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•传感器与场景的相互作用
•传感器的设计与测试技术
•在地球科学方面的应用
•主动式遥感散射计雷达
•被动式遥感辐射计
•成像
4、电磁波与物质相互作用
(1)电磁波与人体相互作用
a.电磁波治疗
•治癌
•微波手术刀
•检测、诊断
•治前列腺
•微波针灸
•微波治疗比激光优越之处
1.透过率高
2.微波天线遇组织粘结仍能辐射
3.同样强度下微波凝结组织量大于激光
4.微波摧毁组织至炭化无烟雾产生
5.微波止血效果更好
6.激光光纤插入组织易损坏
7.微波机及其天线造价较低
b.电磁场对人体的影响
微波设备安全标准5mw/cm2
微波生物效应
射频辐射危害标准
国家频率安全界限条件说明
美国10MHz-100GHz10mW/cm26min
1mW/cm2>
6min平均值
短波200V/m
0.5A/m
前苏联0.1-30MHz20V/m5A/m
30-300MHz5V/m
300MHz10W/cm26h/d
100W/cm22h/d
中国中短波20V/m5A/m长期职业暴露
(1978)微波50W/cm26h/d
(2)微波化学
可大大加速某些化学反应
•微波诱导催化
•微波消解
•微波无机、有机合成
•微波萃取矿物处理
•微波除污
•酒-陈化微波农业应用
(3)灭菌消毒
(4)微波等离子体
•制备人造金刚石
•表面改性处理
•刻蚀
5、电磁波能
•微波输能
•高频、微波加热、干燥、新型能源
6、电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)
•电子系统在规定的电磁环境中按照设计要求而工作的能力。
电子系统与周围其他电子系统之间,在自然界的电磁环境下按设计要求而工作的能力。
•是电子系统设计研究的重要课题。
如:
飞机、导弹、舰艇、卫星等,大量使用电子设备,相互干扰。
电子技术向高频、高速、高精度、高可靠性、高灵敏度,大规模集成化、大功率、小信号运用等方面发展,EMC研究尤其重要。
•高速集成电路
互连与封装(peckging)
飞机上手机CRT
•主要研究内容:
减少干扰源,减轻干扰对电子系统的影响,提高电子系统抗干扰的能力。
•电子电工产品及电磁兼容标准认可,否则不能出口欧共体。
•设计中首先考虑合理利用无线电频谱
•屏蔽、接地、滤波。
7、电磁波测量与探测
•非电量测量
如湿度、介电常数等
•探测地下埋藏物
•探测窃听器
8、电磁波武器
•1)电子对抗
•2)隐身与反隐身
•3)微波炸弹
9、GPS
•1973.12美国防部批准三军联合研制NAVSTAR/GPS
•NavigationSatelliteTimingandRanging/
GlobalPositioningSystem。
21+3颗星,6个轨道平面,1.575GHz,1.227GHz,高度角15以上可见6颗星。
•俄罗斯GLONASS(1982)
•欧洲伽利略
•中国北斗
•
三、电磁场和电磁波基础
1、矢量分析基础
标量场和矢量场
梯度、散度、旋度。
。
2、电磁场中的场量和源
3、麦克斯韦方程(Maxwell’sEq.)
微分形式、积分形式
4、边界条件
5、本构关系
6、波印亭定理
7、波动方程
7、电磁场与电磁波中的分析方法
•直接法、间接法
•分离变量法
•格林函数法
•镜像法
•近似方法
•复变函数法
数值法
四、无线电波频谱和常用传输媒介
•信道:
狭义——信号传输的媒介
广义——除信号传输的媒介,还包括有关部件和电路
调制信道
•常用传输媒介
1.有线(导波)
(1)有线线对:
平行双线、双绞线(UTP)等
价廉、频带窄、应用、TEM无色散
(2)同轴线:
软同轴、硬同轴
频带较宽(直流……)
容量较大、TEM无色散、应用
(3)波导:
适用频率高,容量较大
(4)光纤:
传输损耗低、容量大
纤芯、包层
多模光纤、单模光纤1550nm、保偏光纤等
损耗与色散(决定光纤通信中继站距)
光纤放大器。
•强度调制光外差光弧子传播微波副载波WDMDWDM、SWDM
2.无线(radio,wireless)
•地波传播(长、中)、表面波
•天波传播(短)、经电离层反射的传播方式
•视距传播(微波、毫米波、光波-红外、可见)
•穿过大气层的电波传播
•散射传播
移动通信中的电波传播
五、软件无线电
1、引言
软件无线电是1992年美国首次提出的一种实现无线通信的新的体系结构。
它的基本概念是把硬件作为无线通信的基本平台,把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现。
这样无线通信新系统、新产品的开发将逐步转到软件上来,而无线通信产品的价值将越来越多地体现在软件上,这是无线通信领域继固定到移动、模拟到数字之后的第三次革命。
无线通信领域存在的一些问题:
•新的通信体制和“标准“不断提出,通信产品的生存期缩短,开发费用上升;
•各种通信体制共存,面对多体制间的互联要求也日趋强烈;
•无线频带越来越拥挤,对通信系统的频带利用率和抗干扰能力要求不断提高。
•原来以硬件为主的无线通信设计方法难以适应这种局面
•军事通信
美军三军十几种电台,各自的频率、制式等不相同,不能完全互通。
•民用通信
欧洲的第一代模拟网,加入欧洲邮电会议(CEPT)的16个国家,分别使用6种不同的制式。
频率各不相同,不能互通、兼容。
第二代数字移动通信中仍有许多不同的通信体制,如GSM,AMPS,ETACS,PDC,DAMPS,CT2等,互不兼容,给用户和经营者带来极大的不便
1992年5月,MILTRE公司的JeoMilola首次明确提出软件无线电(SoftRadio)的概念,其中心思想是:
构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成,并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线电通信系统。
软件无线电的主要特点:
1)具有很强的灵活性
2)具有较强的开放性
2、软件无线电的发展概况
软件无线电
•软件无线电主要由天线、射频前端、高速A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器、低速A/D-D/A转换器以及各种接口和各种软件所组成。
软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段,比如1MHz~2000MHz,要求每个频段的特性均匀,以满足各种业务的需求。
例如可能为VHF/UHF的视距通信、UHF卫星通信,HF通信作为备用通信方式。
为便于实现,可在全频段甚至每个频段使用几付天线,并采用智能化天线技术
•在发射时RF部分主要完成滤波、功率放大等任务,接收时实现滤波、放大等功能。
因实现射频直接带通采样,要求A/D转换器有足够的工作带宽(例如2000MHz以上),较高的采样速率(一般在60MHz以上),而且要有较高的A/D转换位数,以提高动态范围。
目前8位A/D转换器的工作带宽已做到1500MHz以上。
•模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSP和专用的可编程处理器的软件来承担。
为了减轻通用DSP的处理压力,通常把A/D转换器传来的数字信号,经过专用数字信号处理器件(如数字下变频器DDC)处理,降低数据流速率,并把信号变至基带后,再把数据送给通用DSP进行处理。
通用DSP主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理,比如信号的调制解调,各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等。
还要完成经信源编码后的前向纠错(FEC),帧调整、比特填充和链路加密等算法。
也有采用多DSP芯片并行处理的方法,以提高其处理的能力。
•由于高速宽带A/D和D/A转换器目前还比较困难,价格也高,图1中的下变频和上变频模块(DDC/DUC)都用模拟线路放在RF部分中。
•软件无线电的结构基本上可以分为三种:
射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。
4软件无线电系统“软件化”程度的评价
•1997年5月软件无线电概念的提出者Joe.M在欧洲召开的软件无线电会议中提到了一种思路:
用一个矢量(N,PDA,HM,SFA)来表示其“软件化”程度,该矢量的每一维坐标取值均为0—3。
其含义如下:
•N为空中接口所能支持的频道数,分为4种类型:
单一频道(0),双频道
(1),多频道(小于6个)
(2),以及RF频段中的所有频道(3)。
•PDA是指可编程数字化访问(ProgrammableDigitalAccess),即指软件无线电中数字可编程的程度,也分为4种类型:
无可编程性(完全模拟或固定功能的数字无线电)(0),在基带可编程
(1),在中频可编程
(2),在射频可编程(3)。
•HM指硬件的模块化程度(HardwareModularity),实际指硬件可编程程度,分为4类:
无可编程性(0),系统采用可编程专用模块
(1),系统采用DSP
(2),以及采用FPGA等(3)。
•SFA指软件模块化程度,也可以认为是软件的可重用性(Reuse),即软件是否可以应用于不同的硬件平台上,有如下4类;
无定义空中接口的软件(0);
硬件平台上只能够运行一个厂商所提供的软件
(1);
多个厂商的软件均可加载到硬件平台上,但硬件平台是一个
(2);
多个厂商的软件可加载到多个硬件平台上(3)。
•目前很多的可编程数字无线电处于级别l,美国军方的Speakeasy处于级别2。
5.软件无线电的主要优势
•
(1)系统结构通用,功能实现灵活,系统的改进和升级也很方便。
高速A/D/A实际上为一个标准接口,将RF/IP部分和通用的数字/软件部分连接起来。
高速A/D/A和数字/软件部分只要带宽和处理能力满足系统要求,都具有很好的通用性。
•
(2)举世不同系统互操作的可能性。
•(3)复用的优势。
系统结构的一致性使得设计的模块化思想能很好地实现,而且这些模块具有很大的通用性,能在不同的系统和系统升级时很容易地复用。
•(4)在软件无线电中,软件的生存期决定了通信系统的生存期。
软件的开发周期相对硬件要短,费用要低。
这样就能更快地跟踪市场变换,满足新的使用要求,降低更新换代的成本。
•(5)由于系统的主要功能都由软件实现,可方便地采用各种新的信号处理手段提高抗干扰性能。
其它诸如系统频带监控,可编程信号波形,在线改变信号调制方式等功能的实现也成为可能。
6.软件无线电的应用前景
•军用方面,多功能无线网关可实现各种军用电台的互联互通;
多功能车载电台可接入各种军用移动通信网;
多功能空中平台可实现各种军用无线系统的空中转信;
通信的电子对抗系统,在现场进行智能化的通信侦察与对抗等。
•民用方面将成为软件无线电更为重要的应用领域。
多频段多模式移动电话通用手机;
多频段多模式移动电话通用基台,无线局域网及无线用户环的通用网关等
7.软件无线电的技术关键与研究热点
1)多波段、多波束天线与宽带RF
从软件无线电的要求来说,天线应该能覆盖10倍频程(如0.4~3GHz))但同时应该注意其增益、物理尺寸和价格。
对于大多数系统只要覆盖不同频程的几个窗口,而不必覆盖全部频段,故可以采用组合式多频段天线的方案,宽带RF要求有8倍到10倍频程,并能够进行调谐和能量控制。
2)宽带A/D部分
对A/D的要求主要包括采样速率和位数。
对于某些应用(如要求系统具有70M的采样中和12位的动态范围),现有的A/D还不能同时满足速度与采样位数的要求,但很可能在近期能获得满足要求的器件。
同时从长远考虑,必须采取一些措施,如采用多个A/D并联使用。
3)高速数字信号处理部分
这部分主要完成数字下变频(DDC)基带处理、调制解调、比特流处理和编码解码等工作。
如有跳频或扩频,还需完成解扩和一部分解跳处理。
4)高性能的互联结构
这实际上考虑的是软件无线电的硬件平台结构,也就是不同的功能单元如何互联起来,组成一个开放的、可扩展的硬件平台,同时要求具有较高的数据吞吐率。
电路分类(按照传输线分类)
微带线带状线同轴线
共面波导
波导
电路分类(按照工艺分类)
混合集成电路:
采用分离元件及分布参数电路混合集成。
集成电路(MIC):
采用管芯及陶瓷基片。
单片集成电路(MMIC):
采用半导体工艺将无源、有源器件及电路同时制作在半导体基片上的集成电路。
射频与微波电路还可以按照有源电路和无源电路来分类。
有源电路包括放大器、振荡器等;
无源电路包括分路器、耦合器、移相器、开关、混频器和滤波器等。
射频与微波电路CAD的特点及主要内容
特点:
必须有精确的传输线模型和各种器件模型;
有时必须采用电磁场仿真等数值仿真工具;
一般都具有S参数分析的功能。
在射频与微波电路CAD技术中,各种传输线及其不均匀区模型、元件之间的寄生耦合模型以及射频与微波有源器件的非线性模型等,在技术上的难度都非常大。
内容:
射频与微波电路CAD包括线性微波电路的S参数计算、直流分析、线性/非线性噪声分析、非线性电路的瞬态分析、非线性电路的谐波分析(功率压缩、交调和谐波特性等)、优化设计、容差分析、2.5D及3D电磁场仿真、布线和版图设计等,甚至还可以包括射频与微波器件的建模和参数提取以及计算机辅助测试。
常用的分析方法、优化、设计步骤、经验和建议
分析方法:
线性电路:
采用等效电路模型和S参数矩阵级联计算。
非线性电路:
Spice、谐波平衡法、包络仿真法等。
电磁场仿真:
常采用矩量法和有限元法等数值计算方法。
优化:
给定电路的网络拓扑结构、各个元件的初始值,以及电路的设计指标的目标参数,CAD软件将自动改变各元件值,直到满足要求。
CAD软件通常都具有的,也是最常用的优化方法是随机优化和梯度法。
当然,一些软件还提供了其它的优化方法供选择。
设计步骤:
射频与微波电路CAD设计的步骤可大致总结如下:
根据技术性能指标的要求,选择半导体器件。
对于不需要半导体器件的射频与微波无源电路,根据技术性能指标的要求,选择网络拓扑结构。
根据所选器件的具体参数,设计匹配电路的拓扑结构。
几点经验和建议:
必须保证器件选择、匹配电路或网络拓扑设计的正确性。
电路中各元件初始值的选择应尽量准确。
这将有利于优化计算的快速收敛,并保证优化设计能够达到全局最优点,而不是局部的极小(或极大)点。
对于存在多个优化目标参数的一般情况,应根据实际的需要,分出主次或考虑折衷,并进行加权。
关于优化变量(或元件)的选择,一方面可以根据自己的经验,另一方面也可以先选择其中几个进行试探。
特别是当元件(或变量)较多时,一般不主张都选择为优化变量。
对于优化方法的选择,通常是先随机法,后梯度法,这样将有助于使设计达到全局最优。
在电路设计的过程中,必须要考虑元件标称值的因素。
另外对于分布参数电路,电路参数的取值必须要符合相应的工艺要求。
如何应用CAD软件进行射频与微波电路设计,将在以后有关讲座中深入讨论。
电子元器件部分
☉集成电路:
☉IntegratedCircuit,缩写IC
–通过一系列特定的加工工艺,将晶体管(三极管、二极管、各种场效应管)等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路互连,“集成”在一块半导体单晶片(如硅或砷化镓)上,封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能
☉实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机,它们的基础都是微电子
–在还没有微电子的时代,让我们看看第一台通用数字计算机。
1946年第一台计算机:
ENIAC
☉第一台通用电子计算机:
ENIAC
☉ElectronicNumericalIntegratorandCalculator
☉1946年2月14日
☉MooreSchool,Univ.ofPennsylvania
☉18,000个电子管组成
☉大小:
长24m,宽6m,高2.5m
☉速度:
5000次/sec;
重量:
30吨;
☉功率:
140KW;
平均无故障运行时间:
7min
集成电路的作用
•小型化
•价格急剧下降
•功耗降低
•故障率降低
进入信息化社会的判据:
半导体产值占工农业总产值的0.5%
在信息经济时代,产品,以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱,决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位
如果我们不发展集成电路产业
•IT行业停留在装配业水平上,挣的“辛苦钱”。
•在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。
•所以有人戏称说:
“你们说中关村是硅谷,但是一个无“芯”的硅谷,产品不可能有竞争力。
”在没有自己集成电路产业的情况下,我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。
•当前,微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。
电子元器件在产业链中的位置
•电子元器件制造业是电子元器件行业的主要组成部分,也是电子信息产业的基础支撑产业,其技术水平和生产能力直接影响整个行业的发展。
电子元器件无处不在,不论是日常的消费电子产品还是工业用电子设备,都是由基本的电子元器件构成的。
电子元器件属于电子信息产业的中间产品,介于电子整机行业和原材料行业之间,其发展的快慢、所达到的技术水平和生产规模,不仅直接影响着整个电子信息产业的发展,而且对发展信息技术,改造传统产业,提高现代化装备水平,促进科技进步都具有重要意义。
电子元器件制造业对整个电子信息产业发展的作用
•一是提供一系列零部件等中间产品,包括高性能材料和高性能零部件,成为整个产业发展的基础;
•二是在产业链中,处于原材料工业和装配工业之间,起到承前启后的作用;
•三是由于所提供关键零部件产品的技术含量高,属于高增值率环节。
我国电子元器件制造业在整个产业链中的地位和作用2008年情况
(一)
我国的电子元器件产品与发达国家的技术差异比较明显,整个生产以低附加值的低端产品为主,而高附加值的高端产品少。
以集成电路(IC)芯片为例,我国与发达国家差距相当明显。
我国每年芯片使用量超过100亿块,而80%依靠进口,高端芯片几乎100%进口,尤其是中央处理器(CPU)方面几乎处于一片空白。
用于工业控制器、电视和显示器,以及手机的专用集成电路,主要由韩国、日本、我国台湾等国家或地区生产,我国大陆所生产的只占很小的份额;
而用于玩具、钟表等技术含量较低的低端产品集成电路,我国可以大批量生产。
由于我国电子元器件制造业自身生产技术有限,总的态势是以低端、低附加值产品换取高端、高附加值电子部件产品来满足国内电子信息产业下游环节发展的需要。
我国电子元器件制造业的技术状况降低了我国电子信息产品在世界产业内贸易格局中的地位,制约了产业国际竞争力的提高。
一般来说,我国电子元器件制造业增加值率仍较低。
这是由于我国电子元器件制造业研发能力和生产技术水平低,以及拥有的知识产权少,以低端产品生产为主,所以只能获得低附加值。
目前国内情况
面对国内外复杂的行业形势,电子元器件大多行业纷纷表现出一副hold不住的架势,而唯独连接器等无源元件增速大幅高于行业增速。
由此业内人士指出,国内电子行业的核心竞争力还是成本优势,在技术和品牌含量较高的领域,还是缺乏优势,所以在连接器、无源器件等其它配件领域有上好表现。
而半导体、LED领域,由于技术是核心,国内行业还处于产能转移的早期,还不能很好的发挥成本优势。
然而随着连接器高端化、精密化发展趋势加强,未来国内连接器行业将面临严峻挑战。
新型电子元器件发展趋势
新型电子元器件体现了当代和今后电子元器件向高频化、片式化、微型化、薄型化、低功耗、响应速率快、高分辨率、高精度、高功率、多功能、组件化、复合化、模块化、智能化等的发展趋势;
显示屏、显示器件则向平板化、薄型化、大屏幕、高清晰度、高画质、环保节能的方向发展;
同时产品的安全性、绿色化也是影响其发展前途和市场的重要因素。
第一讲电子元件的基础知识一:
无源器件
借助开关构建逻辑电路
相加
相乘
开关的意义
•功能:
实现电路的通与断
•定义:
凡是能够实现电路的通与断都可以看着是开关
•意义:
构成数字逻辑电路的基础
楼道灯双开关系统的实现
•伏安法惠斯通电桥
电阻的作用
•限流
•分流
•分压
将电能转化为内能
电容
•电容的单位:
F法拉
定义
•特点:
通交流,隔直流
•串联
•并联
电容与电介质的介电常数、电极的有效面积以及电极之间的距离有关
电容的功能
•在直流电路中电容器一般起隔断直流的作用。
•电容既不产生也不消耗能量,是储能元件
•电容器在电力系统中是提高功率因数的重要器件;
在电子电路中是获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合等作用的主要元件
•因为在工业上使用的负载主要是电动机感性负载,所以要并电容这种容性负载才能使电网平衡.
电容的种类与用途
种类:
常见的电容器:
玛瑙电容,电解电容等等
比较直观的有平行板电容器
用途
(1)电容是半导体存储器中的重要记忆元件
(2)电容可以用来滤波
目前最新的发展还出现“超级电容”--储存能量
感生电动势
•磁通量:
磁场的强弱(即磁感应强度)可以用磁感线的疏密来表示。
如果一个面积为S的面垂直一个磁感应强度为B的匀强磁场放置,则穿过这个面的磁感线的条数就是确定的
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