微波技术详解:产生、传输与通信原理
微波通信
微波指频率高于 300 MHz、波长短于 1 米的电磁波。利用微波作为传输介质的通信称为微波通信。
电磁波与天线在微波通信中的作用
微波通信中,调制信号经发射天线辐射入大气,接收天线捕获信号。微波产生传输主要依赖谐振腔和波导(导体中调谐至特定频率的金属腔/空腔称腔谐振器)。微波传输即视距传输:信号在大气中无物理介质传播,收发天线须面对面架设在铁塔上。
微波(0.3–300 GHz)按频段分三类:
- 超高频段 (UHF):0.3–3 GHz;
- 超高频段 (SHF):3–30 GHz;
- 极高频段 (EHF):30–300 GHz。
受限于传统电子管(极间电感电容平衡、电子跨极速度等),无法产生微波。需专用微波管(磁控管、克利斯特仑、行波管)产生瓦级至百瓦级微波,兼作振荡器与放大器。下文详解磁控管。
磁控管原理与结构
磁控管是微波通信中用作微波振荡器/发生器的圆柱形二极管。由英国兰德尔和布特发明。
结构:圆柱形,八个永久铜阳极腔环绕加热钨阴极。腔数必须为偶数。腔尺寸按振荡频率设定,均布 300° 或 450°。同轴电缆连接一腔输出微波;大功率时用波导输出。
工作原理:同行波管,靠径向电场与轴向磁场相互作用产生高频微波。需在磁控管周围提供电场。电场使电子沿阴极-阳极直线运动,磁场使其作圆周运动。二者相互作用下,电子不再直线飞向阳极。
磁场为零时,电子直达阳极(X 轨迹);磁场略增,轨迹微弯(Y 轨迹);磁场继续增强,电子近阳极时速度因磁场效应增加;磁场达临界值,电子仅触及阳极即被弹回阴极(Z 轨迹),称截止磁场;磁场过强,电子反复往返致阴极过热危险。
结论:维持特定磁场强度可获得所需微波频率。磁控管输出 900 MHz–2.5 GHz,功率 300W–10kW,效率约 70%。
工业技术