微波技术的基本原理范文篇1

关键词：逆变技术；SPWM；采样控制理论；微元法；MATLAB

中图分类号：TP312

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2015）005-0062-03

作者简介：范云飞（1993-），男，四川南充人，四川理工学院自动化与电子信息学院学生，研究方向为图像处理、智能控制、工业嵌入式；通讯作者：任小洪（1960-），男，四川南充人，四川理工学院自动化与电子信息学院教授、硕士生导师，研究方向为智能测控技术、无线传感网络技术。

0引言

逆变技术作为非常重要的一门技术，主要应用于电气火车、变频电源、数控机床、光伏并网、燃料电池静置式发电站等领域。早期逆变主要采用模拟电路实现，精度差，不易进行幅值校正与相位匹配，现在常用微处理器生成SPWM方法。目前行业内成熟的逆变SPWM算法很多，较为常用的有对称规则采样法、不对称规则采样法、等效面积法等，其共性问题是原理复杂、程序繁琐、不易理解，初级学者不易上手。本文基于采样控制理论，提出用微元法生成SPWM的算法，在原理复杂度与程序结构上均有较大改进，更适合中低端单片机进行逆变控制。

1微元法

1.1微元法原理

令所要产生的正弦波峰值为1，PWM峰值也为1，将要产生的正弦基波进行有限项切割，见图1。计算每项微元对应的函数值，即对应三角函数值，用与微元项周期相同的PWM波对应一组微元项，见图2，则每项微元所对应的函数值是其对应PWM的占空比。在误差范围内，每项微元对应的占空比产生的一系列PWM波即为所需的SPWM波形。

1.2原理论证

取直流电压幅值为1，所需的正弦波幅值为1，任取正弦基波时刻t（正半周期内），则表明SPWM每一微元项的占空比为sinωt。令微元频率为F，则微元周期为1F。在周期t至t+1F内，此SPWM所对应的冲量为1F・1・sinωt。由定积分原理可知：

由采样控制理论可知，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。所以，原题设得证。

为了SPWM输出经过积分电路后获得一个较为精确的正弦波，输出SPWM波形中的PWM周期应该远远小于积分电路的积分常数τ[2]。而PWM周期过小，则所需的计算量大大增加，造成系统性能降低，且不能明显提高精度[3]。

2实验论证

2.1不规则采样实验

以Msp430f169为处理器，基波频率为F，半周期内有限微元数量为N，则基波周期为：

T=1F（6）

微元周期（载波周期）为：

dt=T2・N=12・N・F（7）

则SPWM中，每项微元周期dt对应占空比η为：

η=sin（2・π・t2N），t=0，1，2，3…，N-1（8）

用定时器A和比较器产生SPWM波，表1中数据是将基波周期定为25HZ，载波周期定为32KHZ所产生的正弦数值表，在单片机中用等周期中断查表修改生成与PWM有关的寄存器TACCRx，即可产生SPWM波。

2.2微元法实验

以Msp430f169为处理器，使用微元算法生成正弦表，见式（7）、式（8），将基波周期定为25HZ，PWM周期定为32KHZ，用MATLAB仿真，其MATLAB源代码如下：

MainFreq=8；F=25；N=320；t=0：N-1；

TACCR0=round（MainFreq*1000000/（F*N*2））

data=sin（pi/N*t）*（MainFreq*1000000/（F*N*2））；

data=round（data）

微元法产生的正弦表同不对称规则采样法产生的表相同。将此微元法生成的正弦表导入Msp420f169进行查表生成SPWM，其生成的双通道SPWM通过示波器显示如图3所示，显示了基波的正半周逆变波形和负半周逆变波形。

将生成的两路SPWM分别通入低通滤波器，即有如图4的波形。

所以，将生成的SPWM驱动相应桥路后通过低通滤波器即可生成所需正弦波，即完成正弦逆变。

2.3算法对比

上述实验数据表明，在中低端处理器中不能体现算法的精度，原因是中低端单片机自身的系统误差，具体体现在：①中低端处理器系统时钟较低；②自身输出PWM的分辨率跟不上算法精度。同时，精度高的算法较此微分法运行时间长，表明微元法具有一定优势。

因为自然采样法在计算SPWM波的脉宽时要解超越方程，所以在实际控制中不能保证时效性。对称规则采样法、不对称规则采样法均有使用正弦调制波与三角载波相交原理，其中具有复杂的几何运算，且其使用的正弦调制波与三角载波相交原理在初学时不易明白和掌握，同时，其逆变算法不易从特殊推广到一般。本文提出的基于微元法的SPWM算法只需将对应时间的函数值转化为输出PWM的占空比即可产生SPWM，对比之下，此算法具有原理通俗易懂、算法简单、易于推广的优点，适合逆变初学者。

3算法改进

处理器不易计算三角函数，若此方法用在DSP等高速处理器上，可直接将MATLAB程序转译为DSP代码。若用于单片机等低速处理器，可将三角函数进行傅立叶展开，取前几项，在精度可接受的情况下，也可粗略控制逆变电路。三角函数傅立叶变换等式[5]为：

sin（t）=t-t33！+t55！-t77！+…（9）

当取前3项时，等效变换为：

sin（t）≈t-t33！+t55！（10）

此时，繁琐的三角函数被化为简单的多项式，简化程度可观。

4结语

本文提出了用微元法生成SPWM，诠释了数字芯片处理模糊量的经典方法，此法用微积分学理念解释了SPWM原理，其原理相比现有成熟的SPWM算法简单通俗，适合初学者参考，也适合研究人员参考。

参考文献：

[1]熊军华，王亭岭，陈建明，等.三种SPWM形生成算法的分析与实现[J].微计算机信息，2008，24（7）：307-309.

[2]沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]胡寿松.自动控制原理[M].第5版.北京：科学出版社，2007.

[4]姜彬，张浩然，郭启军.基于DSP的SPWM不对称规则采样算法的分析与实现[J].微计算机信息，2009，25（4）：210-212.

[5]孙巧榆，刘永强，鱼瑞文.基于自然采样法的SPWM脉冲计算方法[J].电气传动自动化，2001，24（1）：13-15.

微波技术的基本原理范文

微波是频率在300mhz～300ghz之间，位于电磁波谱的红外辐射和无线电波之间的一种非电离电磁能。微波技术起源于20世纪30年代，最初应用于电视、广播、通讯技术中。1945年，美国人首先发现了微波的又一特性——热效应，并首次将微波作为一种非通讯的能源应用于工业、农业乃至科学研究中。微波工业应用就是指利用微波的能量作用于物体实现需要的目标。微波能应用的特点在于一是以能量转换”为基础，即微波所产生的热量是被加热物体的分子通过偶极回转、分子极化后转化成的，并非热传导；二是具有很高的传热效率，相当于对流传热的5倍。

微波能的作用原理是当物体被置于超高频电流的交变电场中受到微波作用时，物体中的极性分子处于激烈、快速的震荡和回转中，产生自感应，使物体获得热量，进而发生物理的、化学的或者生物的变化。

目前用于工业应用的微波有两个频率：2450mhz和915mhz，产生微波的核心部件是磁控管，磁控管是组成微波源的主要部件。

微波工业应用主要在替代传统工艺、产品附加值高及适用于微波（吸收微波能力比较强）的领域取得快速发展，主要是茶叶加工、橡胶脱硫、活性炭和竹炭高温烧制、陶瓷材料、能源材料（磁性材料、锂电池材料）的烧结和环保（生物质能、水处理、有机物处理（工业废水、废料除毒））等领域。

1.微波技术应用于茶叶杀青、干燥

微波杀青、干燥是微波发生器将微波辐射到杀青、干燥的物料并穿透到物料内部时,诱使物料的水等极性分子随之同步旋转，例如采用915mhz微波干燥物料,其体内极性分子每秒钟旋转9.15亿次,如此的高速旋转使物料瞬时产生摩擦热,导致物料表面与内部同时升温,且内部温度高于物料表面温度,使大量的水分子从物料中逸出而被蒸发带走,这样达到杀青、干燥的目的。这种杀青、干燥方法的特点是加热时间短,内外温度一致,其热传递方向从内向外与湿传递方向也一致,不同于常规加热方式需要一定时间才能将热量从外部加热到内部,存在内外温度差和湿、热传递方向相反的问题。

茶叶杀青、干燥的要求是杀青后茶叶的含水率为58%～60%,干燥后的含水率达6%,保持茶叶的原味、原样、原色,保证基本营养成份不失,同时要求安全卫生。但不同季节所产的茶叶,由于生理结构不同、组织细嫩程度不一,如清明前后茶大多是组织较嫩的叶芽,而夏秋季用于制茶的原料大多是组织较老的叶片,其杀青、干燥的工艺要求亦有所不同,这给杀青、干燥带来了难度。制成后的茶叶大多用于泡茶饮用,要求杀青的茶叶一经开水泡开,色泽、形态、味道及营养成分与新鲜茶叶基本一致。而目前茶叶的炒青工艺和热风干燥工艺随意性大,茶叶易产生红梗、红叶、色泽不均、叶边焦黄、带有烟焦味等问题,其品质较难控制。而微波能具有透人茶叶的内部加热,以及无需高温热介质的特点,从根本上改变了依赖高温介质和热传导加热升温的常规加热杀菌抑酶的方法,同时由于微波电磁场在杀青、干燥过程中还具有非热效应,可大大缩短了杀青、杀菌时间,有利于茶叶干燥后的贮藏以及卫生标准。因此,采用微波杀青、干燥茶叶可解决传统杀青、干燥方式中存在的问题。

2.微波技术应用于橡胶加工

（1）橡胶硫化

橡胶是一种偶极材料，适合于微波加热。当接收微波作用时，橡胶分子处于激烈、快速的震荡和回转之中，从而产生自感应，获得热量。电场的频率越高、胶料的极性大，则升温效果越明显，由于微波加热从内部开始，其过程迅速而稳定，从室温到200°c仅需数十秒。目前橡胶行业使用的微波频率为2450mhz和915mhz两种，其快速升温特别适合短流程硫化生产线，同样也可适合于厚壁制品的预热以及废胶的再生。

在实际生产中，为了达到节能、缩短流程和确保质量等多方面的目的，在微波加热段得后面往往加装热空气或远红外补充加热装置。

橡胶工业所用的微波设备,功率都在12～24kw。1度电用于微波加热可使22kg的未硫化半成品从室温加热到硫化温度。曾经做过对比,用微波硫化350kg挤出胶条耗电50度,而盐浴硫化耗电量达180度。对于导电性差的橡胶材料而言,使用微波不仅节能、降耗、省时,还能减少设备占用的空间。

例如微波硫化用于橡胶挤出制品时,其流水线所占面积仅为蒸汽加热流水线的1/5～1/4。原因在于微波加热所产生的热量几乎全部为橡胶所吸收，而在蒸汽硫化中90%的热量消失于对流过程，被加热装置（硫化罐）或周围介质所吸收。

（2）橡胶脱硫

废旧橡胶再生是指废旧硫化橡胶经过粉碎、加热、机械处理等物理化学过程,使其从弹性状态变成具有塑性和粘性的、能够再硫化的橡胶。再生过程的实质是在热、氧、机械作用和再生剂的化学与物理作用等的综合作用下,使硫化胶s—s键和s—c键网络破坏降解。

微波脱硫是利用在变化频率极高的微波场中，一切极性基团都会随微波场变化而剧烈运动，会在极性基团和分子之间产生巨大能量。硫化橡胶分子间及大分子内都存在s—s键和s—c键，可将其看成是一种硫醚键的偶极矩，因而硫化橡胶都会在微波场中发生偶极极化，并且硫醚键的偶极矩较大，在微波场中该处获得的能量也较大。而且，一般硫化橡胶中都含有炭黑，而炭黑吸收微波的能力很强，因此，在微波能的作用下可使硫化橡胶的s—s键和s—c键断裂，破坏硫化胶的网状结构获得塑性而使之再生。

微波脱硫法是非机械、非化学的一步再生法，相比传统方法，脱硫时间短，生产效率高，质量优良，无须添加再生活化剂，生产过程无污染，对极性和非极性橡胶都有效，并且，通过控制微波场的强度，可获得必需可塑性的再生胶。

微波技术的基本原理范文

关键词：微波技术；实验；ADS

中图分类号：G642.423文献标识码：A文章编号：1007-0079（2014）26-0074-02

为了培养学生的实践能力，提高学生的就业能力，使学生的综合素质和人才市场需要相接轨，普通高校都重视学生实践能力的培养，[1，2]并增加相应实验实践类课程的设置。微波技术是通信工程专业必不可少的专业基础课，也是一门重要的专业基础课。[3]近些年，随着科学的发展，微波技术得到了广泛的应用，尤其是在通信行业，如微波卫星通信、微波散射通信、模拟微波通信和数字微波通信等。[4]微波技术广泛的应用也带动了就业市场的需求。由于微波技术领域的特殊性，目前社会上招聘微波工程师和射频工程师的岗位都要求应聘者具有丰富的实践经验，能够熟练使用微波设计与仿真软件进行仿真优化设计，能够熟练使用常规的射频及微波仪器设备等。[5]为了培养微波技术领域的高素质应用型人才和卓越工程师，需要在实践和创新方面加强对学生的培养。

实践教学是微波技术课程的重要组成部分。利用ADS软件构建涵盖传输线理论，Smith圆图和微波网络等内容的仿真实验可以使学生较好地掌握微波技术的基本原理，加深学生对微波器件基本参数的认识和掌握。在微波技术基本实验的基础上可以引导学生进行扩展实验，进一步研究，这样有利于培养学生的实践能力、设计能力和创新能力。

一、传输线理论仿真实验

传输线理论是微波技术的基础。传输线理论即分布参数电路理论是学生接触微波技术的切入点，也是入门点。因此，全面理解掌握传输线理论也是学习后续课程内容的关键。传输线理论重点是要学生把传输线的等效电路理解好，并能正确分析信号在其上面的工作状态。在学生已经有了输入阻抗、反射系数、驻波比的一般概念后，我们给出了广义无耗传输线上的仿真实验。广义无耗传输线更符合实际应用情况，即最普遍的情况是电路的两端均不匹配，因此实验更具有一般性和实际应用的价值。根据广义无耗传输线理论，在传输线两端均匹配，仅源端匹配和仅负载端匹配三种情况下负载端的电压分别为：[6]

其中，Vs为信号源激励电压，Zs为信号源内阻，Z0为特性阻抗，为负载处反射系数。

利用ADS软件可以仿真广义无耗传输线上的电压波形。ADS仿真模型如图1（a）所示，激励源信号的频率为1GHz，电压幅度为1V，激励源内阻为R1，负载阻抗为R2，传输线的特性阻抗为50Ω，当源端匹配而负载阻抗为100Ω时，传输线输入端电压V1和负载处电压V2的仿真结果如图1（b）所示，从图中可以看出V2叠加了反射的电压，与式相吻合，可以继续改变激励源内阻和负载阻抗，得到其他两种情况下传输线输入端电压和负载上电压的对比，从中可以直观地验证广义无耗传输线理论。在此基础上，可以进一步指导学生仿真传输线两端均不匹配情况下的电压波形，使之理解波在传输线上的来回反射。并给学生提出为什么会出现来回反射这一问题，引导学生独立思考，为学生自己设计微波电路做好理论的铺垫。

二、Smith圆图与阻抗匹配实验

Smith圆图是微波技术课程的重要内容，也是学生掌握阻抗匹配的工具。Smith圆图主要用于计算微波网络的阻抗、导纳及网络阻抗匹配设计等，还可用于设计微波元器件等。[7]利用ADS中的Smith圆图工具可以直观地进行阻抗匹配。图2为ADS软件中的Smith圆图工具。为了简单起见，设置传输线特性阻抗为50Ω，负载阻抗为75Ω。图2给出了负载和传输线进行匹配的结果。匹配结果可以从多个角度得到并验证，图3中右下角给出了匹配的网络原理图，即此时可在负载端并联一个电阻；图2中右上角给出了匹配后网络的S参数；在图2左面的Smith圆图中可以看到匹配的最终结果。由于利用Smith圆图进行匹配是一个动态的过程，因此在改变参数的过程中可以随时关注匹配的效果。在Smith圆图上既可以考虑源端匹配也可以考虑负载端匹配，特别是对于同一个匹配问题可以有不同的解决方案。在此基础上可以指导学生应用Smith圆图工具进行单支节匹配和双支节匹配等内容的练习，以加深学生对Smith圆图的认识和掌握，为微波电路及微波器件的设计奠定基础。

三、微波网络S参数仿真实验

散射矩阵即S参数是描述微波网络特性的一种重要矩阵形式，也是微波网络的特色之一，对散射矩阵概念的理解与应用是微波技术课程微波网络部分的一个重点和难点。[8]本部分可以通过一些仿真实例来使学生理解S参数。图3（a）给出了两条平行耦合微带线（四端口网络）的S参数仿真模型。当两条微带线距离很近时，由于电磁场的相互作用会产生耦合，应用平行耦合微带传输线可以构建多种类型的微波滤波器，因此本节实验来仿真两条平行耦合微带线的S参数。构建PCB板上长为4inch，线宽为40mil，线间距为40mil的两条平行微带线，并使其各个端口均匹配。S参数仿真结果如图3（b）所示，图中给出了频率在100M～3GHz范围上的S（2，1）和S（4，1）参数，从图中可以看出微带线的传输特性和耦合特性。由于所仿真的四端口网络具有互易性和对称性，因此查看其他S参数，会发现S（2，1）与S（1，2）一致，S（3，4）与S（4，3）一致，S（3，1）与S（1，3）一致，S（4，1）与S（1，4）一致。

根据这个仿真模型和结果可以引导学生再进行实验和研究。比如，实际上S（3，1）参数为两条平行耦合微带传输线间的近端串扰，S（4，1）参数为两条平行耦合微带传输线间的远端串扰。串扰是噪声，对于高速电路的设计者来说，如何抑制串扰就是一个问题。把抑制串扰这个问题抛给学生，使之思考，就会激发他们的学习兴趣和研究潜能。

四、结论

基于ADS软件的微波技术仿真实验既可以使学生掌握微波仿真软件的使用，也可以增强学生理解相关理论的能力。特别是通过引导学生在基本实验的基础上再进行扩展实验，可以激发学生的学习兴趣和研究潜能，提高他们解决实际问题的综合能力。在北京信息科技大学通信工程专业实施“卓越工程师教育培养计划”中，物联网是三个培养方向中的一个，其中的射频电路设计和射频识别技术等课程就需要学生有较好的微波技术基础，因此微波技术实践教学的地位将更加突出，基于ADS软件的微波技术仿真实验方案将为北京信息科技大学“卓越工程师教育培养计划”的实施奠定基础。

参考文献：

[1]吕淑平，马忠丽，王科俊，等.基于创新型工程科技人才培养的实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2012，29（7）：133-135.

[2]张发爱，吴志强，刘来君，等.以重点实验室为平台，培养地方性工科大学生的实践和创新能力[J].实验技术与管理，2012，29（7）：5-7.

[3]夏祖学，李少甫，胥磊.《天线与微波技术》课程的教学改革研究与实践[J].实验科学与技术，2013，11（6）：49-51.

[4]孙凤坤，邢泽炳.微波技术原理及其发展与应用[J].科技创新与应用，2014，（6）：3-4.

[5]全绍辉.构建“微波技术”课网上教学和实验实践学堂[J].实验技术与管理，2012，29（12）：159-163.

[6]李秀萍.微波技术基础[M].北京：电子工业出版社，2013.