湖南大学
硕士学位论文
Radio-over-Fiber系统中多频率光载毫米波的产生与接收研究
姓名：刘海燕
申请学位级别：硕士
专业：通信与信息系统
指导教师：文双春
20090326
频率选择表面的研究起始于上世纪60年代，国内外大批学者均为之投入了大量精力进行广泛深入的工作，提出了各种不同的数学分析与计算方法，如交分法，等效电路法，模式匹配法，谱方法等，这些计算方法主要可分为两大类，即标量分析方法与矢量分析方法。前者包括变分法，等效电路法等，其仅可通过计算获得关于反射透射系数的幅度信息，通用性差，但计算量小，耗时短；后者包括模式匹配法，谱方法等，其通过计算不仅可获得反射透射系数的幅度信息，还可以获得相关的相位与极化信息，通用性强，但计算量大且耗时长。 值得一提的是，国内研究目前普遍采用模式匹配法进行计算分析，该方法不仅适用于求解任意单元形 状及排列方式的无限大平面FSS 结构，还可应用于多层的FSS 以及均匀层状衬底等组合结构。但这种方法 依然存在不足，即处理复杂多层FSS 时计算量非常大，而且在数值求解过程中，选择适合复杂单元形状的 基函数非常困难，因而难以保证解的收敛速度，降低了有效性。 与一般模式匹配法相比，谱方法原理上也能分析任意单元形状的FSS 结构，在求解无限大FSS 问题时 与模式匹配法相当，该方法在求解过程中要求选取合适的基函数来保证收敛性，但可直接用于求解有耗FSS 的散射问题，与迭代技术相结合可以求解有限尺寸的FSS 散射问题。并且谱方法利用了场的周期性，注意 电流分布的周期性特征，所以求解模型简单，计算量小，是一种很好的方法。 谱展开法 在周期性结构的分析中，谱展开法是一种重要的分析方法。 Floquet 定理; 一维周期结构如图2．5所示。设入射平面波z TM ()0j wt z E E e ?-= 则空间沿x 方向相距为m 个周期的两点之间场为 cos ,(,,)x jm D x x mD y w x y w e βθ-ψ( +,) =ψ 式中ψ 为电磁场的某一分量。m 为一整数，β为传播常数，x D 为沿x 方向的周期长度，θ为入射角，上式即是Floquet 定理。 如果这个周期结构的单元是偶极子等贴片型类型，则入射场在单元上将感应出电压，并产生电流，如果我们将其中一个单元的电流作为基准单元电流(表示为0I )，则距它m 个周期的单元电流表示为m I 。根据Floquet 定理，两者的关系为 cos 0x j mD m I I e βθ-=
万方数据
万方数据
第１０卷第ｌＯ期曾策，高能武，林玉敏：ＬＣＰ基板在微波／毫米波系统封装的应用 的厚度。极薄的ＬＣＰ基板有利于微波／毫米波系统的高密度互联和小型化。 ＬＣＰ同ＰＩ一样，也是一种挠性基板。这项性能的潜在应用是构造非平面天线，如拱形天线、可折叠天线等。 ２．６可形成复杂的多层结构 用较低熔点（２８０℃）的ＬＣＰ薄膜作为粘接层，较高熔点（３１５℃）的ＬｃＰ基板作为“芯板”，采用成熟的ＰＣＢ工艺，可形成复杂的多层结构。如图３所示【１３】。 图３一种。二ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ”的ＬＣＰ多层电路结构 复杂的多层结构类似于Ｌ，ＴＣＣ基板，可以埋入电阻、电容、电感等无源器件。ＬＣＰ多层压合工艺温度远较ＬＴｃｃ低，因此可以在基板内部直接埋置ＭＭＩＣ等有源器件。ＬＣＰ单层基板厚度最薄可低至２５¨ｍ，仅为一般Ｕ℃Ｃ的１／４，因此多层ＬＣＰ基板可实现更高的集成度密度。 此外，ＬＣＰ基板也可与其他有机基板材料（如ＰＴＦＥ、ＦＲ４等）进行混合层压，以满足特定的需求。２．７其他 作为电路基板材料，ＬＣＰ在耐化学／环境、耐辐射，气体释放、阻燃特性、介电强度，重量等方面均有很好的表现，并且适合于空间应用。此外，作为聚合物材料，ＬｃＰ也有一些缺点，比如导热率低，并非完全气密，成本相对于ＰＩ等材料较高等。总之，ＬＣＰ作为一种新型基板材料，其综合性能优异，在微波／毫米波系统应用中有着非常强的吸引力。 ３ＬｃＰ基板在微波／毫米波系统中的应用 近年来，基于ＬＣＰ基板的微波／毫米波电路应用研究发展迅速，最重要的研究方向是系统级封装ＳｏＰ（ＳｙｓｔｅｍｏｎＰａｃｌ【ａｇｉｎｇ）技术的应用。ＳＯＰ的重要技术特征之一是采用功能化的基板，在基板中埋入无源和有源器件，实现系统化的集成。ＳｏＰ的概念示意图如图４所示。 ３．１微波／毫米波传输和信号过渡 常规的微带线、带状线、共面波导测试结果与仿真结果非常接近：在１００¨ｍ厚的ＬＣＰ基板上，微带线插损仅Ｏ．１ｌｄＢ／ｍｍ＠４０ＧＨｚ，与哪Ｅ基板几乎一致。 图４ｓＯＰ概念示意图（Ｂｒｙ锄ｃｈｒｉｓｔｉｅ设计）１１哪 ＳＯＰ中过孔（Ｖｉａ）用于微波／毫米波信号的层间垂直互联。得益于ＬＣＰ材料的低介电常数，过孔带来的不连续性可以通过控制尺寸得到优化Ｉ５１。 ３．２电阻．电容和电感器件的埋置 电阻材料一般为ＮｉＰ、Ｎｉｃｒ或ＮｉｃｒＡｌＳｉ，方阻值２０￣２００可选。采用溅射或者蒸发工艺，直接在ＬＣＰ基材上制作；也可以选用附电阻膜铜箔（如商品化的的Ｔｃ妒或ｏｈｍｅｇａ－Ｐｌ旷），采用热压工艺与ＬｃＰ基材结合，然后通过蚀刻减成工艺形成电阻。不通过激光调阻，可达到±２０％的阻值精度。 极薄的ＬＣＰ基材本身就可以作为高Ｑ值的电容使用。对高容值的电容需求，应选用填充陶瓷粉末的高介电常数薄膜（如３Ｍ公司的Ｃ—Ｐｌｙ）混合层压，实现＞ｌｎＦ／ｃｍ２的电容密度。 ＭｅｋｉｔａＦ．Ｄａｖｉｓ等人【１５】研究了在ＬＣＰ基板上集成的电感性能，发现采用分布在两层的多圈电感，可以很容易获得Ｑ＞１６５的３．４ｎＨ的电感，而面积仅为Ｏ．６ｍｍ×０．６ｍｍ。 ３．３集成微波／毫米波无源器件 基片集成平面波导（ｓｌｗＧ）基于经典的矩形波导理论，是一类重要的微波／毫米波元件。它品质因素高，易于和基板集成，是ＳＯＰ中常用到的单元电路，如图５所示。 图５一种ＬＣＰ基板制造的毫米波ＳＩＷＧ滤波器 利用ＬＣＰ基板的多层结构优势，可类似于ＬＴＣＣ基板，集成多种形式的滤波器、功分器、耦合器、巴伦等。实现微波／毫米波无源器件在基板内的高度集成，是ＳＯＰ技术有别干ＭｃＭ和ＳＩＰ的关键特性。３．４有源器件的埋入和封装 ＬＣＰ材料本身具有很高的气密性，属于。几乎气 ．７．万方数据
用做二向色镜的分形频率选择表面研究 许戎戎1，宗志园1，吴 文1，许勇平2 （1.近程高速目标探测技术国防重点学科实验室南京理工大学，江苏南京210094； 2.云南国防工业职业技术学院机电工程系，云南昆明650222） 摘要：毫米波/红外复合制导共口径天线需要使用二向色镜，用于透射微波/毫米波、反射红外，提出了用分形频率选择表面（FSS ）实现二向色镜的方法，设计了一种Ku 波段和Ka 波段双频带通的Y 环分形FSS ，基于频域有限差分法（FDFD ）和周期边界对其进行了仿真分析，并进行了实物研制，仿真和测试结果表明，该分形FSS 结构具有稳定而优良的频率特性，同时圆极化性能好、工程实现简单，而且对大于5m 的红外信号反射率最高接近90%。关键词：二向色镜；频率选择表面；红外/毫米波中图分类号：TN976 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2008)08-0489-04 Study on Fractal FSS for Dichroic Beam Combiner XU Rong-rong 1，ZONG Zhi-yuan 1，WU Wen 1，Xu Y ong-ping 2 (1.Ministerial Key Laboratory of JGMT ,Nanjing University ofScience and T echnology,Nanjing Jiangsu 210094,China; 2.Y unnan Polytechnic Institute of Defense Industry,Kunming Y unnan 650222,China) Abstra ct ：In this paper,a novel synthesis theory is proposed to design the dichroic beam combiner of MMW/IR co-aperture compound antenna using fractal frequency selective surface (FSS).And a FSS based on Y -loop fractal elements with dual-band at Ku and Ka band is designed.The finite difference frequency domain (FDFD)method is adopted to simulate the transmission and reflection characteristics of the proposed FSS.Both simulated and experiment results show that the FSS proposed takes the advantages of stable and good frequency domain response,insensitive to the incident angle and polarization.Besides,the tiptop reflectivity over 5m IR wave band reaches 90%. Key wor ds ：dichroic beam combiner (DBC)；frequency selective surface (FSS)；IR/MMW 引言 在毫米波/红外复合制导共口径天线（结构原理如图1所示）设计中，复合次镜（二向色镜）是实现两 种信号分离的关键器件[1]，其主要作用是透射毫米波反射红外信号，从而实现两种谱段信号分离以被各自探测器接收的功能。 为此，我们提出了一种分形结构频率选择表面（FSS ）来实现这种功能。由于FSS 可视为一个开放空间的电磁滤波器，通过设计可使其对指定的毫米波波段信号实现全透射，同时，研究表明当其表面金属占有率达到95%，则其对红外信号的反射率可达到90%。与传统的在介质基底上镀红外高反膜相比，这 种方案可以实现双色红外/毫米波复合信号的分离，而采用分形结构设计的优势在于， 可以实现微波毫米波 图1毫米波/红外共口径复合导引头结构示意图Fig.1 MMW/IR co-aperture multi-mode seeker 收稿日期：2008-03-26 作者简介：许戎戎（），男，江苏人，博士研究生，主要研究方向为多模复合制导技术研究，微波毫米波天线和电路设计研究。联系作者：宗志园，z z y @基金项目：国防基础研究项目（66），国家部委基金项目(3BQ ) 489 1981-email:ong hi uan https://www.doczj.com/doc/ec10502450.html, A220002449140A010400702
FSS--相关知识整理 一、基本概念 1、频率选择表面(Frequency Selective Surface ,FSS) 是一种二维周期阵列结构,就其本质而言是一个空间滤波器,与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性。FSS 具有特定的频率选择作用而被广泛地应用于微波、红外至可见光波段。 2、分类 频率选择表面有两种：贴片类型也叫介质类型，开槽类型也叫波导类型。 贴片类型是在介质表面周期性的标贴同样的金属单元，一般而言是作为带阻型滤波器的；低频透射，高频反射； 开槽类型是在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔，从频率特性相应上看是带通型频率选择表面；低频反射，高频透射。 3、频率选择表面的应用 雷达罩：通过安装频率选择表面减少雷达散射截面积。 卡塞哥伦天线副反射面：实现波束的复用与分离。 准光滤波器：实现波束的复用与分离。 吸波材料：基于高损耗的介质，可以实现大带宽的吸波材料。 极化扭转：折线形的频率选择表面是一个线极化变成圆极化的极化扭转器。 天线主面：降低带外的噪声。 4、滤波机理 图1 频率选择表面的滤波机理
频率选择表面和一般意义上的通过电容、电感组成的滤波器在目的上是一致。而滤波机理和有很大的区别（图1）。最大的区别是，一般的滤波器作用的对象是电路中的电流，而且一般滤波器我们主要关心通带的波形是不是有畸变，而对于阻带就就不必关心了。而频率选择表面是对于场的滤波器，不论是透射波还是反射波都是十分重要，不仅仅要关注其幅度、相位的变化，还要关心交叉极化和热损耗等。 A、贴片类型：在介质表面周期性的标贴同样的金属单元。 图2 贴片类型频率选择表面的等效电路 滤波机理： 假设电磁波入射从左向右入射到贴片型频率选择表面上。在平行于贴片方向的电场对电子产生作用力使其振荡，从而在金属表面上形成感应电流。这个时候，入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能，而另一部分的能力就透过金属丝，继续传播。换言之，根据能量守恒定律，维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下，所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上，那么电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场，使得透射系数为零。此时，电子所产生的附加场同时也向金属导线左侧传播，形成发射场。这种现象就是谐振现象，该频率点成为谐振点。直观的看，这个时候贴片型频率选择表面就成反射特性。 再考虑另一种情况，入射波的频率不是谐振频率的时候，只有很少的能量用于维持电子做加速运动，大部分的能量都传播到了贴片的右侧。在这种情况下，贴片对于入射电磁波而言，是“透明”的，电磁波的能量可以全部传播。这个时候，贴片型频率选择表面就成透射特性。 一般而言，贴片类型是作为带阻型滤波器的。 等效电路：LC串联 B、贴片类型：在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔。
正交混合网络的设计 ： 学号： 学院：电子工程与光电技术学院 指导老师：兆龙
正交混合网络的设计 摘要 随着通信技术的迅猛发展，微带定向耦合器作为微波、毫米波系统中的重要器件也得到了更大的关注。本文先介绍了3dB定向耦合器的研究背景，又通过将输入激励分解成偶模激励和奇模激励的叠加的偶—奇模分解技术从理论上分析了3dB定向耦合器的工作过程。 通过ADS软件，对该正交混合网络结构进行原理图仿真，再生成版图。调整原理图中的微带线参数，使得Momentum中的仿真结果满足设计指标：回波损耗6% >，完善隔离6% >，以及在端口2和端口3处的3dB功率匹配的不平衡度1dB <。 分别设计3dB定向耦合器在5.8GHz低频和60GHz高频上微带线结构，并对其进行优化，改善其性能指标。对于工作频率为5.8GHz的定向耦合器，得到如 下性能指标：①中心频率 05.85 f GHz =；②20dB return loss bandwidth为16.39%；③20dB isolation bandwidth为13.64%；④Amplitude imbalance 0.41 dB dB <<，Insertion imbalance0.41 dB dB <<。 对于工作频率为60GHz的定向耦合器，得到如下性能指标：①中心频率 060.04 f GHz =；②20dB return loss bandwidth为15.01%；③20dB isolation bandwidth为14.31%；④Amplitude imbalance0.8761dB =<，Insertion imbalance0.9071dB =<。 最后，本文分析了所得到的定向耦合器的性能，验证其性能。 关键字：ADS3dB定向耦合器微带线优化仿真
电磁场与微波技术 080904 （一级学科：电子科学与技术） 本学科是电子科学与技术一级学科下属的二级学科，是1990年由国务院学位办批准的博士学位授予点，同时承担接收博士后研究人员的任务，2003年被批准为国防科工委委级重点学科点。本学科专业内容涉及电磁场理论、微波毫米波技术及其应用，主要领域包括电磁波的产生、传播、辐射、散射的理论和技术，微波和毫米波电路系统的理论、分析、仿真、设计及应用，以及环境电磁学、光电子学、电磁兼容等交叉学科内容。多年来在多种军事和国民经济应用的推动下，本学科在天线理论与技术、电磁散射与逆散射、电磁隐身技术、微波毫米波理论与技术、光电子技术、电磁兼容、计算电磁学与电磁仿真技术、微波毫米波系统工程与集成应用等方面的研究形成了鲜明的特色，取得了显著成果。其主要研究方向有： 1.计算电磁学及其应用：设计、研究、开发高精度、高效率电磁计算算法；研究高效精确电磁计算算法在目标特性、微波成像及遥感、电磁环境预测、天线分析和设计等方面的应用。 2.微波/毫米波电路设计理论与技术：研究有源元器件与电路模型、与微电子、微机械工艺相关的材料器件等模型的建立及参数提取；研究低相噪频率源技术，微波/毫米波单片集成电路设计，基于微机械（MEMS）的微波/毫米波开关、移相器和滤波器设计。 3.电磁波与物质的相互作用：研究电磁散射和逆散射算法，军事装备目标特性测试技术，隐身目标测试技术，目标散射中心三维成像技术；研究轻质、宽频、自适应智能隐身材料。 4.微波/毫米波系统理论与集成应用技术：设计、研究、开发特殊环境下的微波/毫米波系统；研究微波/毫米波测试技术；研究天线设计理论与技术。 一、培养目标 掌握坚实的电磁场与微波技术以及相应学科的基础理论，具有系统的专门知识，熟练应用计算机，掌握相应的实验技术，掌握一门外国语，学风端正，具备独立从事科学研究工作和独立担负专门技术工作的能力，能胜任科研、生产单位和高等院校的研究、开发、教学或管理等工作。 二、课程设置
培养方案——电磁场与微波技术（学科代码：080904） 一、培养目标 本学科培养德、智、体全面发展，在电磁信号（高频、微波、光波等）的产生、交换、发射、传输、传播、散射及接收等有关的理论与技术和信息（图象、语音、数 据等）的获取、处理及传输的理论与技术两大方面具有坚实的理论基础和实验技能，了解本学科发展前沿和动态，具有独立开展本学科科学研究工作能力的高层次人 才。学位获得者应能承担高等院校、科研院所及高科技企业的教学、科研及开发管理等工作。 二、研究方向 1．微波毫米波及光波理论、2．微波毫米波技术及应用、3．光纤光电子技术及应用、4．微波、光通信与雷达信号处理技术、5．计算电磁学及应用、6．微波电路与系统、7．雷达技术与雷达信息处理 三、学制及学分 1. 对于按硕—博一体化课程体系培养的研究生，获得硕士学位一般需要3年。研究生在申请硕士学位前，必须取得总学分不低于35分（含开题报告2学分）。获得博 士学位一般需要5年，最长学习年限不超过7年。研究生在申请博士学位前，必须取得总学分不低于45分（含开题报告2学分、专业综合知识答辩2学分；博士层 次课程不低于8学分）。 2. 对于通过我校博士生入学考试的普通博士生，获得博士学位一般需要3年，最长学习年限不超过6年。研究生在申请博士学位前，
必须取得总学分不低于10分（含开题报告2学 分；博士层次课程不低于8学分）。 四、课程设置 英语、政治等公共必修课和必修环节按研究生院统一要求。 学科基础课和专业课如下所列。 基础课： ES45201 高等电磁场理论（3） ES45202 介质导波结构及应用（3.5） ES45203 电磁场数值解法（3.5） ES45204 微波系统与工程（3） 专业课： ES44201 微波电路原理与设计（3） ES44202 天线技术基础（3） ES44203 光电子学（2） ES45211 固态电子学基础（3） ES45213 光波导技术（2） ES45215 毫米波通信技术（2） ES45221 现代微波测量（2） ES45222 耦合模理论（2） ES45223 现代天线设计（2） ES45224 电波接收技术（3） ES14202 快电子学（3） IN05102 数字信号处理(II)（3） IN05121 移动通信工程（3） CN05112 实变与泛函▲（4） ES46201 电磁场与微波技术专题（2） 备注： 1. 带▲号课程为博士层次必修课，硕士层次选修课。对于硕博连读生，该课程只能按博士层次必修课记录学分； 2. 博士研究生或硕博连读研究生除必修编号为CN05112的课程外，还必须至少选修编号为ES46201的课程或一门经学科点认可的其它博士层次课程。电磁 场与微波技术专题可以由导师指定某专题的参考书（资料），由研究生作读书报告，并提交书面报告。 五、科研能力要求 按照研究生院有关规定。 六、学位论文要求
电子科技大学物理电子学院团队介绍 目录 物电学院“超宽带电子学及应用”团队介绍 (2) 物理电子学院“大功率毫米波行波管研究”团队介绍 (3) 物理电子学院“高功率毫米波”团队介绍 (4) 物理电子学院“毫米波电路与系统”团队介绍 (5) 物理电子学院“计算电磁学及其应用”团队介绍 (6) 物理电子学院“理论物理”团队介绍 (8) 物理电子学院“理论与计算机模拟”团队介绍 (8) 物理电子学院“强辐射实验室”团队介绍 (10) 物理电子学院“太赫兹”团队介绍 (10) 物理电子学院“微波仿真”团队介绍 (12) 物理电子学院“微纳光学研究”团队介绍 (12) 物理电子学院“先进材料制备及其物理性质研究”团队介绍 (13) 物理电子学院“真空微电子及微波能应用研究”团队介绍 (15) 注：团队排列先后按照团队名称首字母。
物电学院“超宽带电子学及应用”团队介绍 一、团队简介 超宽带电子学及应用现有教师机工程技术人员8名，其中，教授1名，副教授3名，讲师3名，工程技术人员1名；有博士学位的教师3名，正在攻读博士学位的教师2名；50-60岁教师2名，40-50岁教师3名，30-40岁教师2名。 超宽带电子学团队的主要研究方向包括： (1) 新型光控光电导器件 研究激光与半导体相互作用理论与技术，新型光控光电导器件工作机理、研制工艺及应用。 (2) 电波传输与天线 研究瞬态电磁脉冲传输理论与技术，超宽带天线理论与技术。 (3) 生物电磁学 研究肿瘤电穿孔疗法的机理及应用，电穿孔效应在污水治理等领域的应用。(4) 微波电路与系统 研究高功率微波电路与系统在冲击雷达、探地雷达等领域中的应用。 二、团队导师介绍 三、毕业学生就业去向 团队培养的硕士研究生就业情况较好，主要去向包括国内一些研究所(如南京14所、成都29所、中国工程物理研究院等)和一些知名公司、企业(贝尔、华为、中兴等)。
8 分钟就懂的毫米波雷达系统及毫米波技 术发展趋势 随着ADAS 普及率的提升，要能够全方位覆盖汽车周围环境的感测，一辆汽车会装载“长+ 中+ 短”多颗毫米波雷达，到了最终L5 级自动驾驶阶段甚至超过10 颗，预计2021 年全球毫米波雷达的出货量将达到8400 万个。 在上一篇《毫米波雷达在ADAS 中的应用》中，麦姆斯咨询提到随着ADAS 普及率的提升，要能够全方位覆盖汽车周围环境的感测，一辆汽车会装载“长+ 中+ 短”多颗毫米波雷达，到了最终L5 级自动驾驶阶段甚至超过10 颗，预计2021 年全球毫米波雷达的出货量将达到8400 万个。这是一个可预见的庞大市场，所以无论是传统的汽车Tier 1 厂商，还是新兴的初创企业，都纷纷加入到汽车雷达产业中来，希望能分一杯羹! 不过现实的竞争又是很残忍的。首先，汽车的空间容量有限，特别是现在汽车主流是向轻便、节能方向发展，别说增加零部件了;其次，精明的消费者只接受加量不加价，性能提高了，价格还得降低。所以，能不能抢到市场先机，摆在各家毫米波雷达厂商面前的主要问题是如何实现“更小巧、更便宜、更智能”的毫米波雷达!带着这些疑问，今天我们来了解一下车载毫米波雷达系统及其核心元器件，探一探毫米波雷达技术的发展趋势。 毫米波雷达系统基本结构在《认识毫米波雷达》文章中，我们
知道了毫米波雷达是基于多普勒原理，根据回波和发射波之间的时间差和频率差来实现对目标物体距离、速度以及方位的测量。根据辐射电磁波方式不同，毫米波雷达主要有脉冲和连续波两种工作方式（图1）。其中连续波又可以分为FSK（频移键控）、PSK（相移键控）、CW（恒频连续波）、FMCW（调频连续波）等方式。 图 1 、毫米波雷达工作方式 FMCW 雷达具有可同时测量多个目标、分辨率较高、信号处理复杂度低、成本低廉、技术成熟等优点，成为目前最常用的车载毫米波雷达，德尔福（Delphi）、电装（Denso）、博世（Bosch）等Tier 1 供应商均采用FMCW 调制方式。 以FMCW 为例（图2），毫米波雷达系统主要包括天线、前端收发组件、数字信号处理器（DSP）和控制电路，其中天线和前端收发组件是毫米波雷达的最核心的硬件部分。以下将分别详细介绍。
毫米波通信技术的研究现状和进展 李艳莉 (电子科技大学成都学院电子信息工程系，成都611731) 摘要：简单介绍了毫米波的基本概念及相关背景, 分析了毫米波的传播特性和优点,阐述了毫米波地面通信、毫米波卫星通信的研究现状, 以毫米波通信技术在电子对抗中的军事应用为例进行论述, 最后展望毫米波通信技术将会开创未来新型应用领域并拥有广阔的发展前景。 关键词毫米波; 毫米波传播; 毫米波通信; 电子对抗 0 引言 随着移动通信、卫星通信以及星载电子等方面的迅猛发展，对系统的容量要求越来越高。由于在高频微波频段有着极为丰富的频谱资源，现代通信系统正在向高频微波特别是毫米波频段发展。毫米波通信与传统的无线电短波、超短波和微波通信相比，具有不少独特之处。由于毫米波是以微波和光波作左右邻(它的波长介于微波和光波之间)，因此兼有微波和光波的某些优长。通信设备的体积很小，可利用小巧尺寸的天线获得很高的方向性，便于通信的隐蔽和保密。毫米波在传播过程中受杂波影响小，对尘埃等微粒穿透能力强，通信比较稳定[1]。 早在20世纪40年代，科学家们就开始对毫米波通信进行过研究，但由于种种原因毫米波通信并未得到实际应用。直至20世纪70年代，由于毫米波集成电路和毫米波固体器件的研制成功并获得批量生产，使生产成本日趋下降，毫米波通信才犹如枯木逢春，蓬勃发展开来。可以预计，随着科技的进步，毫米波通信必将呈现出广阔的应用前景。 1 毫米波的传播特性 通常毫米波频段是指30GHz～300GHz, 相应波长为1mm～10mm。毫米波通信就是指以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信。目前绝大多数的应用研究集中在几个“大气窗口”频率和三个“衰减峰”频率上[2][3]。 1)是一种典型的视距传输方式 毫米波属于甚高频段, 它以直射波的方式在空间进行传播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重,所以单跳通信距离较短; 另一方面，由于频段高，干扰源很少，所以传播稳定可靠。因此，毫米波通信是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的通信技术。 2)具有“大气窗口”和“衰减峰” “大气窗口”是指35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz 频段, 在这些特殊频段附近, 毫米波传播受到的衰减较小。一般说来，“大气窗口”频段比较适用于点对点通信，已经被低空空地导弹和地基雷达所采用。而在60GHz、120GHz、180GHz 频段附近的衰减出现极大值, 约高达15dB / km 以上, 被称作“衰减峰”。通常这些“衰减峰”频段被多路分集的隐蔽网络和系统优先选用，用以满足网络安全系数的要求。 3)降雨时衰减严重 与微波相比, 毫米波信号在恶劣的气候条件下，尤其是降雨时的衰减要大许
毫米波雷达在安防上的应用 一、安防系统划分 安防系统按照其作用范围划分可以分为周界安防和区域安防。周界安防主要作用于围界，为‘线’式安防。而区域安防主要作用于一个平面，为‘面’式安防。随着社会的发展，人们对安全防护的等级的要求也越来越高。迫切希望通过一种技术实现围界安防和区域安防，做到前期能提前预警，后期又能形成持续有效的追踪。这时毫米波雷达安防技术手段完美解决了上述问题。 目前，国内外应用较多的周界安防系统可以分为以下几种类型：视频监控；红外对射、激光对射；振动电缆、振动光纤、泄漏电缆；毫米波雷达。 视频监控系统是一种重要的安全防范系统，主要由摄像机、监视器、控制平台、录像/回放设备等组成。视频监控系统通常不是作为实时监控手段，而是事后调取录像，追查线索时使用。不能及时有效的处理警报。并且受天气（雨、雪、雾）、光线（夜间）影响较大。监控的范围会大大降低，并且很容易产生漏警。造成严重的安防防护隐患。 红外对射的工作原理是：利用红外发光二极管发射的红外射线，再经过光学透镜做聚焦处理，使光线传至很远距离，最后光线由接收端的光敏晶体管接收。当有物体挡住发射端发射的红外射线时，由于接收端无法接收到红外线，所以会发出警报。红外对射安防系统缺陷较大，飞鸟、动物、温度、光线、空气流动、雾气、雨雪等等环境因素以及安装方式、角度、位置等因素都很容易引发误报。 线缆型防护系统主要有震动电缆、泄漏电缆、振动光缆。震动电缆和振动光缆都安装在金属护栏上。而泄漏电缆通常需要埋入地下1米。 震动电缆主要缺点是在大风天气条件时，无法正常工作，会产生非常多的误警。 振动电缆对振动敏感，并随温度变化而变化，因此误报率高，维护成本高。
频率选择表面综述 1 滤波原理 两种类型： 1 贴片型（介质型） 在介质表面周期性的标贴同样的金属单元。 滤波机理： 假设电磁波入射从左向右入射到贴片型频率选择表面上。在平行于贴片方向的电场对电子产生作用力使其振荡，从而在金属表面上形成感应电流。这个时候，入射电磁波的一部分能量转化为维持电子振荡状态所需的动能，而另一部分的能力就透过金属丝，继续传播。换言之，根据能量守恒定律，维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一频率下，所有的入射电磁波能量都被转移到电子的振荡上，那么电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场，使得透射系数为零。此时，电子所产生的附加场同时也向金属导线左侧传播，形成发射场。这种现象就是谐振现象，该频率点成为谐振点。直观的看，这个时候贴片型频率选择表面就成反射特性。 再考虑另一种情况，入射波的频率不是谐振频率的时候，只有很少的能量用于维持电子做加速运动，大部分的能量都传播到了贴片的右侧。在这种情况下，贴片对于入射电磁波而言，是“透明”的，电磁波的能量可以全部传播。这个时候，贴片型频率选择表面就成透射特性。 一般而言，贴片类型是作为带阻型滤波器的。 等效电路：LC串联
2 开槽型（波导型） 在金属板上周期性的开一些金属单元的槽孔。 滤波机理： 当低频电磁波照射开槽型频率选择表面时，将激发大范围的电子移动，使得电子吸收大部分能量，且沿缝隙的感应电流很小，导致透射系数比较小。随着入射波频率的不断升高，这种电子移动的范围将逐渐较小，沿缝隙流动的电流在不断增加，从而透射系数会得到改善。当入射电磁波的频率达到一定值时，槽两侧的电子刚好在入射波电场矢量的驱动下来回移动，在缝隙周围形成较大的感应电流。由于电子吸收大量入射波的能量，同时也在向外辐射能量。运动的电子透过偶极子槽的缝隙向透射方向辐射电场，此时的偶极子槽阵列反射系数低，透射系数高。当入射波频率继续升高时，将导致电子的运动范围减小，在缝隙周围的电流将分成若干段，电子透过槽缝隙辐射出去的电磁波减小，因此，透射系数降低。而对于在远离缝隙的金属板上所产生的感应电流则向反射方向辐射电磁场，并且由于高频电磁波的电场变化周期的限制了电子的运动，辐射能量有限。因此，当高频电磁波入射时，透射系数减小，反射系数增大。 从频率特性相应上看，开槽型频率选择表面是带通型频率选择表面。 等效电路：LC并联。
1毫米波及其特点 1.1 毫米波传播模型 1.1.1 毫米波的概念 1.1.1.1 毫米波的定义 微波波段包括：分米波，厘米波，毫米波和亚毫米波。其中，毫米波（millimeter wave），通常指频段在30~300GHz，相应波长为1~10mm的电磁波，它的工作频率介于微波与远红外波之间，因此兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。 图1.1中直观地展示出毫米波在整个光谱之中的具体位置。 图 1. 1 毫米波工作频率范围示意图 1.1.1.2 毫米波的特点 由于毫米波的波长范围在微波与远红外波相交叠处，因此它兼有二者的优点。 （1）毫米波相对于微波波段，由于波长较短，所以对于给定的天线尺寸（孔径），波束宽度较窄，增益较高，能获得较高的空间分辨率和精度； （2）因为毫米波系统天线波束窄，其信号的空间立体角小，不易受到干扰，同时信号也不易被截获，所以毫米波还具有保密性好、抗干扰能力强、具有很强的侦查和反侦察能力的特点； （3）毫米波波段可用频带较宽，在每个毫米波大气传播窗口都具有极大的带宽可供使用，由于大气电磁波具有选择性吸收，故可以充分利用“大气窗口”丰富的频谱资源用于通
信、雷达等保密通信，还可利用其带宽光谱能力来抑制多径效应和杂乱回波，消除系统间的相互干扰； （4）毫米波穿透能力强，在“大气窗口”频率传播时，其衰减虽然比微波大，但却比红外和激光小很多，它具有穿透云、雾、烟尘以及等离子体的能力，它能对抗恶劣天气，进行全天候工作，这一特点对环境遥感和军事侦察等应用是十分重要的； （5）毫米波器件具有体积小、重量轻的特点。毫米波波长短，这使得工作于毫米波段的系统天线尺寸可以做得较小，可缩小毫米波原件的尺寸，并且易于集成化、单片化，从而减小毫米波系统的体积和重量。 1.3毫米波的发展 自1873年Maxwell发表《电磁学通论》以来，人们充分利用电磁资源在拓宽平铺方面作了大量的工作。对于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一个世纪的漫长岁月。毫米波的发展一直时起时落，但对毫米波的研究总是吸引着很多的学者，从而获得了大量的基本知识。研究毫米波必须有相应的技术作为支撑，所以此领域的研究一直比较缓慢，可以说一波三折。但随着相应技术的发展以及在一些重要场合下红外和可见光技术不能提供最佳解决方案的时候，毫米波由于其区别于普通微波的特点，其潜在的研究和应用价值日益突出，所以近年来对毫米波的研究掀起高潮。 2 毫米波在大气中的传播 毫米波在通信、雷达、遥感和射电天文等领域有大量的应用。要想成功地设计并研制出性能优良的毫米波系统，必须了解毫米波在不同气象条件下的大气传播特性。影响毫米波传播特性的因素主要有：构成大气成分的分子吸收（氧气、水蒸气等）、降水（包括雨、雾、雪、雹、云等）、大气中的悬浮物（尘埃、烟雾等）以及环境（包括植被、地面、障碍物等），这些因素的共同作用，会使毫米波信号受到衰减、散射、改变极化和传播路径，进而在毫米波系统中引进新的噪声，着诸多因素将对毫米波系统的工作造成极大地影响，因此我们必须详细研究毫米波的传播特性。 2.1 大气的吸收 毫米波在近地大气层中的衰减一般要比微波频段严重的多，特别是在大气成分的吸收谱线附近。在毫米波频段，大气衰减的极值出现在60GHz、119GHz（这是氧气分子的两条吸收谱线）和183GHz（这是水蒸气的吸收谱线）等频率处。水蒸气和氧气之所以造成这么大的影响，是应为它们的分子具有极化结构。水蒸气是电极化分子，氧气是磁极化分子，这些极化分子与入射波作用产生强烈的吸收，吸收的强弱与环境的大气压力、温度以及海拔高度有关。随着高度的增加，大气变得稀薄，吸收系数也迅速减少，即使是同一高度，也会因地区和时间不同，吸收系数变化1倍以上，图2.1给出了毫米波大气吸收的平均幅值，其中实线是海平面处的吸收系数，虚线是海拔4km处的吸收系数。 图 2. 1 晴朗天气水平传播的毫米波的单程衰减
微波毫米波系统应用 ——微波毫米波测试仪器技术的新进展 摘要:电子测量仪器是一个国家的战略性装备,其发展水平已成为一个国家科技水平、综合国力和国际竞争力的标志。 在通信、雷达、导航、电子对抗、空间技术、测控和航空航天等领域中,微波毫米波测试仪器是必不可少的测量手段。它复杂程 度高,技术难度大,工艺要求严格,一直备受关注并取得了突飞猛进的发展。本文介绍了微波毫米波网络分析仪、信号发生器 和信号分析仪设计技术的新进展和发展趋势,涉及到双端口和多端口网络分析仪及误差修正、非线性网络分析、频率合成、正交数字调制与解调等关键技术。 关键词:微波毫米波测试仪器;网络分析仪;信号发生器;信号分析仪 1微波毫米波网络分析仪技术 1.1双端口网络分析仪及误差修正技术 在突破扫频测量与误差修正等关键技术后,矢量网络分析仪(VNA)在高效、快速和多参数测量方面取得了显著进步。分体式矢网20世纪90年代趋于成熟并一直作为工业标准使用,虽然分体式VNA构成比较繁杂,但频段覆盖很宽,达到0.045～110GHz,测量精度也很高。一体化结构的VNA集成了激励信号源、S参数测试装置和多通道高灵敏度幅相接收机,实现了高性能和超宽带分析。全新的硬件设计方案使测量速度和性能有了极大的提高,具有奔腾芯片的嵌入式计算机和Windows操作系统的引入,使互连性和自动化程度有了质的飞跃。在测量速度、测试精度、动态范围、人机界面、智能化程度、稳定性、可靠性和重复性等方面具有明显的优势。二端口VNA的指标达到:频率范围10MHz～20/40/67/110GHz(可扩到325GHz)、频率分辨率1Hz、动态范围61～122dB、迹线噪声0.006dB/0.1°,具有频域和时域测试能力。67～110GHz还是分体式,但已大大简化了系统结构。 从VNA的设计原理来看,幅相接收机部分仍采用窄带锁相接收和同步检波技术。目前大都采用数字滤波和数字同步检波技术,接收机等效带宽最小达1Hz,测量精度和动态范围都有很大的提高。VNA的频率变换采用传统的取样变频法,虽然有成本低和易于实现的优势,但变频损耗较大,限制了VNA的动态范围。新型VNA采用基波/谐波混频法实现频率变换,它减小了变频损耗,动态范围提高约20dB;没有假响应进入锁相环路,有效地避免了假锁;本振源和激励源具有同样的调谐灵敏度,开环频率跟踪误差降低,加快了锁相捕获速度、扫描速度和跟踪速度。 误差修正技术是VNA的核心技术,通过测量校准和误差修正将校准件的精度转移到VNA 上。误差修正技术包括误差模型的建立、校准件的定标和误差参数的提取。模型是基于将一个非理想的VNA等效为一个理想的VNA与测量参考面之间插入一个两端口的误差适配器,误差适配器的参数将表征所有的系统误差。图1是VNA的12项误差模型[1],模型中下标带A 的S参数为被测(DUT)的实际S参数,下标带M的S参数为VNA测出的S参数。12项误差为:有效方向性误差EDF和EDR,传输跟踪误差ETF和ETR,反向测量跟踪误差ERF和ERR,通道隔离度误差EXF和EXR,等效源失配误差ESF和ESR,等效负载失配误差ELF和ELR。利用模型可以获得DUT网络包括12个误差项在内的测量值的解析表达式,VNA通过对一系列已知S参数的校准件的测量,求解系统的误差系数,从而获得DUT网络的实际S参数。
DIY微波/毫米波盲区监测系统 刚刚买了车，了解到一款叫做盲区监测系统的东西。看了下市面上的原厂汽车变道辅助系统动不动就要2~3K，于是冒出自己动手DIY一个的打算。 盲区监测系统也称为“侧向辅助系统”、“并线辅助系统”、“变道辅助系统”，是一种能够检测车辆侧后方位车辆动态特性的雷达装置，能够在车辆行驶时对两侧的盲区进行动态探测，并对司机进行提示。 现在市场上的有用超声波探测的，一般倒车雷达探测距离基本在2.5m左右，这个距离在车速上了80一点反应时间都没有，也不知某宝销量怎么来的。 原厂上都是用雷达做的，一般使用K波段毫米波雷达。汽车前防撞系统也有用到，K波段毫米波雷达是一种多普勒运动传感器，能够准确测量物体移动速度，和移动方向，除了军事上外、在安防、灯控、智能家居，自动化控制领域也有用的。 24GHz是一个ISM 规定的全球通用的一个雷达工作频段，在此频段上工作时干扰较小，列如中国在一些军事上面的雷达是10GHZ，在某些场合会对其有干扰。K-LC2为瑞士RFbeam 公司生产，采用世界最先进的平面微带技术，具有体积小、集成化程度高、感应灵敏、探测距离远、休眠快速唤醒等特点。雷达传感器多工作于CW /FMCW /FSK模式，功能应用多样，包括：探测动态目标的速度、静态目标的距离、动态目标的距离和速度、目标的方位（角度测量）以及辨别运动的方向，非常适合应用在变道辅助系统上。 该模块输出为模拟的I和Q信号，最多可以达到30m的探测距离。其对应的频率表示目标速度，如44Hz（?D）﹦1km/h（v），8.8kHz（?D）﹦200km/h（v），当目标做靠近传感器的径向运动时，I 信号滞后于Q 信号90°；当目标做远离传感器的径向运动时，I信号超前于Q信号90°。 I和Q是一个幅度很小的微弱信号，必须经过运放，上图,其中一路的信号放大。 I和Q放大后接入STM32的ADC上,STM32的ADC具有定时触发，规则通道，DMA等特性，提供FFT运算库，非常适合做I\Q这两路信号的分析。实测1024点的FFT运算仅需1~2毫米完成，远远小于10KHz的采样频率采集1024个点，采用双缓冲方式下基本不遗漏波形。 硬件成品 实测距离测车25m左右，测人10m左右。 毫米波雷达
频率选择表面 5.3.1 设计背景 频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是一种二维周期性结构，可以有效地控制电磁波的反射与传输。目前FSS的应用十分广泛，可用于反射面天线的负反射器以实现频率复用，提高天线的利用率；也可以用于波极化器、分波数仪和激光器的“腔体镜”，以提高激光器的泵浦功率；还可以用于隐身技术，应用设计的雷达天线罩能够有效地降低雷达系统的雷达散射界面。 5.3.2 设计原理 FSS是一种而为周期排列的阵列结构，本身不能吸收能量，但是却能起到滤波的作用。通常有两种形式，以后总是贴片型，是在介质衬底层上周期性地印上规则的导体贴片单元组成金属阵列；另一种是孔径型，是在很大的金属屏上周期性开孔的周期孔径结构。这两种结构都可以实现对电磁场的频率选择作用和极化选择作用，对于谐振情况下的入射电磁波，这两种阵列分别表现出全反射（单元为导体贴片）、全透射（单元为缝隙、孔径），它们也被分别称为带阻型FSS和带通型FSS。频率选择表面的频率选择特性主要取决于写真单元的形式、单元的排布方式以及周围戒指的电性能。 FSS的基本结构如图5-3-1所示，上下层为介质层，中间层为金属层，金属层也可以位于介质层的上下面上。 1.基本的偶极子或缝隙形式的频率选择表面 FSS的两类基本形式是导线阵列和缝隙阵列，如图5-3-2所示。 ε1 μ1 ε2 μ 2 图5-3-1 FSS的基本结构
如图5-3-2（a ）所示的谐振偶极子的阵列作为带阻滤波器，不能通行偶极子谐振频率的波，但 可以通行高于和低于谐振频率的波。与之互补的在理想导电片上的缝隙阵列，如图5-3-2（b ）所示，用作带通滤波器，可通行等于缝隙谐振频率的波，但拒绝较高和较低频率的波。两种情况的传输系数图如图5-3-3所示。 2. 其他形式的频率选择表面单元形状 各种各样的FSS 单元形状都是从最基本的直偶极子单元开始的。现在讲偶极子单元分成四类，分别为： （1） “中心连接”或“N-极子”单元。如偶极子、三极子和耶路撒冷十字等。 （2） 环形单元。如圆环，矩形环和六角环形等。 环单元是制造高质量的斜入射FSS 的首选形式。 （3） 不同形状的贴片。 （4） 上述图形的组合。 图5-3-4给出了四种常用谐振单元，其中图（a ）、（c ）属于孔径型，图（b ）、（d ）属于贴片型。 入射波 （a ） （b ） 图5-3-2 基本的频率选择表面 频率 带通 图5-3-3 两种形式的传输系数 图5-3-4 FSS 常用谐振单元