[拼音]：haomibo yu yahaomibo

[外文]：millimeter wave and submillimeter wave

波長為10～1毫米（頻率為30～300吉赫）的電磁波稱為毫米波，波長為1～0.1毫米（頻率為 300～3000吉赫）的電磁波稱為亞毫米波。它們位于無線電波譜中的微波與光譜中的遠紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點。其中，毫米波理論和技術(shù)主要是微波向高頻的延伸；而亞毫米波理論和技術(shù)主要是光波向低頻的發(fā)展。

毫米波、亞毫米波與較低頻段的微波相比，其特點是：

（1）可利用的頻譜范圍寬，信息容量大；

（2）天線易實現(xiàn)窄波束和高增益，因而分辨率高，抗干擾性好；

（3）穿透等離子體的能力強；

（4）多普勒頻移大，測速靈敏度高。其缺點是在大氣中的傳播衰減嚴重和器件加工的精度要求高。毫米波、亞毫米波與光波相比，受自然光和熱輻射源的影響小，利用“大氣窗口”時的傳播衰減小。

“大氣窗口”

毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由于氣體分子諧振吸收所致的衰減特性見圖1，例如水汽分子對25吉赫，氧分子對60吉赫有衰減峰值。其他氣體分子對毫米波、亞毫米波也有諧振吸收的衰減峰值。在這些衰減峰值之間存在某些衰減為極小值的頻率，如波長為8毫米、3毫米等的毫米波，適合于通信、雷達等應用，稱為毫米波傳播的“大氣窗口”。此外，塵埃、煙霧、砂粒，尤其是雨滴等大氣成分除諧振吸收外，還有散射效應引起的傳播衰減，但比光波的衰減小。

產(chǎn)生和檢測

毫米波、亞毫米波主要依靠振蕩管直接產(chǎn)生，但也可以用微波振蕩源經(jīng)倍頻產(chǎn)生，或利用激光源經(jīng)下變頻(混頻)產(chǎn)生。直接產(chǎn)生毫米波振蕩的器件有各種電子管如磁控管、速調(diào)管、擴展互作用管和回旋管等，以及各種半導體管如體效應二極管、雪崩二極管、渡越時間二極管和場效應晶體管等，其中有的管種如回旋管等也能產(chǎn)生亞毫米波振蕩。利用各種不同基質(zhì)的亞毫米波激光器已能產(chǎn)生數(shù)以千計的亞毫米波譜線；利用約瑟夫遜結(jié)的超導器件（見超導性的微波應用）也能制成微功率的亞毫米波振蕩器。

毫米波、亞毫米波的檢測有直接檢波和混頻兩種方式。早期所用的點接觸式二極管、熱載流子器件和肖特基勢壘二極管等半導體器件，經(jīng)過材料、結(jié)構(gòu)和工藝方面的改進，仍被廣泛使用。如集成化的混頻檢測電路采用硅和砷化鎵材料，將混頻器與本振在結(jié)構(gòu)上合成一體，可降低對本振功率和頻率穩(wěn)定的要求，并采用濾波器降低噪聲。在毫米波接收機中采用變?nèi)莨軈⒘糠糯笃骰驁鲂芊糯笃骺商岣咂錂z測靈敏度。此外，用熱敏電阻、鎮(zhèn)流電阻、薄膜電阻等熱效應器件構(gòu)成的測輻射熱計可檢測毫米波、亞毫米波的輻射功率；光電二極管、約瑟夫遜結(jié)超導器件也可用于毫米波、亞毫米波的檢測。

傳輸和輻射

毫米波作為厘米波的自然延伸，傳統(tǒng)的金屬波導管仍是其主要傳輸線型式。亞毫米波具有準光波的特點，主要用波束波導傳輸。為了適應毫米波集成電路的需要，微帶線和類微帶線，以及光波導技術(shù)也得到了應用。圖2為各種毫米波介質(zhì)波導的橫截面結(jié)構(gòu)。其基本形式是介質(zhì)桿波導（a），電磁波的導行機理不是依靠導體邊界的約束，而是依賴介質(zhì)邊界的全內(nèi)反射，傳輸衰減遠小于金屬波導管或微帶線，主要取決于介質(zhì)材料的損耗和導行結(jié)構(gòu)不連續(xù)性所引起的輻射。介質(zhì)桿一般用礬土或其他陶瓷材料制成。 介質(zhì)鏡像波導（b）利用介質(zhì)桿在接地平面背后的鏡像原理，其導行波模式的傳輸特性與介質(zhì)桿相同；但只能維持那些場分布符合接地導體表面條件的模式，從而排除了介質(zhì)桿波導的兩種幾乎簡并的最低次模式。這種結(jié)構(gòu)便于構(gòu)成集成電路，接地導體可用作熱沉和直流偏壓的接地點；但接地導體和粘膠材料都會增加傳輸損失，介質(zhì)桿與接地導體的任何間隙都會影響傳輸特性，在介質(zhì)桿底面沉積導電膜的方法可以克服這些缺點。另外，對介質(zhì)桿的光潔度也有很高的要求。在介質(zhì)桿與接地導體之間襯墊較低介質(zhì)常數(shù)的薄層可以減少導體損耗。這種波導稱為絕緣介質(zhì)波導(c)，絕緣薄層常用聚四氟乙烯或聚乙烯等材料。帶狀介質(zhì)波導 (d)和倒置帶狀介質(zhì)波導(e)的機理與前幾種波導不同，電磁波能量集中于介電常數(shù)ε₂較高的介質(zhì)層內(nèi)傳輸，介質(zhì)帶ε₁起著使場分布集中于波導中心部分的作用，絕緣薄層ε₃是為了減小導體損耗。涂覆一層均勻的薄層要比制造高光潔度的介質(zhì)桿容易得多。帶狀介質(zhì)波導的主要缺點是能量不能密集地限制在波導之內(nèi)，屬于弱導行結(jié)構(gòu)，因而在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)彎處有較大的輻射損耗，這在電路設(shè)計中應予以注意。倒置帶狀介質(zhì)波導更適用于較低的毫米波頻率，它只有兩個介質(zhì)區(qū)，介質(zhì)損耗較小，且可省去粘膠材料。毫米波導行結(jié)構(gòu)還有籬笆式周期陣列(f)和H 波導(g)等，前者由兩列金屬細桿交替垂直排列于接地平面之上，電場極化與細桿平行，在桿列之間傳播，衰減很小。

廣泛應用于光波和微波的透鏡、反射鏡結(jié)構(gòu)可用作毫米波、亞毫米波天線。由金屬波導管饋電的縫隙天線和喇叭天線也可用于輻射毫米波。此外，利用介質(zhì)波導的敞開結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)表面波或漏波輻射，用作毫米波天線。

應用

毫米波與亞毫米波在通信、雷達、制導、遙感技術(shù)、射電天文學和波譜學方面都有重大的意義。

（1）通信：利用“大氣窗口”的毫米波頻率可實現(xiàn)大容量的衛(wèi)星-地面通信或地面中繼通信，以及在低能見度條件下的近程戰(zhàn)術(shù)通信。非“窗口”頻率則可用于地面短程保密通信或衛(wèi)星之間的通信。

（2）雷達：利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達和成像雷達。

（3）制導：在遠程導彈或航天器重返大氣層時，因高溫形成等離子體鞘套，需采用能順利穿透等離子體的毫米波實現(xiàn)通信和制導。裝于彈頭的小型化毫米波輻射計可實現(xiàn)高命中率的末制導。

（4）遙感：高分辨率的毫米波輻射計適用于氣象參數(shù)的遙感，以測繪云圖；也應用在對地表溫度遙感以測繪地形或探測目標等。

（5）射電天文學：地球上很多已知的物質(zhì)分子和原子具有毫米波、亞毫米波的輻射波譜。因此，用毫米波與亞毫米波的射電天文望遠鏡探測宇宙空間的輻射波譜，可以推斷星際物質(zhì)的成分，可借以研究天文現(xiàn)象，已成為天文學研究的重要手段。

（6）波譜學:紅外吸收波譜常用作物質(zhì)分析的依據(jù)，它以透過物質(zhì)的能量百分數(shù)（透射比）為縱坐標而以波長為橫坐標繪成曲線。根據(jù)波譜曲線的形狀可以判斷物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、純度等。不同波段的紅外線對應有不同的物質(zhì)吸收機理，其中包含亞毫米波譜的遠紅外區(qū)（波長50～1000微米），它們與物質(zhì)分子的純轉(zhuǎn)動能級躍遷，以及晶體的晶格諧振吸收有關(guān)。因此亞毫米波可用于探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。

參考書目

1. 郵電部武漢郵電科學研究院編寫組：《毫米波波導通信》，人民郵電出版社，北京，1977。
2. K. J. Button， Infrared　and　Millimeter Waves，Academic Press，New York，1979.

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標簽：毫米波與亞毫米波

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文章名稱：《毫米波與亞毫米波》

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