求逆，簡(jiǎn)化了運(yùn)算；空域和譜域波之間的交互采用傅里葉模式變換實(shí)現(xiàn)，提高了計(jì)算速度。可以看出波概念迭代法特別適合于分析微波平面電路。