12.1.2使用共发射极的双极结型晶体管的振荡器497使用共栅极场效应晶体管的振荡器49812.1.312.1.4实际考虑49950012.1.5晶体振荡器50112.28微波振荡器12.2.1晶体管振荡器50312.2.2介质谐振器振荡器506振荡器相位噪声50912.351012.3.1相位噪声的表示.12.3.2振荡器相位噪声的Leeson模型51112.4频率倍增器51412.4.1电抗性二极管倍频器（Manley-Rowe关系）51451712.4.2电阻性二极管倍频器晶体管倍频器51912.4.3微波源概述52212.552312.5.1固态源525微波电子管12.5.252812.6混频器528混频器特性12.6.153212.6.2单端二极管混频器53312.6.3单端FET混频器53512.6.4平衡混频器53712.6.5镜像抑制混频器53912.6.6其他混频器540参考文献习题541543第 13 章微波系统导论-54313.1天线的系统特征54413.1.1天线辐射的场和功率54613.1.2天线辐射图特征54813.1.3天线的增益和效率54813.1.4孔径效率和有效面积54913.1.5背景温度和亮度温度551天线的噪声温度和GIT，13.1.655313.2无线通信系统55413.2.1 Fris公式55713.2.2无线接收机结构559微波接收机的噪声特性13.2.356113.2.4无线系统56413.3雷达系统. 17-
13.3.1亩达方程565脉冲雷达13.3.256713.3.3多普勒雷达56813.3.4雷达截面56913.4辐射计系统57013.4.1辐射计的理论和应用570全功率辐射计13.4.257113.4.3迪克辐射计573微波传输13.557413.5.1大气的影响57413.5.2大地的影响57613.5.3等离子体效应57613.6其他应用和专题577.13.6.1微波加热57713.6.2功率传送57813.6.3生物效应和安全性578参考文献:580习题580附录582附录A用于构成十进制倍数和分数单位的词头582·附录 B矢量分析582附录 C贝塞尔函数584附录D其他数学结果586物理常数附录 F 587附录F某些材料的电导率587附录G-些材料的介电常数和损耗角正切588一些微波铁氧体材料的特性附录H588附录标准矩形波导数据589附录」标准同轴线数据589部分习题答案591索引59318
第1章电磁理论作为学习微波工程的开始，我们首先简要地回顾微波工程的历史和重要应用，然后综述贯穿本的电磁理论的基本课题。有兴趣的读者可在参考文献[1]~[9,中找到这些课题的深人讨论。1.1微波工程简介微波（microwave）是指频率在300MHz(3×10°Hz）到300GHz（3×10llHz）、对应的电波长在入=（1f=1m和入=1mm之问的交变电流信号。波长在毫米量级的信号，称为毫米波（millimeterwaves）、图1.1给出了微波频段在电磁波谱中的位置。由丁其频率高（波长短），常规的电路理论-一般不能直接应用于求解微波网络问题。在这个意义上，常规电路理论只是由麦克斯韦方程所描述的范围较宽的电磁理论的近似或特定使用。这是因为，一般而音，电路理论的集总电路元件近似在微波频段是不成立的。微波元件常常是分布元件，因为器件的尺度与微波波长为同一数量级，所以其中的电压或电流的相位在器件的物理尺度内有明显的变化。在极低的频率下，其波长足够大，以至于在贯穿一个元件的线度范围内，其相位也没有明显的变化。频率的另一极端被确定为光工程，那里的波长要比元件的尺度短得多。在这种情形下，麦克斯韦方程可以简化为几何光学，而光学系统可以用几何光学的理论来设计。这些技术有时也可应用于旁米波系统，此处它们称为准光学（quasioptical）。在微波工程中，人们常常以麦克斯韦方程及其解作为开始。然而，正是这些方程引起厂数学上的复杂性，因为麦克斯韦方程包含了作为空间坐标函数的失量场量的矢量微分或积分的运算。是，本书的山标之·便是试图将这个场理论的解的复杂度，简化为可以用更简单的电路理论来表达的结果。场理论的解通常给出广空间中每点的电磁场的完整描述，它比我们在绝大多数实际应用中所需的信息多得多，典型地，我们更关心终端的量，例如功率、阻抗、电压和电流等这些常用电路理论概念表达的量。正是这种复杂性给微波工程增加了挑战性与可报。1.1.1微波工程的应用虽然微波能的高频率和短波长使得分析和设计微波元件和系统变得很困难，但这些因素也为微波系统的应用提供了独特的机遇，这基于如下考虑：·天线增益与天线的电尺寸成比例。在较高的频率下，给定的天线尺寸有可能得到较高的增益，这对于装备小型化的微波系统有重要意义，·在较高的频率下可以实现更大的带宽（携带信息的容量），600MHz频率下1%的带宽为6MHz（这是一个电视频道的带宽），而60GHz频率下1%的带宽为600MHz（这是100个电视频道的带宽），带宽特别重要，因为在电磁频谱中可用的频带正在被迅速地耗尽。·微波信号按视线传播，而不会像较低频率信号那样进人电离层时传输路径会弯曲。因此，卫星与陆地通信链路有可能具有非常高的传输容量，在相距很小的位置上可以实现频率再利用①）指蜂离电话，相距不远的蜂窝小区中，频率可再利用。译名注
2微波工程（第三版），雷达标的等效反射面积（亩达散射截面）总是与目标的电尺寸成比例，这一事实与天线增益的频率特性相结合，使得微波频率更适合于雷达系统·各种分子、原子和原子核的谐振都发生在微波频率下，这使得微波在基础科学领域、遥感、医学诊断和治疗以及加热力法等方面具有独特的应用。当今，微波技术的主要应用是通信、雷达、环境遥感和医学系统。正如图1.1列出的频率分布所示的那样，射频和微波通信系统的应用遍地开花，特别是在今天，无线连接承诺能在“任意叫间、任意地点对任意人”提供语音和数据服务。频率(Hz)3×10103×10113×10143×1053 × 1063 × 1073x1083×1093×10123× 10131-等电----微波7-1--光1美推-*可L-酸7111fii10210-110-210-310410-5104103101波长(m)典型的频率频段的大体分配中频调幅广播频段535 ~ 1605 kHz300kHz~3Mz短波无线电颊段3 ~ 30 kHz高频(HF)3 MHz - 30 MHz调频广播频段88~108kHz甚高频（VHF）30MHz~300MHz甚高频电视(2~4)54 ~ 72 MHz超高频（UHF）300 MHz~3GHz76~ 88 MHzL波段1 ~ 2 GHz甚高频电视(5~6)S波段超商额电视（7~13)174 ~216 MHz2-4GHzC波段超高频电视（14-83）470~890MHz4-8CHzX波段美国蜂宽电话824~ 849 MHz8 ~ 12 GHzK波段869 ~ 894 MHz12 ~18 GHzK波段欧洲GSM蜂窝电话880 -915MHz18 ~ 26 GHz925 ~960 MHzK波段26 ~ 40 GHzU波段全球定位系统1575.42 MHz40~60GHzV波段1227.60 MHz50~75CHz微波炉E波段60~90GHz2.45 GHzW波段75 ~ 110 CHz美国直播系统11.7- 12.5 GHz美国ISM波段902-928MEF波段90 ~ 140 GHz2.400 ~2.484 CHz5.725~5.850GHz3.1 ~ 10.6 MH2美国超宽带无线电图1.1电磁频谱微波技术无处不在的应用可能是在20世纪70年代首次提出的蜂窝电话系统中。到1997年，世界范围内已有2亿多蜂窝电话用户，而用户的数量及这项服务的容量还在继续增长。卫星系统已经发展到能在世界范围内提供蜂窝（语音）、视频和数据连接。遗憾的是，庞大的卫星电话系统如星（Iridium）、全球星（Globalstar）都遇到了技术缺陷和疲软的商务运作的打击，从而导致了儿f-亿美元的损失。但是，小卫星系统如全球定位卫星（GPS，GlobalPositioningSatellite）系统和直播卫星（DBS，DirectBroadcastSatellite）系统则特别成功。无线局域网（WLAN，WinelessIocal
3第1章电磁理论AreaNetwork）提供了短距离内的计算机之间的高速网连接，而对此的容量的需求也正在快速增长，最新的无线通信技术是超宽带（UWB，UltraWideBand）无线通信，其中的广播信号占有相当宽的频带，但其功率电平非常低，以避免和其他系统的下扰。雷达系统在军事、商业和科学系统中都有广泛的应用。雷达用做空中、地面和海洋上国标的探测和定位，也用做导弹的导引和火力控制。商业方面，达技术用于空中交通管制、动作探测器（门的开启和安全报警）、车辆的防撞及距离测量。雷达的科学应用包括气象预报，大气、海洋和陆地的遥感，以及医学诊断与治疗。微波辐射计是种对物体自身辐射微波能量的无源检测，可用于大气和地球的遥感、医学诊断，并可用做安全检查的成像。1.1.2微波工程的简史微波工程领域常常被认为是相当成熟的学科，因为电磁学的基本概念在100多年前就已经发展起来了，可能也是因为作为微波技术的第一个主要应用的雷达远在第二次世界大战期间就得到了强劲的发展。尽管微波工程在20世纪就已开始，然而其在高颊固态器件、微波集成电路领域的显著进展以及现代微系统的更广泛应用，伤保持着士分活联和生气勃勃的状态，现代电磁理论的基础是由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）在1873年用公式建立起来的！，仅由数学考虑，他就提出了电磁波传播的假说，并指出光也是电磁能量的一种形式。克斯韦的公式取其现代的形式是由奥立弗·亥维赛（OliverHeaviside）在1885年到1887年间做出的。亥维赛是一位隐居的天才，他的努力消除了许多麦克斯韦理论的数学复杂性，引人了矢量符号，而且提供了一个导波和传输线的实际应用的基础。享瑞克·赫兹（HeinrichHertz）是德国的位物理学教授和难得的天才实验丁作者，他非常懂得麦克斯韦所发表的理论：他在[887年至1891年期间做了一系列实验，这些实验完全证实了麦克斯韦的电磁波理论。图1.2是-幅表明赫兹在其实验中所采用的原始设备的照片。有趣的是，这是一个根据理论基础做出预测后就有所发现的例了一这是科学史上很多重要发现的特点。所有电磁理论的应用，包括无线电、电视和雷达，它们的存在都归功于麦克斯韦的理论工作。由于缺少可靠的微波源和其他元件，20世纪初无线电技术的快速发展主要发生在高频（HF）到基高频（VHF）范围。直到20世纪40年代第二次世界大战期间，雷达的出现和发展才使微波理论和技术得到了人们的根本重视。在美国，麻省理.工学院（MIT）建立了辐射实验室来发展雷达的理论和技术。许多顶炎的科学家，包括N.Marruvitz，I、I.Rahi，J.S.Schwinger，H.A.Bethe，E.M.Purell,C.G.Montgomery和R.H.Dicke等聚集在一起，把微波领域推进到一个迅猛发展的时期。他们的工作包括波导元件的理论和实验分析、微波大线、小孔耦合理论以及初期的微波网络理论。这些研究者中，许多人是物理学家，他们在战后重新恢复了对物理学的研究（很多人后来获得了诺贝尔奖）。他们在微波领域所做的工作已经总结在该辐射实验室的28卷经典系列图书中，这些工作至今仍然在得到应用。采用微波技术的通信系统在雷达诞生后不久就开始得到发展，它得益于原本是为留达系统所做的许多工作。微波系统所具有的许多优点，包括宽频带和视线传播，已经证明对于陆地和卫星通信系统都是关键性的因素，因此对于低价位、小型化微波元件的继续发展提供了推动力。我们建议有兴趣的读者参考IEEETransactionsonMicrouxxeTheoryundTechniquesl2」的世纪特刊，以便进一步了解微波工程领域的发展史。①指MEMS微机电系统。一-译者注