毫米波與亞毫米波

毫米波與亞毫米波（millimeter wave and submillimeter wave）。 波長為10～1毫米的電磁波稱毫米波；波長為1～0.1毫米的電磁波稱為亞毫米波。它們位於微波與遠紅外波相交疊的波長範圍，因而兼有兩種波譜的特點。各自的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發展。

基本介紹

• 中文名：毫米波與亞毫米波
• 外文名：millimeter wave and submillimeter wave
• 波長範圍：微波與遠紅外波相交疊
• 特點：兩種波譜的特點
• 缺點：大氣中傳播衰減嚴重等
• 用於：探索物質的微觀結構

特點

與較低頻段的微波相比，它們的特點是：①可利用的頻譜範圍寬，信息容量大。②易實現窄波束和高增益的天線，因而解析度高，抗干擾性好。③穿透電漿的能力強。④都卜勒頻移大，測速靈敏度高。

缺點

缺點是：①大氣中傳播衰減嚴重。②器件加工精度要求高。與光波相比，它們利用大氣視窗（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由於氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。為此，它們在通信、雷達、制導、遙感技術、射電天文學和波譜學方面都有重大的意義。

套用

利用大氣視窗的毫米波頻率可實現大容量的衛星-地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實現低仰角精密跟蹤雷達和成像雷達。在遠程飛彈或太空飛行器重返大氣層時，需採用能順利穿透電漿的毫米波實現通信和制導。高解析度的毫米波輻射計適用於氣象參數的遙感。用毫米波和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的成分。在波譜學中，亞毫米波可用於探索物質的微觀結構。

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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。它們位於無線電波譜中的微波與光譜中的遠紅外波相交疊的波長範圍，因而兼有兩種波譜的特點。其中，毫米波理論和技術主要是微波向高頻的延伸；而亞毫米波理論和技術主要是光波向低頻的發展。

毫米波、亞毫米波與較低頻段的微波相比，其特點是：①可利用的頻譜範圍寬，信息容量大；②天線易實現窄波束和高增益，因而解析度高，抗干擾性好；③穿透電漿的能力強；④都卜勒頻移大，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“大氣視窗”時的傳播衰減小。

大氣視窗

“大氣視窗” 　毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由於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，適合於通信、雷達等套用，稱為毫米波傳播的“大氣視窗”。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。

產生和檢測

毫米波、亞毫米波主要依靠振盪管直接產生，但也可以用微波振盪源經倍頻產生，或利用雷射源經下變頻(混頻)產生。直接產生毫米波振盪的器件有各種電子管如磁控管、速調管、擴展互作用管和迴旋管等，以及各種半導體管如體效應二極體、雪崩二極體、渡越時間二極體和場效應電晶體等，其中有的管種如迴旋管等也能產生亞毫米波振盪。利用各種不同基質的亞毫米波雷射器已能產生數以千計的亞毫米波譜線；利用約瑟夫遜結的超導器件（見超導性的微波套用）也能製成微功率的亞毫米波振盪器。

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體、熱載流子器件和肖特基勢壘二極體等半導體器件，經過材料、結構和工藝方面的改進，仍被廣泛使用。如集成化的混頻檢測電路採用矽和砷化鎵材料，將混頻器與本振在結構上合成一體，可降低對本振功率和頻率穩定的要求，並採用濾波器降低噪聲。在毫米波接收機中採用變容管參量放大器或場效應管放大器可提高其檢測靈敏度。此外，用熱敏電阻、鎮流電阻、薄膜電阻等熱效應器件構成的測輻射熱計可檢測毫米波、亞毫米波的輻射功率；光電二極體、約瑟夫遜結超導器件也可用於毫米波、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。為了適應毫米波積體電路的需要，微帶線和類微帶線，以及光波導技術也得到了套用。圖2為各種毫米波介質波導的橫截面結構。其基本形式是介質桿波導（a）,電磁波的導行機理不是依靠導體邊界的約束，而是依賴介質邊界的全內反射，傳輸衰減遠小於金屬波導管或微帶線，主要取決於介質材料的損耗和導行結構不連續性所引起的輻射。介質桿一般用礬土或其他陶瓷材料製成。 介質鏡像波導（b）利用介質桿在接地平面背後的鏡像原理，其導行波模式的傳輸特性與介質桿相同；但只能維持那些場分布符合接地導體表麵條件的模式，從而排除了介質桿波導的兩種幾乎簡併的最低次模式。這種結構便於構成積體電路，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，介質桿與接地導體的任何間隙都會影響傳輸特性，在介質桿底面沉積導電膜的方法可以克服這些缺點。另外，對介質桿的光潔度也有很高的要求。在介質桿與接地導體之間襯墊較低介質常數的薄層可以減少導體損耗。這種波導稱為絕緣介質波導(c),絕緣薄層常用聚四氟乙烯或聚乙烯等材料。帶狀介質波導 (d)和倒置帶狀介質波導(e)的機理與前幾種波導不同,電磁波能量集中於介電常數ε2較高的介質層內傳輸，介質帶ε1起著使場分布集中於波導中心部分的作用，絕緣薄層ε3是為了減小導體損耗。塗覆一層均勻的薄層要比製造高光潔度的介質桿容易得多。帶狀介質波導的主要缺點是能量不能密集地限制在波導之內，屬於弱導行結構，因而在結構轉彎處有較大的輻射損耗，這在電路設計中應予以注意。倒置帶狀介質波導更適用於較低的毫米波頻率，它只有兩個介質區，介質損耗較小，且可省去粘膠材料。毫米波導行結構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於接地平面之上，電場極化與細桿平行，在桿列之間傳播，衰減很小。

廣泛套用於光波和微波的透鏡、反射鏡結構可用作毫米波、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於輻射毫米波。此外，利用介質波導的敞開結構還可以實現表面波或漏波輻射，用作毫米波天線。

意義

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

①通信：利用“大氣視窗”的毫米波頻率可實現大容量的衛星-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術通信。非“視窗”頻率則可用於地面短程保密通信或衛星之間的通信。

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

③制導：在遠程飛彈或太空飛行器重返大氣層時，因高溫形成電漿鞘套，需採用能順利穿透電漿的毫米波實現通信和制導。裝於彈頭的小型化毫米波輻射計可實現高命中率的末制導。

④遙感：高解析度的毫米波輻射計適用於氣象參數的遙感，以測繪雲圖；也套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，可以推斷星際物質的成分，可藉以研究天文現象，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分析的依據,它以透過物質的能量百分數（透射比）為縱坐標而以波長為橫坐標繪成曲線。根據波譜曲線的形狀可以判斷物質的結構、性質、純度等。不同波段的紅外線對應有不同的物質吸收機理，其中包含亞毫米波譜的遠紅外區（波長50～1000微米），它們與物質分子的純轉動能級躍遷，以及晶體的晶格諧振吸收有關。因此亞毫米波可用於探索物質的微觀結構。

參考書目

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。

K. J. Button, Infrared　and　Millimeter Waves,Academic Press,New York,1979.