微波技术课系列讲座 March 2003
微波技术发展历史回顾
微波科学技术的早期历史
1940年初夏,Samuel Bush写信给罗斯福(F.D.Roosevelt)总 统,建议成立专门机构研制战争中急需的雷达(RADAR).6月3 日,总统在白宫接见他,只谈了15分钟就确定下来.国防研究委 员会(National Defence Research Committe)的负责入就是麻省理 工学院(M.l.T.)的校长,诺贝尔奖获得者pton, 他决定就在MIT成立辐射实验室(Radiation laboratory),全力进 行雷达的研制.当时英国人达到的水平是,在10cm波长上产生 10kw的脉冲功率.辐射实验室后来能做到:波长降到1cm,脉冲 功率升为400kw. 但是,要研制出雷达需要多方面的工作.在美国,除BTL负责改 进和生产磁控管以外,西屋(Westing House)公司负责设计脉冲 发生器,SPerry公司负责设计扫描天线,通用电气公司(GE)负 责设计接收机,等等.这样,40年代初就有厘米波脉冲雷达在美 国诞生.
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微波科学技术的应用和发展
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微波科学技术的应用和发展
自1945年以来的半个世纪中,微波科学技术表现出巨大的应用价 值,非常活跃而充满生命力.例如, 雷达的诞生与成熟(1939一1945年); 射电天文学大发展(1946—1971年); 卫星通信及卫星广播的建立与普及(1964年以后至今); 微波波谱学与量子电子学的巨大进步(1944年以后至今); 微波能利用及微波医学的发展(1947年以后至今);等等. 下面我们从几个方面叙述微波科学技术的应用与发展.
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2 卫星通信
1945年,英国科幻作家 Arthur C.Clarke提出,如把飞行器发射 到离地球赤道高 36000km处的空中,它可同步于地球自转速度运 行,从地面看是固定不动的.通信卫星,实为高悬天上的微波中 继站,但其通信距离远,通信质量不受气候影响,覆盖面积大, 具有极大的优越性. 1964年成立国际卫星通信组织(International Telecomrnunication Satellite Organization,即INTELSAT). 1965年发射了1号国际通信卫星,寿命仅1.5年.而1988年由美国 发射的VI号卫星的首颗,寿命可达14年.卫星通信,过去主要用 6/4 GHz(C波段),少数用14/11GHz(K波段);而1988年 发射的卫星侧重30/20GHz(Ka波段).另外,从INTELSAT— V卫星开始,电波传送采用双圆极化频率复用(frequency reuse) 体制,使通信容量增加一倍.
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1885年,H.Hertz到德国Karlsruhe高等工业学校任物理学教授.并从事 电磁波方面的实验,以确定 Maxwell理论的正确性. 1888年至 1889年, Hertz在德文科学刊物(Annalen der Physik)上发表了三篇文章,提到他 产生并辐射出去的波长有:4.8m,4～5m,2.8m,66crn,58cm等,即分布 在米波和分米波段.另外,他曾把2m长的锌板弯成抛物往面形状,把振 子放在焦线上,以此证明电磁波的直线进行性质和可聚焦性质;因此, Hertz发明了抛物反射面天线. 上世纪末,物理学家们解决了未来微波的传输工具问题.J.J.Thomson 在其著作中预言了圆波导(1893年),难能可贵的是他给出了有限导电 壁波导的初步理论. Lord Rayleigh则更全面地分析了未来的矩形波导和 圆波导的理论基础(1897年).1910年.D.Hondros和P.Debye给出用介 质圆柱导波的原理;对此,H.Zahn(1916)年,().Schriever(于 1920年)发表了有关的实验.
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辐射实验室干1941年正式成立,到1945年共有3800入(其中1800 入是科技人员).到1991年6月MIT举行该所成立50周年纪念活动 时.仍活在世上的只有300人.在这支队伍中,有 8人曾荣获诺贝 尔奖,例如 I.I. Rabi(在 1944年),N. Ramsay(在 1989年) 等.中国学者鲍家善教授应邀参加了50周年纪念活动,他是1943 年加入辐射实验室的. 雷达的原意是 Radio Detection and Ranging(无线电侦察与测 距),开始时不是采用微波.第二次世界大战初期,英国的海岸 雷达站使用波长为12m,许多站联合组成低空搜索网.这种系统 有两大缺点,首先是误差大,它曾把入侵德机的数目多报了三倍; 其次是天线尺寸太大,雷达站易受攻击. 1939年秋,纳粹德国装备一种雷达,波长为2.4m,可担任搜索 海,空目标的任务.1940年夏,德国人给部队装备了分米波雷达 (0.53m),其电波集束性好,可以指挥高炮射击,曾击落过在 云层之上飞行的英机.此外,还可以引导夜航战斗机.英国于 1942年才开始生产厘米波机载雷达,地面情形可清晰地显示在飞 机机舱中的荧光屏上. 微波技术课系列讲座 March 2003
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பைடு நூலகம்
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微波的定义
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".这个定义实际上主要指分米波,厘米波,毫米波三个波 段. 微波技术的历史,如果从1936年波导传输实验成功算起.至今已 有六十多年了.无论在理论上还是在实践上,微波科学技术已相 当成熟,并拥有庞大的从业入员队伍. 英国物理学家J.C.Maxwell干1862年提出了位移电流的概念, 并提出了"光与电磁现象有联系"的想法. 1865年,Maxwell在其论文中第 一次使用了"电磁场"(electro一 magnetic field)一词,并提出了电磁场方程组,推演了波方程, 还论证了光是电磁波的一种.一百多年来的事实证明,建立在电 磁场理论基础上的微波科学技术,对入类生活产生了极其巨大的 影响.
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1941年12月7日晨,位于夏威夷瓦胡岛北部山头上的防空警戒雷 达站中的两名士兵,于7时 2分看到荧光屏上有一群亮点;他们测 量了距离——不到 250km,方位是北偏东 3度. 7时25分,距离缩 短到 100km.到 7时 39分,由于距离太近,显示器上看不到日本 飞机了. 7时 53分,日本指挥官从高空轰炸机上用无线电发出了 "虎,虎,虎"信号,表示突袭成功.……美国人虽有了雷达,却 因高级官员的糊涂麻痹而遭受沉重打击.……第二次世界大战中, 雷达的应用遍及陆地,海上,空中,对微波工业是极大的刺激和 推动.仅就美国而言,到1945年微波与雷达工业的规模已超过了 战前的汽车工业!
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美国贝尔研究所(BTL)的G.C.Southworth,早在1920年就仔 细观察了水槽中的波,思考了导波问题.1931年他进行了高频实 验.1933年,在美国有波长15cm的信号源可用了,他加紧了实验 波导线的建设.1936年3月,他宣布波导传输实验成功——实验线 路长260m,是直径12.5cm的圆形青铜管,传输的波长是9cm. 1938年2月1日,美国IRE举行了关干波导的学术报告会,表演了 四种重要的模式.2月2日,IRE又举行了关于喇叭天线(由波导 开口逐步扩大而成)的报告和演示会,自此以后,微波 (Microwaves)成为一个热门话题.1938年,美籍华入朱兰成 (L.J.Chu)在(Jour.Appl.Phys.)杂志上发表了题为"椭 圆形中空金属管子里的电磁波"的文章,是关于椭圆波导的第一篇 论文.今天,椭圆波导已广泛应用在微波中继站,卫星地球站等 领域.
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1 微波中继通信
对于幅员辽阔,地形复杂,水灾多发的国家(如中国),微波通 信的优越性非常突出.第一条微波中继通信线路是美国于1948年 建立的;从纽约到波士顿,中间设7个站,可传送480路电话及1路 电视.这时的技术称为"模拟微波".……美国后来大力发展称力 "数字微波"的技术. 到80年代末仅美国电话电报公司(AT&T)就拥有4GHZ,6GHZ 的微波站3000多个.实际上,美国有70%的站是采用数宇技术 的.……日本于1954年开通东京到大版的4GHZ微波中继线路, 后来又陆续使用5GHZ,6GHZ,2GHZ,乃至11GHZ,15GHZ等 频段.日前,已使用亚毫米波段的20GHZ于东京,大贩,横滨等 城市. 近年来有一个动向,即美国把原来广泛使用的2700路设备("模 拟微波")拆除后,出口到中国.我国引进后可取代原来的600路 设备,改装后成为"数字微波"设备,应用于地区通信.
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也是在 1938年,美国斯坦福大学(University of Stanford)的 W.W.Hansen教授发表了关于谐振腔(当时叫 Rumbatron)的 想法.并且,他指导 Varian兄弟(R. Varian和 S. Varian)利用 谐振腔对电子束进行速度调制,从而发明了双腔速调管 (Klystron),解决了在厘米波段产生小功率振荡的问题. 磁控管(Magnetron)的发明和发展具有更大意义.1921年,A W.Hull在((Phys.Rev.》杂志上最旱对此作了探讨.1924年, 在德国和捷克也有入作了些研究.1936年6月,我国学者曾昭抡教 授率北京大学参观团访日,曾去大版帝国大学理学部参观,看到 了日本()Cobe教授研制的磁控管,能产生的最短波长是6cm. 1940 年 7 月 , 英 国 伯 明 翰 大 学 ( University of Bermingham) 的 J.T.Randall和 A.H.Boot发明了多腔磁控管(multi-cavity magnetron),迅即送往美国BTL作全面测试,证明正是磁控管打 开了通往"厘米波,大功率"的道路.