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微波工程基础 甘仲民 教授 南京通信工程学院 主要内容 1.前言 电（通）信：利用有线电、无线电、光学或其他电磁系统的，对于符号、信号、文字、影象、声音或任何性质的信息传输，发射或接收。 由于基带（话音、图象、数据等）信号的频谱全都延伸到很低的频率范围，根据电波传播理论，无线电通信只能在高频范围内实现。 在无线电通信中，通过调制，将基带信号“寄托”在某一高（射）频上，形成射频信号，以电磁波形式向空间辐射传播。 1.1 卫星通信中微波的地位与作用 卫星通信是一种无线电通信。无线电通信是通过空间电磁波传递信息的通信方式。 按波长划分，无线电波分为长波、短波、超短波、微波……等。 微波特点 微波：波长1m — 1mm；频率300MHz — 300GHz 特点： 类似光的特性（波长越短，越接近直线传播）； 穿越电离层的透射特性（1~ 10GHz为最佳的“无线电窗口”）； 宽频带； “天然的”抗低频干扰特性（不受自然界如雷电、人为如家电的干扰）。 结论：微波是最适合于卫星通信的无线电波 1.2 卫星通信中使用的微波频段 UHF（1000MHz) L波段(1.5 ~ 1.6GHz) S波段(2.5 ~ 2.6GHz) C波段(4/6GHz,带宽800M Hz) KU波段(11/14,12/14GHz,带宽800M Hz) Ka波段(20/30GHz) Ka/毫米波(20/40GHz,50/60GHz) 1.3 卫星通信中主要采用的微波技术 辐射和/或接收电磁波的装置（天线）； 传送（导行）电磁波的装置（波导、同轴线等传输线）； 产生微波信号并进行调制（解调）、频率变换、放大等处理的微波收、发设备； 微波测量设备（微波信号源、频谱仪、功率计、微波网络分析仪等）； 基础：微波有、无源元器件、微波集成电路 2. 微波传播 2.1微波的自由空间传播 电磁波从波源出发，在自由空间向四周传播。在某一时刻，将其到达的各点连成的面称波前或波阵面；相位相同的点连成的面，称同相面或波面。波阵面为平面的波称为平面波；波阵面为球面的波称为球面波。 2.2空间环境对微波传播的影响 2.2.1 大气的影响 微波通过大气层时，其能量将有部分被大气层中的氧和水蒸汽所吸收，引起微波的衰减。 结论：在10GHz以下，大气引起的传播衰减可以忽略。 2.2.2 降雨的影响 结论 降雨损耗（衰减）与降雨强度有关，降雨强度越大，降雨损耗（衰减）越大； 降雨损耗（衰减）与微波信号通过的雨区有效长度有关。降雨区域大小一定时，地球站的仰角越低，降雨损耗（衰减）越大； 对于相同的降雨强度和地球站的仰角，工作频率越高，降雨损耗（衰减）越大； 不同地区，强的降雨强度出现的概率不同，通常用年均和最坏月份出现的概率表示； 克服雨衰影响的措施通常是增加发射功率（降雨备余量），要求通信的可用度越高，所需降雨备余量越大。 2.3 空间噪声 太阳、星球和宇宙中的各种粒子，都是客观存在的噪声源，它们所产生的微波频段的噪声，会对卫星通信信号造成干扰。 (2)降雨噪声：雨滴对微波信号产生吸收和散射，从而形成噪声。所产生的 噪声温度与微波通过的 雨区长度有关，也即与 地球站仰角有关。 云、雾等也有类似的效 应。 结论 降雨噪声与降雨强度有关，降雨强度越大，降雨噪声越大； 降雨噪声与微波信号通过的雨区有效长度有关。降雨区域大小一定时，地球站的仰角越低，降雨噪声越大；宇宙和大气噪声与地球站仰角也有类似的关系； 对于相同的降雨强度和地球站的仰角，工作频率越高，宇宙大气及降雨噪声越大； 降雨影响(KU及更高频段不能忽视！) 引起衰减 增加下行链路系统噪声温度 引起电波极化改变 2.4 极化：电场矢量在空间的取向 电场和磁场都是随时间变化的函数，电磁波在传播过程中，其电场矢量末端轨迹曲线形状决定电磁波的极化方式。 线极化——电磁波的电场矢量末端轨迹曲线是一直线。垂直极化：电场方向与地球表面垂直；水平极化：电场方向与地球表面平行。 圆极化——电场矢量E的末端轨迹是一个圆。  （IEEE）定义右旋圆 （RHC）极化为：当 沿着电波传播方向看去， 即从“后面”看去，电场 旋转方向是顺时针的； 左旋圆（LHC）极化： 当沿着电波传播方向看去， 电场旋转方向是逆时针的， LHC和RHC极化是正交的， 电波传播的方向是沿着?z轴。 降雨导致电波极化的改变 降雨时雨滴呈椭球形，风和其他动态应力，引起雨滴以某些随机分布的角度旋转，结果，通过雨层时不同极化的电波引起的极化旋转角度不同； 后果之一：电波(信号)因极化偏转，与接收天线在晴空下的极化面失配而受损； 后果之二：不同(正交)极化的其他信号的一部分分量进入接收天线而成为干扰噪声。 3. 微波天线 3.1