微波通信技术是一种利用频率在300MHz至300GHz范围内的电磁波进行远距离通信的技术。微波通信的发展历程可以划分为几个阶段。从19世纪30年代到20世纪60年代，这一时期主要是模拟微波通信，其中模拟调频技术被广泛采用。在此期间，1951年，美国开通了第一条商用微波通信线路，连接纽约和旧金山，这条线路有100多个站点，可以传输480路电话信号。我国开始建设长途微波通信线路是在“七五”期间。 进入20世纪60年代至90年代初，微波通信进入数字时代。数字微波通信的出现，得益于数字交换技术、数字信号处理技术的发展，以及大规模集成电路和调制解调技术的进步。数字微波通信提供了更优质的长途传输质量、更高的频谱利用率和更大的通信容量。20世纪90年代后，光纤和卫星通信技术的发展对微波通信产生了一定冲击，但微波通信也展现出新的发展趋势，例如基于同步数字体系(SDH)的数字微波通信系统，以及更高的容量支持（如512QAM、1024QAM）和无线接入网技术（如本地多点分配系统 LMDS、多点多信道分配系统 MMDS）。 微波通信基本概念还包括微波的传播特性。微波传播具有光的直线传播特性，并且具有不同的极化方式。其中，线极化包括水平极化和垂直极化；圆（椭圆）极化则包括左旋极化和右旋极化。这些特性对微波通信系统的组成和性能有重要影响。 微波中继通信系统是指为了克服信号长距离传输过程中的质量恶化，接收、再生、转发信号的通信系统。一条通信线路可以服务多个地点，实现上下话路。中继通信主要有三种方式：直接中继、外差中继和基带再生中继。 数字微波中继线路由多个组成部分构成，它们共同协作实现信号的高效传输。波道及射频频率配置是指将微波线路的可用带宽划分成若干频率小段，每个频率小段上设置一套微波收发信机，构成传输通道。为了最大化波道数量和减少干扰，频率配置必须科学合理。单波道频率配置分为二频制和四频制，不同配置有各自的优缺点，例如二频制存在反向干扰的问题，而四频制虽然多用一倍的频率，但需要更好的天线前后隔离度。多波道频率配置的排列方式分为收发频率相间排列和集中排列，以及射频波道的频率再用策略，都是为了有效减少干扰并提高通信效率。 微波通信中的备份与切换是保障通信可靠性的关键技术。备份策略包括设备备份和波道备份，分别采用1:1备份或n:1备份方式。切换则分为人工切换和自动切换，以便在通信质量下降或其他紧急情况下迅速恢复通信。 微波通信的监控和勤务也是保证通信系统稳定运行的重要组成部分。监控系统通过实时监控设备和通信质量，及时发现并处理问题，确保通信的连续性和稳定性。 微波通信技术在现代社会中扮演了重要角色，无论是固定网络还是移动通信网络，微波通信都以其独特的优势在无线通信领域占有一席之地。随着技术的不断进步，微波通信将继续发展，适应新时代的通信需求。

**数字微波通信系统概述** 数字微波通信系统是一种利用微波频段的电磁波作为载体，通过中继接力的方式实现远距离通信的技术。微波的定义是波长在1毫米到1米之间，对应的频率范围是300兆赫兹（MHz）至300吉赫兹（GHz）。这个频段可以进一步细分为分米波、厘米波和毫米波三个子区间。 **微波通信的历史发展** 微波通信的历史可追溯到20世纪30年代，当时出现了第一个工作在甚高频（VHF）频段的模拟无线通信系统。第二次世界大战期间，军用通信开始使用特高频（UHF）频段。1951年，美国建立了第一条商业微波通信线路，从纽约到旧金山。我国在“七五”计划期间引入了微波通信系统。随着时间推移，数字微波通信系统在20世纪70年代末开始出现，采用了简单的调制技术如QPSK和8PSK。80年代，随着数字信号处理技术和大规模集成电路的进步，微波通信系统发展迅速，90年代后，更大容量的数字微波通信系统逐渐成为主流。 **微波通信的特点** 1. **宽频带和大容量**：微波频段的频带宽度较大，能够支持大量信息的传输，适合宽频带信号的传输。 2. **抗干扰能力强**：由于工作频率高，微波通信系统受低频段干扰的影响较小。 3. **通信灵活性**：微波通信可以通过中继站实现远距离传输，能跨越特殊地形，如沼泽、河流、湖泊和山脉，尤其在自然灾害情况下，通信建立、撤收和转移相对便捷。 4. **高增益和方向性强的天线**：微波天线能制造出高增益且方向性极强，减少了通信中的相互干扰，降低了发射机的功率需求。 5. **经济高效**：相对于其他通信方式，数字微波通信系统的建设和运维成本较低，建设速度较快。 6. **数字通信优势**：数字微波通信结合了数字通信的稳定性和纠错能力，提高了信号质量。 **微波通信系统的分类** 微波通信系统主要分为两类：模拟微波通信系统和数字微波通信系统。模拟系统主要处理连续变化的信号，而数字系统则以二进制形式传输信息，具有更高的数据安全性、可靠性和处理能力。 **微波通信的应用** - **干线备份和补充**：数字微波通信常用于光纤主干线路的备份，提供冗余通信路径，确保网络稳定性。 - **边远地区通信**：在缺乏有线基础设施的偏远地区，微波通信为用户提供基本的语音和数据服务。 - **市内支线连接**：城市内部的短距离通信，如无线基站间的连接。 - **无线宽带接入**：为住宅和企业用户提供高速互联网接入服务。 **微波的视距传播特性** 微波通信通常遵循视距传播原则，通信距离受到发射和接收天线高度的影响。此外，还需考虑自由空间传播损耗、地面反射和大气吸收等因素，这些都会影响信号的传播质量和距离。例如，天线高度的增加可以扩大通信覆盖范围，但同时也可能遇到更多由地形和大气条件造成的传播障碍。 数字微波通信系统因其独特的优点和广泛的应用，在现代通信网络中扮演着重要角色。随着技术的不断发展，数字微波通信系统将继续优化，提供更高效、更可靠的通信解决方案。

粮食水分含量是粮食质量的关键指标，直接影响粮食的收购、运输、储藏、加工、贸易等过程。目前在国内粮食收购时，凭手摸牙咬或者传统检测方法来判断粮食的水分，存在测定结果极不可靠、检测时间长、浪费人力物力等问题。为了快速、准确检测粮食水分，设计了基于微波的粮食水分检测系统，通过检测微波信号与被测粮食相互作用前后微波幅值、相位等变化，推算出粮食水分含量。 【基于微波的粮食水分检测系统设计】 粮食的水分含量是衡量其质量的重要标准，它对粮食的各个环节，包括收购、运输、储藏、加工和贸易等，都有着深远影响。传统的水分检测方法，如手摸牙咬或传统检测手段，存在着结果不可靠、耗时长以及人力物力浪费的问题。因此，开发一种快速且精确的检测系统显得至关重要。 微波水分检测技术应运而生，这是一种无损检测的新技术，具有高精度、宽测量范围、良好的稳定性和适应动态检测的能力。微波因为其高频率和强穿透性，可以深入粮食内部，检测到粮食的整体水分含量，而不只是表面水分。粮食中的水分，作为极性分子，在微波场中会极化，从而对微波的吸收、反射等性质产生显著变化，这就是微波水分检测的基础。相较于电容法和电阻法等传统方法，微波检测具有更高的准确性和通用性，适合不同厚度和密度的粮食检测。 系统设计方面，基于微波的粮食水分检测系统主要由微波发生器、微波传感器天线、温度传感器、检测控制器以及分析处理单元组成。微波发生器工作在10.5 GHz频率，传感器通常采用透射式检测，确保能够穿透较厚的物料。隔离器用于防止反射信号影响源信号的稳定性，检波器则将微波信号转化为电信号，通过检测控制器进行放大、滤波和A/D转换，最终通过串行总线与计算机进行数据交换，实现实时数据显示和数据分析。同时，系统会结合温度传感器的数据进行温度补偿，以提升检测精度。 硬件设计中，检测控制器是核心部分，包括放大滤波电路、A/D转换器、微控制器、键盘、LCD显示和串行总线接口。微波传感器的信号经过处理后，由A/D转换器转化为数字信号，然后在LCD上实时显示水分含量。键盘接口允许用户进行参数设置和水分标定，串口则负责与计算机的数据通信。微控制器选择Microchip公司的PIC18F6527，具有低功耗、高抗干扰能力及丰富的外围接口。A/D转换器AD7806提供高分辨率的采样，确保检测精度。系统采用5 V工作电压，采用光电隔离减少外部干扰，增强系统可靠性。 软件设计包括数据采集、水分值标定、水分值推算、系统灵敏度调节和显示模块。系统灵敏度的调整使得该检测系统能够适应不同的粮食种类和状态，优化检测效果。 基于微波的粮食水分检测系统设计旨在解决传统检测方法的不足，通过微波技术实现快速、准确的水分测定，有助于提高粮食产业的效率和准确性，保障粮食的质量安全。

随着移动通信技术的发展，射频(RF)电路的研究引起了广泛的重视。采用标准CMOS工艺实现压控振荡器(VCO),是实现RF CMOS集成收发机的关键。过去的VCO电路大多采用反向偏压的变容二极管作为压控器件，然而在用实际工艺实现电路时，会发现变容二极管的品质因数通常都很小，这将影响到电路的性能。于是，人们便尝试采用其它可以用CMOS工艺实现的器件来代替一般的变容二极管，MOS变容管便应运而生了。 【新型MOS变容管的射频振荡器设计】是现代移动通信技术中的关键环节，因为射频（RF）电路对于实现高效的RF CMOS集成收发机至关重要。传统的压控振荡器（VCO）通常依赖于反向偏压的变容二极管作为压控元件，但这种二极管的品质因数低，限制了电路性能。为了解决这个问题，研究者们发展了MOS变容管。 MOS变容管是通过将MOS晶体管的漏极、源极和衬底短接形成的一种新型电容，其电容值能够根据栅极与衬底之间的电压VBG变化而改变。在PMOS电容中，当VBG大于阈值电压绝对值时，电容工作在强反型区域，而在VG大于衬底电压VB时，电容工作在积累区。在这个过程中，栅氧化层与半导体之间的界面电压为正，允许电子自由移动，导致电容值增大。在不同的工作区域内，电容值会有变化，这主要由耗尽区域电容Cb和界面电容Ci共同决定。 在设计中，有两种主要类型的MOS变容管：反型和积累型。反型MOS变容管工作在强、中和弱反型区，不进入积累区，因此具有较宽的调谐范围。而积累型MOS变容管通过抑制空穴注入，仅工作在耗尽区和积累区，这提供了更大的调谐范围和更低的寄生电阻，从而提高品质因数。积累型MOS变容管的制作可以通过去除漏源结的p掺杂，用n掺杂衬底接触来实现，这降低了寄生电阻且无需额外的工艺流程。 在VCO的电路设计中，通常采用对称CMOS结构，以减少振荡时电位变化对变容管电容值的影响，提高频谱纯度。电感需要与变容管匹配，并且使用大型的片内集成电感和积累型MOS变容管组成的LC振荡回路，尽管损耗较高，但通过增大负跨导可以维持振荡。为了保证起振和等幅振荡，耦合晶体管需要较大的宽长比，但这也带来了更大的寄生效应。设计通常基于特定的半导体工艺，例如TSMC的0.35μm锗硅射频工艺模型PDK，使用三层金属构造平面螺旋八边形电感。 在实际应用中，VCO的振荡频率取决于选取的电感值和变容管的电容调谐范围。通过优化这些参数，可以设计出满足特定需求的高性能射频振荡器，服务于现代通信系统。

本书《使用电磁场仿真进行微波电路建模》详细介绍了如何利用电磁场仿真工具进行微波电路的设计与优化。书中不仅涵盖了电磁场求解器的基本原理，还探讨了各种数值方法如矩量法（MoM）、有限元法（FEM）、有限差分时域法（FDTD）等的应用。作者通过大量的实际设计案例，展示了这些工具在解决微波电路设计中的优势和局限性，并强调了网格划分、收敛性、去嵌入和可视化等关键问题。此外，书中还讨论了不同类型的滤波器设计，如微带指形滤波器、边缘耦合滤波器等，以及如何选择合适的软件工具来满足特定的设计需求。本书适合从事微波电路设计的工程师和技术人员阅读，旨在帮助读者更好地理解和应用电磁场仿真技术，提高设计效率和准确性。

同轴传输线示例 求同轴线电磁场分布,其相应电压电流波及特性阻抗 由式(1.30)求得沿正z方向传输的TEM波电场和磁场为 V=V0 V=0 传输线上电压电流波 b a 由于对称性 所以上式的解为 柱坐标下的 拉普拉斯方程 r=b时 r=a时

以东方拟无枝酸菌(Amycolatopsisoriental)V30为出发菌株,经过紫外线、微波复合诱变,选育得到万古霉素高产菌株V311-04,较出发菌摇瓶单位提高7%以上,并且有良好的遗传稳定性。

内容概要：本文详细介绍了超宽带0.5-6GHz一分二功分器及其相关微波器件（如合路器、耦合器、滤波器等）的参数化设计与ADS仿真方法。文中强调了功分器在无线通信、卫星接收、网络设备等领域的重要应用，并深入探讨了ADS仿真的具体操作流程和技术细节，包括阻抗变换、参数化建模、仿真验证等环节。此外，还提供了一个MATLAB代码片段，展示了如何利用ADS进行功分器设计的参数化建模和仿真验证。 适合人群：从事射频电路设计、微波工程及相关领域的工程师和技术人员。 使用场景及目标：适用于需要深入了解超宽带一分二功分器设计原理和仿真技术的研究人员，旨在帮助他们掌握ADS仿真工具的使用方法，提高设计效率和精度。 其他说明：本文不仅提供了理论指导，还结合实际案例进行了详细的步骤解析，有助于读者更好地理解和应用所学知识。

### 微波网络中的参数矩阵定义、推导及其转换 #### 一、Z矩阵（阻抗矩阵） 在微波工程领域，二端口网络是非常重要的组成部分。为了方便分析和计算，引入了不同的参数矩阵来描述这些网络的行为。首先介绍的是**Z矩阵**。 **定义：** Z矩阵用于描述端口电压与端口电流之间的关系。对于一个二端口网络，假设其两个端口的电压分别为\(U_1\)和\(U_2\)，对应的电流分别为\(I_1\)和\(I_2\)，则可以定义Z矩阵如下： \[ \begin{align*} U_1 &= Z_{11}I_1 + Z_{12}I_2 \\ U_2 &= Z_{21}I_1 + Z_{22}I_2 \end{align*} \] 或者用矩阵形式表示为： \[ \begin{bmatrix} U_1 \\ U_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} Z_{11} & Z_{12} \\ Z_{21} & Z_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} I_1 \\ I_2 \end{bmatrix} \] **特殊性质：** - **对于互易网络**：\(Z_{12} = Z_{21}\) - **对于对称网络**：\(Z_{11} = Z_{22}\) - **对于无耗网络**：每个元素都可以表示为纯虚数，即\(Z_{ij} = jX_{ij}\)，其中\(X_{ij}\)为实数。 **归一化阻抗矩阵**： 为了进一步简化计算，通常会定义归一化的电压和电流，以及相应的归一化阻抗矩阵。设归一化电压和电流为\(u\)和\(i\)，则它们与未归一化的电压和电流之间的关系为： \[ \begin{align*} u &= \frac{U}{Z_0} \\ i &= \frac{I}{Z_0} \end{align*} \] 其中\(Z_0\)为参考阻抗。由此，我们可以得到归一化的Z矩阵为： \[ \begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} z_{11} & z_{12} \\ z_{21} & z_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} i_1 \\ i_2 \end{bmatrix} \] 这里的\(z_{ij}\)是归一化后的阻抗矩阵元素。 #### 二、Y矩阵（导纳矩阵） **定义：** Y矩阵是用来描述端口电流与端口电压之间的关系的。对于二端口网络，Y矩阵定义为： \[ \begin{align*} I_1 &= Y_{11}U_1 + Y_{12}U_2 \\ I_2 &= Y_{21}U_1 + Y_{22}U_2 \end{align*} \] 或用矩阵形式表示为： \[ \begin{bmatrix} I_1 \\ I_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} Y_{11} & Y_{12} \\ Y_{21} & Y_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} U_1 \\ U_2 \end{bmatrix} \] **特殊性质：** - **对于互易网络**：\(Y_{12} = Y_{21}\) - **对于对称网络**：\(Y_{11} = Y_{22}\) - **对于无耗网络**：每个元素都是纯虚数，即\(Y_{ij} = jB_{ij}\)，其中\(B_{ij}\)为实数。 **归一化导纳矩阵**： 同样地，可以定义归一化的电压和电流，并据此定义归一化的导纳矩阵。设归一化电压和电流为\(u\)和\(i\)，则有： \[ \begin{align*} u &= \frac{U}{Z_0} \\ i &= \frac{I}{Z_0} \end{align*} \] 归一化的Y矩阵为： \[ \begin{bmatrix} i_1 \\ i_2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} y_{11} & y_{12} \\ y_{21} & y_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} u_1 \\ u_2 \end{bmatrix} \] 这里的\(y_{ij}\)是归一化后的导纳矩阵元素。 #### 三、A矩阵（散射参数矩阵） A矩阵主要用于描述网络内部的信号传输情况，尤其是信号在不同端口间的传输关系。它通过定义网络输入和输出端口的电压电流比来描述网络特性。A矩阵的定义如下： \[ \begin{align*} \begin{bmatrix} U_1' \\ I_1' \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} A_{11} & A_{12} \\ A_{21} & A_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} U_2 \\ -I_2 \end{bmatrix} \end{align*} \] 其中\(U_1'\)和\(I_1'\)分别表示网络输入端口的电压和电流，\(U_2\)和\(-I_2\)分别表示网络输出端口的电压和负电流。 **特殊性质：** - **对于互易网络**：\(A_{12} = -A_{21}\) #### 四、S矩阵（散射矩阵） S矩阵是微波工程中最常用的参数之一，用来描述二端口网络的散射特性。它定义了网络输入端口和输出端口之间反射和透射的比率。S矩阵的定义如下： \[ \begin{align*} \begin{bmatrix} b_1 \\ b_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} S_{11} & S_{12} \\ S_{21} & S_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} a_1 \\ a_2 \end{bmatrix} \end{align*} \] 其中\(a_i\)和\(b_i\)分别表示入射波和反射波的幅度。 **特殊性质：** - **对于互易网络**：\(S_{12} = S_{21}\) #### 五、T矩阵（传输参数矩阵） T矩阵，也称为传输参数矩阵，用于描述信号在二端口网络内部的传输特性。它可以直观地表示信号从一个端口到另一个端口的传输情况。T矩阵定义如下： \[ \begin{align*} \begin{bmatrix} U_2 \\ I_2 \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} T_{11} & T_{12} \\ T_{21} & T_{22} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} U_1 \\ I_1 \end{bmatrix} \end{align*} \] **特殊性质：** - **对于互易网络**：\(T_{11}T_{22} - T_{12}T_{21} = 1\) ### 参数矩阵之间的转换 不同参数矩阵之间可以通过特定的数学变换进行转换，以便于根据实际应用场景选择最适合的参数矩阵进行分析和设计。以下是一些基本的转换公式： - **Z到Y**： \[ \begin{bmatrix} Y_{11} & Y_{12} \\ Y_{21} & Y_{22} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} Z_{11} & Z_{12} \\ Z_{21} & Z_{22} \end{bmatrix}^{-1} \] - **Y到Z**： \[ \begin{bmatrix} Z_{11} & Z_{12} \\ Z_{21} & Z_{22} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} Y_{11} & Y_{12} \\ Y_{21} & Y_{22} \end{bmatrix}^{-1} \] - **Z到S**： \[ \begin{bmatrix} S_{11} & S_{12} \\ S_{21} & S_{22} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \frac{Z_{11}-Z_0}{Z_{11}+Z_0} & \frac{2Z_{12}}{Z_{11}+Z_{22}+Z_0} \\ \frac{2Z_{21}}{Z_{11}+Z_{22}+Z_0} & \frac{Z_{22}-Z_0}{Z_{22}+Z_0} \end{bmatrix} \] - **S到Z**： \[ \begin{bmatrix} Z_{11} & Z_{12} \\ Z_{21} & Z_{22} \end{bmatrix} = Z_0 \begin{bmatrix} \frac{1+S_{11}}{1-S_{11}} & \frac{2S_{12}}{1-S_{11}S_{22}} \\ \frac{2S_{21}}{1-S_{11}S_{22}} & \frac{1+S_{22}}{1-S_{22}} \end{bmatrix} \] 通过上述定义和转换，可以灵活地在不同参数矩阵间进行切换，从而更好地理解微波网络的工作原理，并为其设计提供理论支持。

重庆大学的微波实验是电磁学领域中的一个重要实践环节，主要涵盖了微波理论与技术的基础应用。通过这些实验，学生可以深入理解微波的基本性质、传播特性以及在通信、雷达和电子设备中的应用。微波实验通常涉及多个关键知识点，包括但不限于： 1. **微波基础理论**：微波是指频率在300MHz（0.3GHz）到300GHz之间的电磁波。它们具有短波长、高频率的特点，因此在天线设计、无线通信、遥感和微波加热等领域有广泛应用。 2. **微波测量技术**：实验中可能会用到诸如网络分析仪、功率计、示波器等仪器，用于测量微波信号的幅度、相位、频率和衰减等参数。学生需要学习如何正确操作这些设备并解读测量结果。 3. **微波器件**：常见的微波实验可能涉及微波滤波器、谐振器、混频器、放大器等器件。理解这些器件的工作原理和性能指标对于设计微波电路至关重要。 4. **微波传输线**：如波导、同轴线、微带线等，它们是微波信号传输的重要载体。学生需要了解各种传输线的特性，包括特性阻抗、衰减和截止频率等。 5. **微波天线**：实验中可能涉及不同类型的天线，如偶极子天线、抛物面天线、微带天线等。学习天线辐射特性、增益和方向图等概念，有助于设计和优化微波通信系统。 6. **微波电路设计**：如微波混频器、频率合成器等，这些电路在现代通信系统中起着核心作用。实验中会教授如何利用微波元器件设计和分析电路。 7. **微波实验技巧**：包括实验安全、设备保养、数据记录和处理等方面，这些都是实验过程中不可或缺的部分。 8. **实验报告撰写**：学生需要学会将实验过程、观察结果和理论分析整理成报告，这有助于培养科学的思维方式和表达能力。 9. **射频与微波工程软件**：如HFSS、ADS等，这些软件在微波电路设计中广泛使用，学生应掌握基本操作和应用。 10. **问题解决与创新**：实验不仅是验证理论的过程，也是发现问题、解决问题和进行创新的机会。通过实验，学生可以锻炼独立思考和团队合作的能力。 通过重庆大学的微波实验，学生将全面系统地掌握微波领域的基本知识，并为未来从事相关工作或研究打下坚实的基础。实验内容的详细性确保了学生能够深入理解微波物理现象，提高实际操作技能，为今后的学术研究或职业生涯做好准备。