毫米波与亚毫米波

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毫米波与亚毫米波(millimeter wave and submillimeter wave)。 波长为10~1毫米的电磁波称毫米波;波长为1~0.1毫米的电磁波称为亚毫米波。它们位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。各自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。
中文名
毫米波与亚毫米波
外文名
millimeter wave and submillimeter wave
波长范围
微波与远红外波相交叠
特    点
两种波谱的特点
缺    点
大气中传播衰减严重等
用    于
探索物质的微观结构

毫米波与亚毫米波特点

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与较低频段的微波相比,它们的特点是:①可利用的频谱范围宽,信息容量大。②易实现窄波束和高增益的天线,因而分辨率高,抗干扰性好。③穿透等离子体的能力强。④多普勒频移大,测速灵敏度高。

毫米波与亚毫米波缺点

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缺点是:①大气中传播衰减严重。②器件加工精度要求高。与光波相比,它们利用大气窗口(毫米波与亚毫米波在大气中传播时,由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率)传播时的衰减小,受自然光热辐射源影响小。为此,它们在通信雷达制导遥感技术射电天文学波谱学方面都有重大的意义。

毫米波与亚毫米波应用

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利用大气窗口毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时,需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。在波谱学中,亚毫米波可用于探索物质的微观结构。
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波长为10~1毫米(频率为30~300吉赫)的电磁波称为毫米波,波长为1~0.1毫米(频率为 300~3000吉赫)的电磁波称为亚毫米波。它们位于无线电波谱中的微波与光谱中的远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。其中,毫米波理论和技术主要是微波向高频的延伸;而亚毫米波理论和技术主要是光波向低频的发展。
毫米波、亚毫米波与较低频段的微波相比,其特点是:①可利用的频谱范围宽,信息容量大;②天线易实现窄波束和高增益,因而分辨率高,抗干扰性好;③穿透等离子体的能力强;④多普勒频移大,测速灵敏度高。其缺点是在大气中的传播衰减严重和器件加工的精度要求高。毫米波、亚毫米波与光波相比,受自然光热辐射源的影响小,利用“大气窗口”时的传播衰减小。

毫米波与亚毫米波大气窗口

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大气窗口”  毫米波与亚毫米波在大气中传播时,由于气体分子谐振吸收所致的衰减特性见图1,例如水汽分子对25吉赫,氧分子对60吉赫有衰减峰值。其他气体分子对毫米波、亚毫米波也有谐振吸收的衰减峰值。在这些衰减峰值之间存在某些衰减为极小值的频率,如波长为8毫米、3毫米等的毫米波,适合于通信、雷达等应用,称为毫米波传播的“大气窗口”。此外,尘埃、烟雾、砂粒,尤其是雨滴等大气成分除谐振吸收外,还有散射效应引起的传播衰减,但比光波的衰减小。

毫米波与亚毫米波产生和检测

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毫米波、亚毫米波主要依靠振荡管直接产生,但也可以用微波振荡源倍频产生,或利用激光源经下变频(混频)产生。直接产生毫米波振荡的器件有各种电子管磁控管速调管、扩展互作用管和回旋管等,以及各种半导体管如体效应二极管、雪崩二极管、渡越时间二极管和场效应晶体管等,其中有的管种如回旋管等也能产生亚毫米波振荡。利用各种不同基质的亚毫米波激光器已能产生数以千计的亚毫米波谱线;利用约瑟夫逊结超导器件(见超导性的微波应用)也能制成微功率的亚毫米波振荡器。
毫米波、亚毫米波的检测有直接检波和混频两种方式。早期所用的点接触式二极管、热载流子器件和肖特基势垒二极管等半导体器件,经过材料、结构和工艺方面的改进,仍被广泛使用。如集成化的混频检测电路采用硅和砷化镓材料,将混频器本振在结构上合成一体,可降低对本振功率和频率稳定的要求,并采用滤波器降低噪声。在毫米波接收机中采用变容管参量放大器场效应管放大器可提高其检测灵敏度。此外,用热敏电阻、镇流电阻、薄膜电阻等热效应器件构成的测辐射热计可检测毫米波、亚毫米波的辐射功率光电二极管、约瑟夫逊结超导器件也可用于毫米波、亚毫米波的检测。

毫米波与亚毫米波传输和辐射

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毫米波作为厘米波的自然延伸,传统的金属波导管仍是其主要传输线型式。亚毫米波具有准光波的特点,主要用波束波导传输。为了适应毫米波集成电路的需要,微带线类微带线,以及光波导技术也得到了应用。图2为各种毫米波介质波导的横截面结构。其基本形式是介质杆波导(a),电磁波的导行机理不是依靠导体边界的约束,而是依赖介质边界的全内反射,传输衰减远小于金属波导管或微带线,主要取决于介质材料的损耗和导行结构不连续性所引起的辐射。介质杆一般用矾土或其他陶瓷材料制成。 介质镜像波导(b)利用介质杆在接地平面背后的镜像原理,其导行波模式的传输特性与介质杆相同;但只能维持那些场分布符合接地导体表面条件的模式,从而排除了介质杆波导的两种几乎简并的最低次模式。这种结构便于构成集成电路,接地导体可用作热沉和直流偏压的接地点;但接地导体和粘胶材料都会增加传输损失,介质杆与接地导体的任何间隙都会影响传输特性,在介质杆底面沉积导电膜的方法可以克服这些缺点。另外,对介质杆的光洁度也有很高的要求。在介质杆与接地导体之间衬垫较低介质常数的薄层可以减少导体损耗。这种波导称为绝缘介质波导(c),绝缘薄层常用聚四氟乙烯或聚乙烯等材料。带状介质波导 (d)和倒置带状介质波导(e)的机理与前几种波导不同,电磁波能量集中于介电常数ε2较高的介质层内传输,介质带ε1起着使场分布集中于波导中心部分的作用,绝缘薄层ε3是为了减小导体损耗。涂覆一层均匀的薄层要比制造高光洁度的介质杆容易得多。带状介质波导的主要缺点是能量不能密集地限制在波导之内,属于弱导行结构,因而在结构转弯处有较大的辐射损耗,这在电路设计中应予以注意。倒置带状介质波导更适用于较低的毫米波频率,它只有两个介质区,介质损耗较小,且可省去粘胶材料。毫米波导行结构还有篱笆式周期阵列(f)和H 波导(g)等,前者由两列金属细杆交替垂直排列于接地平面之上,电场极化与细杆平行,在杆列之间传播,衰减很小。
广泛应用于光波和微波的透镜、反射镜结构可用作毫米波、亚毫米波天线。由金属波导管馈电的缝隙天线喇叭天线也可用于辐射毫米波。此外,利用介质波导的敞开结构还可以实现表面波或漏波辐射,用作毫米波天线。

毫米波与亚毫米波意义

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毫米波与亚毫米波在通信、雷达制导遥感技术射电天文学波谱学方面都有重大的意义。
①通信:利用“大气窗口”的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信,以及在低能见度条件下的近程战术通信。非“窗口”频率则可用于地面短程保密通信或卫星之间的通信。
②雷达:利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。
③制导:在远程导弹或航天器重返大气层时,因高温形成等离子体鞘套,需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。装于弹头的小型化毫米波辐射计可实现高命中率的末制导。
④遥感:高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感,以测绘云图;也应用在对地表温度遥感以测绘地形或探测目标等。
射电天文学:地球上很多已知的物质分子和原子具有毫米波、亚毫米波的辐射波谱。因此,用毫米波与亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱,可以推断星际物质的成分,可借以研究天文现象,已成为天文学研究的重要手段。
波谱学:红外吸收波谱常用作物质分析的依据,它以透过物质的能量百分数(透射比)为纵坐标而以波长为横坐标绘成曲线。根据波谱曲线的形状可以判断物质的结构、性质、纯度等。不同波段的红外线对应有不同的物质吸收机理,其中包含亚毫米波谱的远红外区(波长50~1000微米),它们与物质分子的纯转动能级跃迁,以及晶体的晶格谐振吸收有关。因此亚毫米波可用于探索物质的微观结构。

毫米波与亚毫米波参考书目

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邮电部武汉邮电科学研究院编写组:《毫米波波导通信》,人民邮电出版社,北京,1977。
K. J. Button, Infrared and Millimeter Waves,Academic Press,New York,1979.
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