微波技术基础_绪论_1

1、北京交通大学Beijing Jiaotong Universityn教材教材闫润卿，李英慧，闫润卿，李英慧，微波技术基础微波技术基础，北京理工大学出版，北京理工大学出版社社n参考书目参考书目梁昌洪、谢拥军、官伯然，梁昌洪、谢拥军、官伯然，简明微波简明微波，高等教育出版，高等教育出版社社李宗谦、佘京兆、高葆新，李宗谦、佘京兆、高葆新，微波工程基础微波工程基础 ，清华大学，清华大学出版社出版社盛振华，盛振华，电磁场微波技术与天线电磁场微波技术与天线，西安电子科技大学，西安电子科技大学出版社出版社北京交通大学Beijing Jiaotong University关于考勤关于作业关于课件关于考试课程要

2、求北京交通大学Beijing Jiaotong University微波技术基础微波技术基础 绪绪 论论北京交通大学Beijing Jiaotong University内容提要 微波的概念及特点微波的概念及特点 微波的发展及应用微波的发展及应用 研究方法及内容研究方法及内容绪论绪论 北京交通大学Beijing Jiaotong University 微波在电磁波谱中的位置微波的概念及特点微波的概念及特点微波：频率为300MHz 3000GHz的电磁波，对应的波长1m 0.1mm。北京交通大学Beijing Jiaotong University波段名称波长范围频率范围频段名称分米波1m10c

3、m0.33GHz特高频(UHF)厘米波10cm1cm330GHz超高频(SHF)毫米波1cm1mm30300GHz极高频(EHF)亚毫米波1mm0.1mm3003000GHz超极高频一般将微波分为四个波段：一般将微波分为四个波段： 分米波、厘米波、分米波、厘米波、 毫米波、亚毫米波。毫米波、亚毫米波。微波的概念及特点微波的概念及特点北京交通大学Beijing Jiaotong University微波的概念及特点微波的概念及特点1. 波长短波长短 当波长远小于物体尺寸，其性质类似可见光，当波长远小于物体尺寸，其性质类似可见光，表现出表现出似光性似光性：直线传播，有反射、折射、绕：直线传播，有反

4、射、折射、绕射、干涉等现象，某些几何光学原理仍适用于射、干涉等现象，某些几何光学原理仍适用于微波。波长越短，传播特性越与几何光学相似。微波。波长越短，传播特性越与几何光学相似。 当波长与物体尺寸属同数量级，微波与声波当波长与物体尺寸属同数量级，微波与声波类似。类似。北京交通大学Beijing Jiaotong University微波的概念及特点微波的概念及特点2.微波能穿透电离层微波能穿透电离层电离层对波长较长的电离层对波长较长的电磁波产生强烈的折电磁波产生强烈的折射和吸收。射和吸收。 微波利用微波利用本身的高频震荡，可本身的高频震荡，可穿越电离层直至外层穿越电离层直至外层空间，从而开辟了无

5、空间，从而开辟了无电线波谱中的一个电线波谱中的一个 “ 宇宙窗口宇宙窗口 ”。电离层电离层微微 波波北京交通大学Beijing Jiaotong University3. 频率高频率高微波的概念及特点微波的概念及特点(1) 微波频率高，抗低频干扰能力强。微波频率高，抗低频干扰能力强。 地球周围充斥着各种各样的噪声和干扰。大多地球周围充斥着各种各样的噪声和干扰。大多数干扰的电磁能量的频谱集中在数兆、数十兆赫数干扰的电磁能量的频谱集中在数兆、数十兆赫低、中频域内。低、中频域内。 在微波频段在微波频段, 信号与干扰的频率成分差别很大，信号与干扰的频率成分差别很大，低频干扰易被微波滤波器阻隔。因微波受

6、外界干低频干扰易被微波滤波器阻隔。因微波受外界干扰小扰小, 且不受电离层变化的影响，其通信质量高且不受电离层变化的影响，其通信质量高于普通无线电波。于普通无线电波。北京交通大学Beijing Jiaotong University微波的概念及特点微波的概念及特点(2) 微波波段频率高，频带宽，信息容量大。微波波段频率高，频带宽，信息容量大。 微波波段：微波波段：300MHz3000GHz，频带宽为频带宽为 f1 ， 普通无线电波：普通无线电波：3KHz300MHz，总的频带总的频带宽为宽为 f2 ； f1 / f2 =10,000 北京交通大学Beijing Jiaotong Universi

7、ty (3) (3)传输微波的电路是传输微波的电路是分布参数电路分布参数电路 微波频率高微波频率高, , 振荡周期振荡周期( (10-9 _10-12s) )与低频与低频器件电子的渡越时间器件电子的渡越时间 ( ( 一般为一般为10-9s ) ) 属同一属同一数量级。低频电路可忽略的一些物理现象如数量级。低频电路可忽略的一些物理现象如极极间电容、引线电感、集肤效应和辐射效应间电容、引线电感、集肤效应和辐射效应等等, , 在微波段则特别明显，必须考虑。因此，传输在微波段则特别明显，必须考虑。因此，传输微波的电路是分布参数电路，使用的器件是特微波的电路是分布参数电路，使用的器件是特殊的微波器件。殊

8、的微波器件。微波的概念及特点微波的概念及特点北京交通大学Beijing Jiaotong University内容提要 绪论绪论 微波的概念及特点微波的概念及特点 微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用 研究方法及内容研究方法及内容北京交通大学Beijing Jiaotong University二战期间雷达的应用导致了微波技术的大发展二战期间雷达的应用导致了微波技术的大发展 二十世纪二十世纪三十年代后三十年代后期英国在东期英国在东南海岸秘密南海岸秘密建立了名为建立了名为Chain Home的雷达网，的雷达网，使用使用2525米波米波长的短波脉长的短波脉冲冲微波技术的发展及应用微波技术的发展

9、及应用北京交通大学Beijing Jiaotong University 单导体波导在二战期间出现，并带动了相关技单导体波导在二战期间出现，并带动了相关技术的发展术的发展微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用北京交通大学Beijing Jiaotong University 微波干线中继通讯（现已基本被光纤代替）微波干线中继通讯（现已基本被光纤代替）微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用北京交通大学Beijing Jiaotong University 卫星通信（只能用微波）卫星通信（只能用微波）微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用北京交通大学Beijing Jiaotong Univ

10、ersity 微波炉微波炉微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用 适应微波相控阵治疗体内肿瘤适应微波相控阵治疗体内肿瘤北京交通大学Beijing Jiaotong University 射频识别射频识别(RFID)微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用北京交通大学Beijing Jiaotong University 微波电路技术微波电路技术微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用 微波化学微波化学北京交通大学Beijing Jiaotong University 生物电磁学生物电磁学微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用北京交通大学Beijing Jiaotong University

11、 太阳能利用太阳能利用微波技术的发展及应用微波技术的发展及应用利用空间站将太阳能转利用空间站将太阳能转变为直流电流，再转换变为直流电流，再转换成微波能量发射回地面成微波能量发射回地面接收站，最后将接收的接收站，最后将接收的微波能转换成直流电能，微波能转换成直流电能，供人类使用。供人类使用。北京交通大学Beijing Jiaotong Universityl电磁脉冲炸弹电磁脉冲炸弹北京交通大学Beijing Jiaotong University内容提要 微波的概念及特点微波的概念及特点 微波的发展及应用微波的发展及应用 研究方法及内容研究方法及内容绪论绪论 北京交通大学Beijing Jiao

12、tong University研究方法及内容研究方法及内容微波技术是研究微波信号的微波技术是研究微波信号的产生、传输、产生、传输、变换、发变换、发 射、接收和测量射、接收和测量的一门学科。的一门学科。 1. 基础部分：基础部分：（三大理论三大理论） 主要研究微波传输方面的基本理论主要研究微波传输方面的基本理论 ，解决，解决该学科中的主要概念和方法。该学科中的主要概念和方法。 “ 长线理论长线理论 ” 是微波传输线的工程计算基是微波传输线的工程计算基础，础， 从从“路路”的观点出发，解决了沿纵向的观点出发，解决了沿纵向(传输传输方向方向)传送中的工作状态、工程计算、匹配等一传送中的工作状态、工程

13、计算、匹配等一系列问题。系列问题。一、研究内容一、研究内容北京交通大学Beijing Jiaotong University “波导理论波导理论”是微波传输线分析方法的理论基是微波传输线分析方法的理论基础，从础，从“场场”的观点出发，解决了传输线沿横的观点出发，解决了传输线沿横截面上的分布特性及相应传输线的特性参数。截面上的分布特性及相应传输线的特性参数。 “网络理论网络理论” ” 是微波的等效电路理论，解决是微波的等效电路理论，解决了了“化场为路化场为路 ” ” 的方法，并把的方法，并把“场场”与与“路路”的描述统一起来。的描述统一起来。研究方法及内容研究方法及内容北京交通大学Beijing

14、 Jiaotong University “ “ 微波元件微波元件 ” ” 是用三大理论来描述微波传是用三大理论来描述微波传输电路中所出现的各种不均匀性以及用来完输电路中所出现的各种不均匀性以及用来完成传输过程中的各种功能的机理。成传输过程中的各种功能的机理。2. 技术部分：技术部分：研究方法及内容研究方法及内容北京交通大学Beijing Jiaotong University研究方法及内容研究方法及内容二二、研究方法研究方法“场场”的分析方法的分析方法: : 研究、解决不同边界条件下的麦克斯韦方程研究、解决不同边界条件下的麦克斯韦方程组的求解问题。组的求解问题。“路路”的分析方法：的分析方法

15、： 把微波传输线作为分布参数电路处理把微波传输线作为分布参数电路处理 , ,用用基尔霍夫定律建立传输线方程，分析电压电流的基尔霍夫定律建立传输线方程，分析电压电流的时空变化规律及各种传输特性。时空变化规律及各种传输特性。北京交通大学Beijing Jiaotong University 本课程将重点介绍微波技术的基础理论、技术本课程将重点介绍微波技术的基础理论、技术和分析方法，着重于物理概念和工程应用，尽和分析方法，着重于物理概念和工程应用，尽可能避免繁琐的数学推导。可能避免繁琐的数学推导。 学习学习微波技术基础微波技术基础对于从事无线通信、对于从事无线通信、射频电路和高速集成电路的设计和工程

16、应用具射频电路和高速集成电路的设计和工程应用具有十分重要的意义。有十分重要的意义。电路分析电路分析微波技术基础微波技术基础电磁场与电磁波电磁场与电磁波研究与应用研究与应用先修课程先修课程研究方法及内容研究方法及内容北京交通大学Beijing Jiaotong University1. 微波是频率为300MHz-3000GHz的电磁波，一般将微波分为分米波、 厘米波、 毫米波及亚毫米波四个波段。2. 微波与普通无线电波相比，具有似光性、穿越电离层的透射特性、频率高等特性。3. 微波技术在雷达、通信、生物医学和能源等方面都有重要的应用。4. 研究微波的传输特性有“场”的分析方法和“路”的分析方法，

17、二者紧密相关、相互补充。小结小结北京交通大学Beijing Jiaotong University微波技术基础微波技术基础 基基 本本 原原 理理北京交通大学Beijing Jiaotong University Maxwell方程组 波动方程 均匀平面波的正入射内容提要 基本原理 北京交通大学Beijing Jiaotong University内容提要 基本原理 Maxwell方程组 波动方程 均匀平面波的正入射北京交通大学Beijing Jiaotong University詹姆斯克拉克麦克斯韦 英国物理学家、数学家。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦

18、克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。1873年出版的论电和磁，也被尊为继牛顿原理之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。（1831-1879）北京交通大学Beijing Jiaotong University海因里希鲁道夫赫兹 1885到1889年Heinrich Hertz制造了第一个米波范围内的电磁波发射和检测装置，证明电磁波的存在。北京交通大学Beijing Jiaotong University1. Maxwell方程组DBBEDJH0tt全电流定律电磁感应定律磁通连续性原理高斯定律(+Jm)(+m)北京交通大学Beij

19、ing Jiaotong University1. Maxwell方程组动阳生阴动阴生阳孤阴不生独阳不长动磁生电动电生磁静磁不能生电静电不能生磁北京交通大学Beijing Jiaotong Universityt DJHt BE讨论 麦克斯韦方程组中的两个独立方程： 中间的等号揭示了电与磁的相互转化，相互依赖，相互对立，共存于统一的电磁波中。 电不断转换为磁，而磁又不断转成为电，才会发生能量交换和贮存。 北京交通大学Beijing Jiaotong University 单摆 电磁振荡北京交通大学Beijing Jiaotong UniversityzWavet0方程的左边是空间的运算(旋度)

20、，方程的右边是时间的运算(导数)，中间用等号连接。它深刻揭示了电(或磁)场任一地点的变化会转化成磁(或电)场时间的变化；反过来，场的时间变化也会转化成地点变化。t DJHt BE空间波北京交通大学Beijing Jiaotong UniversityHEjEJHj2. 频域麦克斯韦方程： 任何形式信号高频分量都包含角频率，才能确保电磁的有效转换，直流情况没有转换。t j北京交通大学Beijing Jiaotong University3. 麦克斯韦方程中还存在矛盾对抗：0zEJD)(jt（2）t DJH（1）t BE Maxwell方程本质的不对称性。 探索磁流的存在，到目前为止始终未果。 波

21、动性不仅与有关，还与媒质有关。 良导体情况下波动性降为次要矛盾，波长缩短，波速减慢，且迅速衰减 北京交通大学Beijing Jiaotong University真 空线性各向同性媒质0c00JHBEDEJHBEDc4. 麦克斯韦方程组中本构关系：北京交通大学Beijing Jiaotong University内容提要 基本原理 Maxwell方程组 波动方程 均匀平面波的正入射北京交通大学Beijing Jiaotong University无源区： J J = 0、 = 0波动方程波动方程00DBHEEHtt一阶矢量偏微分方程（Maxwell方程组）波动方程（定量描述电磁波运动规律）北京交通大学Beijing Jiaotong UniversityE的齐次波动方程H的齐次波动方程同理t HEEEE2)(）（ttEEE2)(0222tEE0222tHH波动方程波动方程t EH0ED北京交通大学Beijing Jiaotong University设 E = axEx( z, t )其通解为