微波毫米波技术基本知识
微波技术
4-8
5
1218
2
1827
1.25
80100
0.3
•C~K 为早期的微波通信频段，80’s 后较少 •W(3mm) 实际上是卫星通信的主流频段 广播电视、通信频率相对较低： KHz~ 3G 在实验中使用厘米波中的X波段， 其标称波长为3.2cm，中心频率为9375MHz。
国际上对各微波频段用途的规定
2.频率极高，穿透性强
由于微波既能穿透电离层 (低频电磁波不行) 也能穿透 尘埃、云、雾 (光波不行)， 因此，微波就成了卫星通讯、 空间通讯和射电天文研究的 重要手段。 可以容易穿入介质内部： 如微波加热——食品发热
近代物理实验专题讲座 2003.8
3. 频带宽，信息性好
可用频带很宽 (数百兆甚至上千兆赫兹)，是低频 无线电波无法比拟的。因此，微波在通讯领域内得 到了广泛的应用。 微波通讯系统的工作频带宽、信息容量大、机动 性好，特别适合于卫星通讯，宇航通讯和移动通讯 等，因而在现代通讯系统中占有相当重要的地位。
λ(m)
广播 电视 微波 红外可见光 紫外
无 线 电 波 光 波
波长处于光波和无线电波之间
近代物理实验专题讲座 2003.8
微波频段的划分： 分米波, 厘米波，毫米波和亚毫米波
常用波段代号
波段代号 频率范围 （GHz） 标称波长 (cm) L S C X 8-12 3 Ku K W
1-2 2-4
微 波 技
术
山东师范大学物理实验中心
一、微波基础知识
按照国际电工委员会（IEC）的定义，微波 （Microwaves）是：
“波长足够短，以致在发射和接收中能实际 应用波导和谐振腔技术的电磁波”
微波是指：波长为１m至0.１mm,频率在 300MHz-3000GHz之间的电磁波或无线电波。
全新的治疗技术——毫米波
全新的治疗技术——毫米波
毫米波是一种全新的治疗技术，近年来在医疗领域得到了广泛的关注和应用。
毫米波是一种高频电磁波，波长较短，频率较高，从300GHz到3000GHz。
毫米波技术具有穿透力强、微波技术相比没有辐射等优势，被广泛应用于皮肤病的治疗、神经功能恢复、肌肉损伤康复等方面。
毫米波技术在皮肤病的治疗中发挥了重要的作用。
传统的皮肤病治疗方法包括药物治疗、手术治疗等，但存在副作用大、恢复时间长等问题。
而毫米波技术可以直接作用于皮肤表面，穿透力强，能够有效改善皮肤病症状，如湿疹、皮炎等。
通过毫米波的照射，可以刺激皮肤细胞的活化，促进血液循环，增加皮肤细胞的自愈能力，从而加速病变的康复过程。
毫米波技术在神经功能恢复中也起到了重要的作用。
神经功能受到损伤后，常常需要通过物理疗法进行恢复。
而毫米波技术可以刺激神经细胞，加速神经再生的过程，促进受损神经的恢复。
毫米波还可以通过调节神经功能，减轻神经痛、肌肉痛等症状，提高患者的生活质量。
毫米波技术是一种全新的治疗技术，在皮肤病的治疗、神经功能恢复、肌肉损伤康复等方面具有独特的优势和应用价值。
它能够穿透皮肤深层组织，对人体不造成辐射，具有疗效显著且副作用少的特点，对改善患者的疾病症状有着明显的效果。
相信随着技术的不断发展和成熟，毫米波技术将在医疗领域发挥更重要的作用，为患者的康复带来更大的希望。
微波毫米波技术基本知识
微波毫米波技术基本知识目录一、内容概要 (2)1. 微波毫米波技术的定义 (2)2. 微波毫米波技术的历史与发展 (3)二、微波毫米波的基本特性 (4)1. 微波毫米波的频率范围 (5)2. 微波毫米波的传播特性 (6)3. 微波毫米波的波形与调制方式 (7)三、微波毫米波的传输与辐射 (8)1. 微波毫米波的传输介质 (10)2. 微波毫米波的辐射方式 (10)3. 微波毫米波的天线与馈电系统 (11)四、微波毫米波的探测与测量 (12)1. 微波毫米波的探测原理 (13)2. 微波毫米波的测量方法 (14)3. 微波毫米波的检测器件 (15)五、微波毫米波的应用 (16)1. 通信领域 (18)2. 雷达与导航 (19)3. 医疗与生物技术 (20)4. 材料科学 (21)六、微波毫米波系统的设计 (22)1. 系统架构与设计原则 (24)2. 混频器与中继器 (25)3. 功率放大器与低噪声放大器 (26)4. 检测与控制电路 (27)七、微波毫米波技术的未来发展趋势 (29)1. 新材料与新结构的研究 (30)2. 高速与高集成度的发展 (31)3. 智能化与自动化的应用 (32)八、结论 (34)1. 微波毫米波技术的贡献与影响 (35)2. 对未来发展的展望 (36)一、内容概要本文档旨在介绍微波毫米波技术的基本知识，包括其定义、原理、应用领域以及发展趋势等方面。
微波毫米波技术是一种利用微波和毫米波进行通信、雷达、导航等系统的关键技术。
通过对这一技术的深入了解，可以帮助读者更好地掌握微波毫米波技术的相关知识，为在相关领域的研究和应用提供参考。
我们将对微波毫米波技术的概念、特点和发展历程进行简要介绍。
我们将详细阐述微波毫米波技术的工作原理，包括传输方式、调制解调技术等方面。
我们还将介绍微波毫米波技术在通信、雷达、导航等领域的应用，以及这些领域中的主要技术和设备。
在介绍完微波毫米波技术的基本概念和应用后，我们将对其发展趋势进行分析，包括技术创新、市场前景等方面。
微波和毫米波技术基本知识
频率＝光速/波长
光速＝30万公里/秒 波数＝2π/λ
麦克斯韦方程(微分形式）
法拉第电磁感应定律 安培全电流定律
磁通连续性 高斯定律 电荷守恒定律 三个组成关系：
麦克斯韦方程（积分形式）
法拉第电磁感应定律
安培全电流定律 磁通连续性 高斯定律 电荷守恒定律
电磁场量和电路量
由积分形式可看出场量与电路量之间的关系 ：
麦克斯韦预言的基本要点概括如下： （1）变化的磁场能够在周围空间产生电场， 变化的电场能够在周围产生磁场； （2）均匀变化的磁场，产生稳定的电场，均 匀变化的电场，产生稳定的磁场；这里的“ 均匀变化”指在相等时间内磁感应强度（或 电场强度）的变化量相等，或者说磁感应强 度（或电场强度）对时间变化率一定.
麦克斯韦预言
（3）不均匀变化的磁场产生变化的电场， 不均匀变化的电场产生变化的磁场；
（4）周期性变化（振荡）的磁场产生同频 率的振荡电场，周期性变化（振荡）的电场 产生同频率的振荡磁场；
（5）变化的电场和变化的磁场总是相互联 系着，形成一个不可分离的统一体，这就是 电磁场，它们向周围空间传播就是电磁波。
大气透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz 大气吸收频段：60GHz，120GHz, 185GHz
二、无线电波传播特性
长波在地面与电离层下边界之间形成的“球 形波导”内以空间波形式传播； 中波在白天以表面波形式传播，而夜间既有 表面波也有空间波形式传播； 短波的远距离传播则依靠电离层反射的空间 波；白天与夜晚电离层高度和密度差别大。 无线电波正是依赖电离层的反射才有可能实 现远距离传播。
225- 0.39390 1.55 MHz MHz
微波毫米波技术的研究进展与应用
微波毫米波技术的研究进展与应用随着科技不断突飞猛进，微波毫米波技术作为无线通信领域的重要研究方向，正逐渐得到人们的重视和关注。
本文将从微波毫米波技术的定义、研究进展和应用领域三个方面，全面介绍微波毫米波技术的相关知识。
一、微波毫米波技术的定义微波指的是频率30MHz至300GHz之间的电磁波，而毫米波则是指频率30GHz至300GHz之间的电磁波。
相比于传统的无线通信技术，微波毫米波技术有更高的频率和更短的波长，因此可以承载更大容量的数据传输和更快速的通信速度。
此外，微波毫米波技术具有直达能力强、抗干扰性能好等优点，因此在5G通信、无人驾驶、智能家居等领域具有广泛的应用前景。
二、微波毫米波技术的研究进展随着5G时代的到来，微波毫米波技术的研究也进入了一个新的阶段。
在微波毫米波技术的研究中，信号处理技术、调制解调技术和射频技术等方面得到了广泛的应用。
（一）信号处理技术信号处理技术是微波毫米波技术研究的重要领域。
近年来，跨层优化技术得到了广泛的应用，可以实现系统的资源分配和优化。
此外，正交频分复用技术，基于多输入多输出（MIMO）技术的空时编码技术，以及细胞间协作通信技术等，也成为了当前微波毫米波技术热门研究方向。
（二）调制解调技术调制解调技术已成为了微波毫米波通信系统的重要组成部分。
在微波毫米波领域内,传统的调制方式已经不能满足现有需求。
因此，正交振幅调制（QAM）、相位、序列调制（PSK）等高效的调制方式得到了广泛的应用。
（三）射频技术射频技术是微波毫米波技术中不可缺少的一部分，它关键性地影响了通信系统的性能。
目前，微波毫米波技术的研究重点主要在提高射频器件对高频段的覆盖范围和性能的同时实现低功耗，提高设备稳定性以及降低成本等多方面。
三、微波毫米波技术的应用领域（一） 5G通信微波毫米波技术是5G通信系采用的一种关键技术，它通过移动端和大型信号基础设施之间的短距离连接，实现快速的数据传输。
在支持大规模物联网和短程无线连接的方面，微波毫米波技术从本质上扩展了5G的应用范围。
微波与毫米波在通讯信号中的应用与发展
微波与毫米波在通讯信号中的应用与发展微波（Micro wave）和毫米波（Millimeter wave）是电磁波的一种，广泛应用于通讯信号传输上。
本文将从什么是微波和毫米波，它们在通讯中的应用和未来的发展方向三个方面展开探讨。
一、微波与毫米波的概述微波是电磁波中波长较短、频率较高的波段，波长通常在1mm~1m之间。
这种波段具有许多良好的特性，比如容易调制，信号传输速度快，可靠性较高，信噪比好等。
因此，广泛应用于通讯、雷达、导航等领域。
毫米波是电磁波的一种，其频率范围通常在30GHz~300GHz，相当于波长为1mm~10mm。
毫米波波长短，所以可以实现大容量的无线传输，速度比较快，这些优点使其适合于5G通讯、毫米波雷达、微波辐射等领域。
二、微波与毫米波在通信中的应用1. 微波在通信中的应用微波通讯是指采用微波技术进行的通讯的方法, 主要用于陆-陆、陆-空、舰-空、舰-陆之间的通信。
微波通讯已经被广泛地应用于民用、军事和科学研究等领域。
其中最常见的应用是卫星通信和微波塔传输。
短波电台已经发展了许多年，它形成了集中广播、分散通信两个主要应用的层级。
微波射频电台同样可以实现集中广播和分散通信，但不能实现长距离通信，通常适用于中短距离的通信。
微波通讯的特点是可靠性高、容量大、带宽宽、传输效率高，同时由于信号传播是通过电磁波进行的，它无需布线，具有便捷性。
2. 毫米波在通信中的应用毫米波通信是5G网络通信技术中的一种，它通过使用毫米波高频信号，以实现高速移动通信。
事实上，毫米波通信在天线方向性、空间复用、波束成形和多小区间合作等方面也有广泛的应用，是下一代移动通讯的关键技术。
与微波相比，毫米波的波长更短，能量较弱，频率更高。
因此，它比先前频段的通讯信号传输速率更高，也因此，需要天线数组技术来提高波束电位，实现带宽和容量的增加。
毫米波通信在物联网、监控、自动驾驶、医疗、航空航天等领域也有广泛的应用。
三、微波和毫米波的未来发展方向1. 微波的未来发展方向事实上，现在的无线电技术越来越需要更高的带宽，快速的响应能力和强大的抗干扰能力和高信噪比。
射频微波基础知识
射频微波基础知识射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。
每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。
有线电视系统就是采用射频传输方式的。
在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。
在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波成为射频，英文缩写：RF一、射频和微波技术基础知识1、什么是射频?射频(RF)是指无线通信系统中使用的电磁频率范围。
它涵盖了广泛的频率范围，通常从3kHz(千赫)到300GHz(千兆赫)。
射频信号的特点是能够长距离传播并穿过障碍物，这使其成为各种通信应用的理想选择。
2、微波频率微波是射频频率的一个子集，频率范围为300MHz(兆赫)到300GHz。
虽然微波仍然是像射频一样的电磁波，但它们具有更短的波长，这在特定应用中提供了某些优势，例如高数据传输速率和精确成像能力。
二、射频和微波技术的应用1、无线通信射频和微波技术最突出的应用之一是在无线通信系统中。
从简单的无线电传输到复杂的蜂窝网络，射频技术使移动设备上的语音通话、短信、互联网浏览和视频流成为可能。
此外，Wi-Fi网络、蓝牙连接和其他无线协议依赖RF信号进行无缝数据交换。
2、卫星通信卫星通信严重依赖微波频率。
地球静止轨道或近地轨道卫星利用微波远距离传输电视信号、互联网数据和电话，确保在传统通信基础设施有限，或无法使用的偏远地区实现全球连接。
3、雷达系统微波雷达系统对各种应用至关重要，包括空中交通管制、天气监测和军事防御。
雷达使用微波脉冲来探测物体的存在、距离和速度，从而进行精确的跟踪和分析。
4、医疗应用射频和微波技术在医学领域有着重要的应用，例如磁共振成像(MRI)和微波消融。
微波毫米波技术基本知识
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毫米波低噪声放大器MMIC
毫米波低噪声放大器MMIC（芯片）产品性能
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PGG构成：
PBG可采用金属、介质、铁磁或铁电物质 植入衬底材料，或直接由衬底材料周期性形 状排列而成。目前国内外所提出的PBG结构： 在介质基板上钻孔； 在衬底中填充其他介质或金属； 在微带电路底板上刻蚀光子晶体结构； 在微带电路表面冗余部分形成PBG； 在微带线上刻蚀谐振单元。
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计算电磁学及其应用
电磁场问题求解方法：
★解析法：
建立和求解偏微分方程和积分方程。 ★数值法： 直接以数值的、程序的形式代替解析形式。 ★半解析数值法： 将解析与数值法结合，人的理论分析与计算 机数值解结合。
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计算电磁学的几种重要方法
计算电磁学的几钟重要方法： ★有限元法－FEM (Finite Element Method) ★时域有限差分法－FDTD (Finite Differencen Time Domain method) ★矩量法－MoM (Method of Moments)
PHEMT有更高的功率，成为毫米波功率器件的主 流。
HBT效率高，1/f相噪低, InP基HBT振荡管工作频 率已达138GHz。
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毫米波MMIC
82年第一只Ka 波段MMIC二极管混频器问世以来， MMIC品种迅速增多，性能改善，工作频率提高： 美国TRW和Hughes公司InP基MMIC工作频率已超过 250GHHz。 TRW公司InP HEMT 功率MMIC：
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三维微波集成电路 (3DMIC)
(2)三维单片微波集成电路: 在同一基片上将集成的有源器件、无源
元件、连接线等用薄介质层相隔而形成的多 层紧凑的单片集成电路。
两者有着相似的结构 ,将它们统称为三 维微波集成电路。
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多芯片模块(MCM)分类
– MCM－L：高密度PCB基板，L表示迭层印 制布 线板
– MCM－C：共烧陶瓷基板，C表示共烧陶瓷工艺 (包括HTCC和LTCC)； HTCC－High Temperatue Cofired Ceramic LTCC－Low Temperatue Cofired Ceramic
20km－ 3km－ 200m－ 10m－ 1m以下 3km 200m 10m 1m
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微波频段划分(UHF)
名称 频率
波长
P
L
225- 0.39390 1.55 MHz MHz
133.2- 76.976.9 19.3 cm cm
S
1.553.9 GHz 19.37.69 cm
★电磁波在具有周期结构的介质材料中传播 时，会受到调制，形成能带结构，能带结构 之间可能出现带隙。
★微波领域的光子带隙也称电磁带隙－ EBG
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PGG特性
★当电磁波的工作频率落在带隙中时，由于 带隙中没有任何传输态存在，因而任何方向 的入射波都会发生全反射，因而具有带阻特 性。
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毫米波固态器件水平
80年代以来，毫米波技术的迅速发展得益于固态器 件的进步；毫米波军事需求促进了毫米波发展。
70年代GaAs肖特基二极管的出现是毫米波器件的 重大突破：已用于亚毫米波上下混频和倍频。
三端器件的发展迅速：BJT，FET，HEMT，HBT HEMT比FET有更好的频率特性，更高的效率，更 低的噪声，94GHz的噪声系数1.4dB。 PHEMT有更高的功率，成为毫米波功率器件的主 流。
– MCM－D：采用其它新绝缘材料的薄膜布线基 板，D表示电介质淀积薄膜工艺；
– MCM－Si：采用硅工艺的薄膜布线基板，层间 绝缘膜是SiO2、Si；
– MCM－C/D：在共烧陶瓷上形成薄膜布线的基 板。
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MCM的主要特点
集芯片IC和无源元件于一体，避免了元器件 级组装，简化了系统级的组装层次。 高密度互连基板，导线和线间距细化（通常 小于0.1mm）; 高密度多层互连线短，布线密度高，布线密 度每平方英寸250－500根； 能将数字电路、模拟电路、光电器件、微波 器件合理组装在一个封装体内，形成多功能 组件、子系统和系统。
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PBG应用：
宽带带阻滤波器，抑制谐波； 高Q微带谐振器； 小型匹配网络，改善放大器性能； 单向辐射微带天线，提高效率； 频率选择表面； 延时线； 无源网络：混合环、正向耦合器； 改善微带天线性能 。
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微带线中的光子带隙结构
在微带接地面上腐蚀一个或少量的孔，称为有 缺陷的接地结构(DGS－defected Ground Structure)，或译为非理想接地板结构。
C
X
3.9-6.9 6.9GHz 12.4
GHz
7.69- 4.354.35 2.42
cm cm
Ku
12.418 GHz 2.421.67 cm
K
1826.5 GHz 1.671.13 cm
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毫米波频段(EHF)
名称 Ka Q U V E W F D G
频率 26.5- 33- 40- 50GHz 40 50 60 75
路漫
三维微波集成电路 (3DMIC)又称多层微波电 路 (Multilayer Microwave Circuits) 包括: (1)多层微波集成电路 (MuMIC) (2)三维单片微波集成电路 (3DMMIC)两种基 本类型。 (1)多层微波集成电路:
微波毫米波技术基本知 识
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2020年4月13日星期一
提纲
1 无线电频段划分 2 射频和微波传输线 3 微波电路技术的发展历程 4 国外毫米波器件和系统应用
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一、无线电频段划分
名称 长波 中波 短波 超短波 微波
频率 波长
15－ 100－ 1.5－ 30－ 300以上 100kHz 1500kHz 30MHz 300MHz
计算电磁学及其应用
★随着集成密度的增加和工作频率的提高，设计者 必须认真对待互连和封装中的各种电磁效应问题， 如电路间的互耦，寄生谐振，电磁干扰和电磁兼容 性等问题。 ★在电磁场与微波技术学科中，以电磁场理论为基 础，以高性能计算技术为手段，运用计算数学提供 的各种方法，诞生了一门解决复杂电磁场理论和工 程问题的应用科学－计算电磁学(computational electromagnetics)
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计算电磁学及其应用
电磁场问题求解方法：
★解析法：
建立和求解偏微分方程和积分方程。 ★数值法： 直接以数值的、程序的形式代替解析形式。 ★半解析数值法： 将解析与数值法结合，人的理论分析与计算 机数值解结合。
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计算电磁学的几种重要方法
计算电磁学的几钟重要方法： ★有限元法－FEM (Finite Element Method) ★时域有限差分法－FDTD (Finite Differencen Time Domain method) ★矩量法－MoM (Method of Moments)
可以说，DGS是PBG的一种特例。
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四、国外毫米波器件和系统应用
现代武器装备的需求促进了毫米波技术 的发展，毫米波技术发展的需要又带动 了半导体和微电子电路技术和工艺的进 步，使毫米波技术成为当今一门知识密 集的综合性技术学科，国外毫米波设备 快速发展，每年以30%-40%的速度增长， 成为军事电子领域的“ 朝阳”产业。
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常用称
射频：1MHz-1GHz 微波：1GHz-30GHz 毫米波：30GHz-300GHz 亚毫米波：300-3000GHz(1000GHz=1THz) 红外：300-416000GHz(1000THz=1pHz) 可见光：0.76－0.4µm
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LTCC－MCM
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LTCC－MCM
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LTCC工艺流程
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LTCC实例－LMDS发射模块
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计算电磁学及其应用
★微波电路的小型化，特别是三维电路的发展 不仅以先进的电路制造工艺为基础，而且依赖 计算电磁学和商用电磁仿真软件的迅速发展。
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引入新概念和新方法
计算电磁学和商用仿真软件的发展为实现新 电路方法提供了条件。 光子带隙(Photonic Band Gap －PBG)在微波 领域的应用是突出代表。
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PBG概念
★ PBG是一种介质在另一种介质中周期排列 所组成的周期结构; ★光子在这类材料中的作用类似于电子在凝 聚态物质中的作用，存在着类似于半导体能 带结构中的禁带。
微波系统构成
传输线
及不连续 性
无源和有源器件
(半导体或电真 空)
微波部件 微波模块
微波系 统
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二、微波和毫米波传输线
TEM传输线
非色散传输线－传播速度 等于填充媒质中的光速， 且不随工作频率而变。
平行双导线 同轴线 带状线 微带线
柱面波导
色散传输线－传播速度随 频率而变。
波长 11.3- 9.1-6 7.5-5 6-4 mm 7.5
60- 75- 90- 110- 14090 110 140- 170 220
5-3.3 4-2.7 3.3- 2.7- 2.12.1 1.7 1.4
大气透明窗口：35GHz，95GHz，220GHz，140GHz，225GHz
大气吸收频段：60GHz，120GHz, 185GHz
★光子带隙结构不仅改变传输线特性阻抗， 同时改变传播常数。
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PGG构成：
PBG可采用金属、介质、铁磁或铁电物质 植入衬底材料，或直接由衬底材料周期性形 状排列而成。目前国内外所提出的PBG结构 ： 在介质基板上钻孔； 在衬底中填充其他介质或金属； 在微带电路底板上刻蚀光子晶体结构； 在微带电路表面冗余部分形成PBG； 在微带线上刻蚀谐振单元。
★随着射频集成电路（RFIC）、单片集成电路 （MMIC）和超大规模集成电路（VLSI）技术 的迅速发展，低成本、高性能的高速数字、射 频、微波和毫米波集成电路和系统的互连和封 装成为重要的理论和工艺技术课题。
商用CAD软件应运而生。 Ansoft公司 软件 ：designer和HFFS
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毫米波器件－电真空器件
行波管 反波管 速调管 磁控管 回旋管 自由电子激光管
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毫米波器件－半导体器件
两端器件： 雪崩二极管－Impatt 耿氏管或体效验管－Gunn，TED 混频、检波二极管，变容二极管，隧道二极管 三端器件： 双极管－BJT 场效应管－FET 异质结双极管－HBT 高速电子迁移三极管－HEMT 膺配高速电子迁移三极管－PHEMT