「万物云联网」微波和微波信号的分析方法介绍
由于微波在现代技术和日常生活中的巨大影响 ， 使用微波测量或工程术语在今天是相当普遍的 ， 因此 值得花一点时间来定义微波技术及其在当今社会中的作用 。让我们从简单的科学定义开始 ， 微波作为交流信号 ， 频率在300MHz-300G Hz范围内 ， 这对应于大约1米-1毫米的自由空间波长 。 如图1所示的电磁频谱的图形表示和对应于微波频率的部分 ，也许能帮助我们想象这个概念 。
对于历史感兴趣的读者 ， 在电磁波的背景下第一次引用“微波”一词我们可以追溯到到1931年 。国际电话和电报公司发表的一篇论文描述了利用波长为0.18m的电磁波辐射从美国多佛到法国加莱的无线电联系 。辐射称为微波 ， 无线电系统称为微射线 。 在1933年的一份出版物中 ， 微波一词指的是波长约0.5米 ， 并以微波一词出现 ， 就像它的现代形式一样 。在1935年 ， 微波被称为波长小于10米的辐射 ， 1940年的业余无线电手册提到微波的波长低于1米 。仔细观察微波所用的“微（Micro）”一词 ， 并将其与物理波长联系起来 ， 我们意识到这不是一个合适的选择 ， 因为实际波长在1米到1毫米之间 ， 并不算小 。然而 ， 它们在我们在通信、无线传感和电子领域目睹的技术发展中的重要性是无可争议的 ， 我们应该原谅这一小小的误解 。有很多更详细的出版物在讲解微波的历史 ， 他们的电磁旅程 ， 和重要的里程碑 。在这里关注微波技术的历史并不是我们的兴趣；我们宁愿给出一个时间戳 ， 并强调微波在我们日常生活中的重要性 。微波曾经是雷达和卫星通信等军事应用的主要兴趣所在 。如今 ， 作为主流文化一部分的无线通信的主要方面是基于微波理论和技术的 。此外 ， 基于微波的传感应用已达到如此技术成熟 ， 以至于它们对汽车雷达等大批量大众市场具有吸引力 。甚至安全相关的应用 ， 如无创微波和毫米波成像解决方案应用相当普遍. 换句话说 ， 微波在日常生活中围绕着我们 ， 并对我们的现代生活方式做出了巨大贡献 。
本文插图
图1 、电磁频谱
检测、测量和显示不同频率的交流信号的概念从早期起就是微波传输测量的核心 。在这种情况下使用的一个基本原理是测量某一参数的未知量（例如交流信号功率） ， 并将其与当时作为标准的已知参数进行比较 。测量是通过将未知值与先前由已知标准确定的已知值进行比较来进行的 。这是对传输系统测量的要求 ，因此 ， 从早期的仪器开始 ， 我们就遇到了作为测量仪器核心组成部分的术语如信号源、检测器和指示器等 。
I.1 交流信号分析的基础
我们将在器件表征的背景下处理微波频率范围内的交流信号 。为此 ， 我们需要介绍一些与交流信号分析相关的基本术语 ， 并了解它们对我们进一步讨论的重要性 。从我们的教科书中 ， 我们知道频率f的一般周期交流信号有一种时变行为 ， 表示为：
上式中V0是交流电压信号的幅值 ， ω=2πf=2π/T是与信号周期T有关的角频率 。这个交流电压信号施加在一定电阻的负载R上 ， 这允许我们计算相关的射频功率P = V2 /R 。
在微波设计中 ， 对交流信号的功率水平的审视是非常常见的 ， 原因是微波信号的传播通常是由传输线和我们需要考虑波形信号 ， 如图2所示 。具有某种内部阻抗Rs的信号源用于在特性阻抗Z的传输线的端子上激发电压波形V0， 传输线的负载阻抗为RL。在低频下 ， 电压和电流测量是简单的 ， 并遵循欧姆定律P = V*I = V^ 2/RL = I ^2/RL 。然而 ， 随着频率的增加 ， 测量变得困难 ， 因为电流和电压取决于沿信号线的位置 。阻抗失配和反射可能由于入射信号Vinc和反射波Vref的叠加而引起驻波。然而 ， 沿传输线路的功率保持不变 ， 因此在微波频率下首选的是测量信号的功率就不难理解了 。
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