在电子学理论中,当电流流过导体时,导体周围会产生磁场;交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场/电磁波。当频率低于100 kHz时,电磁波会被地表吸收,不能有效传输;但当频率高于100 kHz时,电磁波可以在空气中传播。这种在电磁频谱某一范围内具有远距离传输能力的电磁波称为射频/微波,它具有波粒二象性,其基本性质通常呈现穿透、反射、吸收这3种特性,并且具有易于聚集成束以及直线传播的特性。对于玻璃、塑料和瓷器等介质,射频/微波会穿越而几乎不被吸收;水和食物等介质会吸收微波能量而使自身发热;当遇到金属时,射频/微波则会发生反射。
若把电磁波按波长或频率划分,则大致可以把300 MHz~300 GHz(对应在空气中的波长为1 m~1 mm)这一频段的电磁波称为微波,它处于超短波和红外波(又称红外线)之间。大致把30 MHz~3 GHz这一频段的电磁波称为射频(radio frequency,RF)波,这是狭义射频的划分;广义射频的频率范围大致为30 MHz~3000 GHz,包含微波频段。射频/微波的频段划分如图1.1所示。根据频率 f 、波长 λ 和电磁波在真空中的传播速度 c 之间的关系式 λf=c ,可以算出电磁波的波长和频率的对应值。微波可以细分为分米波(波长为10 dm~1 dm)、厘米波(波长为10 cm~1 cm)和毫米波(波长为10 mm~1 mm)。波长在1 mm至0.1mm之间的电磁波,称为亚毫米波或超微波,这是一个正在开发的波段。表1.1给出了射频/微波一些典型应用的频率范围。不同波段的划分见表1.2。
图1.1 射频/微波的频段划分
表1.1 射频/微波一些典型应用的频率范围
表1.2 波段的划分
微波的波长比地球上的一般物体(如飞机、舰船、火箭、建筑物等)的尺寸要小得多,或者在同一数量级。因此,微波的特点与几何光学类似,具有直线传播的性质,即所谓的“似光性”。利用这个特点,就可以在微波波段设计紧凑的电路和系统中,设计方向性极好的天线来发射和接收信号,也可以接收地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱回波,从而判别物体的位置、方向及目标特征等。这一特性使得微波技术在雷达、导航和通信领域有着广泛应用。
此外,微波传输线、微波元器件和微波测试设备的长度与波长具有相近的数量级,因此一般电子元件(如电阻、电容、电感等)由于辐射效应和趋肤效应都不能用了,必须用原理上完全不同的微波元器件(传输线、波导、谐振器)来代替。
似声性:微波波导类似于声学中的传声筒;喇叭天线和缝隙天线类似于声学喇叭、箫和笛;微波谐振腔类似于声学共鸣箱等。
地球的外层空间由于日光等繁复的原因形成独特的电离层,它对短波几乎全反射,这就是短波的天波通信方式。而在微波波段则有若干个可以通过电离层的“宇宙窗口”,因而微波是独特的宇宙通信手段,比如卫星通信必须用微波作为载波。与微波相比,光波通过雨雾时衰减很大,特别是雾天,蓝光、紫光几乎看不见,这正是我们采用红光作为警戒灯光的原因。微波穿透力很强,能穿透云雾、雨、雪、地表层等,具有全天候和全天时的工作能力,成为遥感技术的重要手段;微波能穿透生物体,是医学透热治疗的重要手段;微波能穿透等离子体,是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和制导的重要手段。
微波的能量不足以改变物质分子的内部结构或者破坏分子间的键。但分子、原子核在外加电磁场的作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波波段,所以可以利用这一特性来研究物质的内部结构和基本特性,研制许多适用于微波波段的器件。
射频的频率高,可用频带宽。在通信系统中,相对带宽Δ f / f 通常为一定值,所以频率 f 越高,越容易实现更宽的带宽Δ f ,从而使信息的容量越大。例如,对于2%的相对带宽,在600 MHz频率下的带宽为12 MHz(2个电视频道),而在60 GHz频率下带宽为1200 MHz(200个电视频道)。
射频的一个最广泛应用就是无线通信,现代多路通信系统几乎都工作在射频频段。射频/微波所开辟的微波通信和卫星通信在人们的生活中已得到广泛应用。另外,微波信号还可以提供相位信息、极化信息和多普勒频率信息,在目标探测、遥感、目标特性分析等应用中至关重要。
频率高对应波长短。天线与射频电路的特性是与其电尺寸 l 相关的。在保持特性不变的前提下,波长 λ 越短,天线和电路的电尺寸 l 就越小;因此,波长短有利于电路与系统的小型化。目标的雷达截面积(RCS)也与目标的电尺寸成正比,因此在目标尺寸一定的情况下,波长越小,RCS就越大。这就是雷达系统通常工作在微波波段的原因。