毫米波及其应用

毫米波的概念

电磁波谱中可用的频段越来越少，无线电磁频谱的低端已经趋于饱和，为了满足无线通信的需求，一方面，采用高阶调制或多址技术来扩大通信系统的容量，尽可能提高频谱利用率，另一方面，则需要向微波的高频段开发新的频谱资源。

“微波的高频段”指的是波长介于10mm～1mm，频率范围为30GHz～300GHz的毫米波，以及波长介于1mm～0.1mm，频率300GHz～3000GHz的亚毫米波。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段，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。

毫米波的特点

毫米波、亚毫米波与较低频段的微波相比，其优势有：

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；

⑤与光波相比，受自然光和热辐射源的影响小。

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，为了减小传播时的衰减，需充分利用“大气窗口”。

毫米波的产生

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经倍频产生，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如磁控管、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；利用约瑟夫逊结的超导器件也能制成微功率的亚毫米波振荡器。

毫米波的检测

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，将混频器与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或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。

毫米波的传输

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，微带线和类微带线，以及光波导技术也得到了应用。毫米波集成电路所用介质波导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，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，绝缘薄层常用聚四氟乙烯或聚乙烯等材料。

带状介质波导和倒置带状介质波导的机理与前几种波导不同，电磁波能量集中于介电常数较高的介质层内传输，介质带起着使场分布集中于波导中心部分的作用，绝缘薄层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。

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和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。

毫米波的应用

毫米波与亚毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和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。

⑤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。

⑥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。