现代微波与天线测量技术
第一讲：概述
彭宏利博士
2008.09
微波与射频研究中心
上海交通大学－电信学院－电子工程系
1.意义
谈论“现代微波与天线测量技术”的意义，不能不先从“电磁场与微波技术”的意义谈起。
1870年，Maxwell创立的电磁场方程组标志人类对于电场和磁场本质认识的统一。
这一认识后被Richard Feynman称之为19世纪人类科学的最高成就。
在21世纪之初的今天，全世界仍然有无数的电磁科学家和工程师继续在采用计算机，努力地在寻找19世纪Maxwell方程组的解。
针对这种现象，人们不禁会问：“投入大量资源，继续研究电磁场与微波技术对于当今社会意义何在？”
下面回答这个问题。
20年前，人们研究“电磁场与微波技术”的动力主要来自于国防军事需要。
近20年来，电磁场与微波技术的研究主要动力迅速从军用转到了高速通信和高速计算等民用需要方面。
1.1.军用领域
2战期间，UHF和微波雷达对于拯救England以及盟军的后来胜利，发挥了至关重要的作用。
随后的45年，雷达技术与反雷达技术在空中防御力量的较量，一刻也没有停止过。
雷达技术，始终是围绕着一系列电磁技术而开展工作的。
图1给出了用100MHz雷达波束照射喷气式飞机，在飞机导体上激起表面电流的计算结果。
图1 100MHz雷达波束在飞机导体上激起表面电流的计算结果
问题1:这架飞机能承受多强的照射？能隐性吗？如何进行测试验证？
1960年后，刺激人们研究电磁技术的因素是原子弹爆炸后会产生强烈的电磁脉冲EMP，该EMP能量巨大，足以烧地面上方圆数百英里之内的所有电子设备。
由此产生了EMP预测和防护技术。
问题2:如何进行EMP测试验证？
1980年后，高功率微波HPM尖锐波束技术的出现，吸引人们研究HPM透射机理
图1 10GHz雷达HPM波束穿过导弹表面介质层瞬间
（计算结果）
问题3：如何进行HPM测试验证？
1.2.民用领域
高速电子器件的EM设计
以下是来自于Intel、Motorala、IBM等公司的认识：
超高速光集成电路
直径5.0um的AlGaAs谐振器与线宽0.3um的AlGaAs光波导耦合
间距0.1um
微谐振腔激光设计
基于Maxwell电磁场方程组的大尺度解，构造人工光子晶体阵列，成果设计出世界上最小的激光源。
图6显示了光是如何被约束在微型谐振腔的。
首先，半波长厚折射率介质板在垂直方向囚禁电磁场；其次，水平方向构造人工光子晶体禁带，局域化电磁场能量。
这样化电磁场能量之内沿着既定路线传播。
图6 微型激光谐振腔
飞秒级光开关
人体组织的微波成像
1.3.电磁场与微波技术又是支撑现代无线电技术的三大基石之一
错误！链接无效。
微波与天线测量技术是电磁场与微波技术学科的重要组成部分；它与电磁场理论（场理论）、微波网路理论（路理论）一起，是研究和解决电磁场与微波技术问题的3种手段之一。
2.主要特点
体现在以下3方面
基本测试量：场分布、功率、频率，不是低频电路的电流和电压；
基本测量域：时域、频域、空域、极化域，不是低频电路的时域和频域；
测量电路是分布参数电路，不是低频电路的集总参数电路。
上述特点，决定了现代微波与天线测量对测量环境、测试仪器和测试方法有更高的要求。
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3.基本任务和主要内容
3.1.基本任务
通过实验手段，了解和评价试验对象的微波、天线特性参数；例如，新设计的微波部件、天线部件等。
通过实验手段，验证微波与天线新概念、新理论；光子晶体、左手材料、微波纳米材料、纳米天线新理论。
通过实验手段，揭示微波、天线与其它物质新的作用机理或者效应。
比如，电磁波在周期媒质中的传播新机理。
3.2.主要测量内容
特性参数测量
信号特性参数测量；
信号的频率和波长、场强和功率、波形和频谱、振荡器的振荡特性、接收机的噪声特性等。
网络特性参数测量
反射特性参数、传输特性参数
天线特性参数测量
主要为电路特性和辐射特性两个方面，前者与馈电电路特性有关，包括阻抗特性、频率特性、效率和匹配等。
后者与辐射特性有关，包括方向图（相位、幅度）、主瓣宽度、副瓣电平、增益、方向系数、极化、相位特性以及有效面积、有效高度等。
媒质电磁特性参数测量
（复）介电常数、（复）磁导率以及导电率参数测量
散射特性参数测量
散射截面、散射谱等
4.微波与天线测量技术发展新趋势
4.1.开发频谱、扩大微波资源
微波资源的开发和利用，推动着微波与天线测量技术的进步。
目前THz频段是尚未开垦的频段，微波与天线测量技术必然会向上述频段发展。
4.2.宽带、多参数测量
目前网路分析仪可测范围达到了10Hz－300GHz，动态范围可达150dB。
在测量平台上完成多进程、多任务、多参数测量。
4.3.数字化、智能化和自动化
数字化是所有仪器的发展方向，目前8位分辨率的AD采用速率已达GHz量级，微波信号取样的数字化时代已经来临，为智能化和自动化测试创造了有利的条件。
4.4.标准化和模块化
是产业化保障。
4.5.虚拟仪器测量
4.6.微波测量网络化。