电子信息导论(第七讲)(电磁场与微波)

1、电子信息科学导论电子信息科学导论 信息学院信息学院 牛斌牛斌2008年年9月月2008-7-25电子信息科学与技术专业发展战略研究报告2电磁场与微波技术简介电磁场与微波技术简介p引子引子 有人说：电磁场和微波技有人说：电磁场和微波技术像天书一样难懂，非也！试术像天书一样难懂，非也！试想，当你登上摩天楼的顶层时，想，当你登上摩天楼的顶层时，你会知道，只要一步步走来，你会知道，只要一步步走来，并不是难事。并不是难事。主要内容主要内容p1.课程概述课程概述p2.电磁波的概述电磁波的概述p3.微波的概述微波的概述1.课程概述课程概述p1) 电磁场和微波技术是实现无线通信和控制等的理论基础；电磁场和微波

2、技术是实现无线通信和控制等的理论基础；p2) 课程性质课程性质p3）课程的特点）课程的特点1) 电磁场和微波技术是实现无线电磁场和微波技术是实现无线通信和控制等的理论基础；通信和控制等的理论基础；p通信方面：移动通信、微波通信、宇宙通信等通信方面：移动通信、微波通信、宇宙通信等;p广播电视：广播电视： 广播：长、中短波广播广播：长、中短波广播 电视广播：模拟和数字电视电视广播：模拟和数字电视 遥控和遥测：如无人职守的控制和测量装备遥控和遥测：如无人职守的控制和测量装备2) 课程性质课程性质p该课程是一门专业课；该课程是一门专业课；p该课程的前期课程是：高等数学，大学物理，电路分析，该课程的前期

3、课程是：高等数学，大学物理，电路分析，场论和数理方程等场论和数理方程等p课程解决的主要问题：为通信，控制和广播等提供传输信课程解决的主要问题：为通信，控制和广播等提供传输信道的特性和规律道的特性和规律3）课程的特点）课程的特点p理论性强：要求较高的物理和数学基础理论性强：要求较高的物理和数学基础p应用广泛：在信息工业、国防科研、工业，农业，电子医疗应用广泛：在信息工业、国防科研、工业，农业，电子医疗和宇宙开发等方面都有广泛的应用；和宇宙开发等方面都有广泛的应用；p是很多新学科的生长点：如波谱学、射电天文学、医疗电子是很多新学科的生长点：如波谱学、射电天文学、医疗电子学、电磁工程、宇航学、遗传工

4、程和科学研究等学、电磁工程、宇航学、遗传工程和科学研究等2.电磁波的概述电磁波的概述p1.定义定义p2. 电波和磁波的互生规律电波和磁波的互生规律 p3.性质性质 p4.电磁波的发现电磁波的发现p5.电磁波的类型电磁波的类型p6.电磁辐射对人体有害的影响电磁辐射对人体有害的影响1.定义定义p从科学的角度来说，电磁波是一种以电和磁的形式存在的从科学的角度来说，电磁波是一种以电和磁的形式存在的特殊能量和特殊的物质。凡是能够释出能量的物体，都会特殊能量和特殊的物质。凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。释出电磁波。 正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样

5、，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的是这样一位人类素未谋面的“朋朋 友友”2. 电波和磁波的互生规律电波和磁波的互生规律p 电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场，变化的磁场则会产生电场。面，变化的电场会产生磁场，变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电

6、磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常简称为电波被称为电磁波，也常简称为电波。3.性质性质 p电磁波频率低时，主要借助有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，电磁波频率低时，主要借助有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电变化比较缓慢，电与磁的转化量很低，其能量几乎全部反回原电路而没有或磁电变化比较缓慢，电与磁的转化量很低，其能量几乎全部反回原电路而没有或很少能量辐射出去；很少能量辐射出去；p电磁波频率高时即可以在自由空间内传播，也可以束缚在有形的导电体内传递。电磁波频率高时即可以在自由空间内传播

7、，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式部反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。p在自由空间中的电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其传播方向三者互相垂在自由空间中的电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其传播方向三者互相垂直直。振幅沿传播方向的垂直方

8、向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。p通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等电场和磁场间的变换式tCOSLSBJE*/EjBJd3）电磁波的发现）电磁波的发现p1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波

9、的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887年德年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，人们国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同。了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同。p（1）横电磁波（）横电磁波（TEM波即波即Ez=0;Hz=0）；）；p （2）横电波（）横电波（TE波即波即Ez=0; Hz0）；）；p （ 3）横磁波（）横磁波（TM波即波即Ez 0 ； Hz =0）。）。5）.电磁

10、波的类型电磁波的类型6）.电磁辐射对人体有的影响电磁辐射对人体有的影响 （1）、热效应：人体内）、热效应：人体内70%以上是水，水分子受到电磁以上是水，水分子受到电磁波辐射后运动加剧而相互磨擦，引起机体升温，从而影响到身体波辐射后运动加剧而相互磨擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常运行。其他器官的正常运行。 （2）、非热效应：人体的器官和组织中，都存在微弱的电磁）、非热效应：人体的器官和组织中，都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏，人体正常循环机能会遭受破衡状态的

11、微弱电磁场即将遭到破坏，人体正常循环机能会遭受破坏。坏。 （3）、累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体）、累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的话，其伤的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久而久之会成为永久性病变或危及生命。害程度就会发生累积，久而久之会成为永久性病变或危及生命。对于长期接触电磁波辐射的群体，由于积累效应，也会诱发想不对于长期接触电磁波辐射的群体，由于积累效应，也会诱发想不到的病变，应引起警惕！到的病变，应引起警惕！ 4）、两点提醒）、两点提醒p（1）长期接受电磁辐射会造成

12、人体免疫力下）长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、血压异常、皮肤产生斑心率失常、视力下降、血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等；男女生殖能痘、粗糙，甚至导致各类癌症等；男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等症。力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等症。p（2）慎用微波炉、电热毯：现在人们使用的慎用微波炉、电热毯：现在人们使用的绝大多数微波炉和电热毯电磁波的辐射强度超绝大多数微波炉和电热毯电磁波的辐射强度超过安全值过安全值20100倍，对人体健康的伤害极倍，对人体健康的伤害极为

13、严重。为严重。3.微波的概述微波的概述p1）、定义）、定义p2）、微波的特点）、微波的特点p3）、微波的主要应用）、微波的主要应用3.微波的概述微波的概述p1）、定义：在无线电频谱中（见表）、定义：在无线电频谱中（见表3.1），将），将300MHz-3000GHz的电磁波称为微波。即波长为的电磁波称为微波。即波长为1m0.1mm的电磁波称为微波。（的电磁波称为微波。（1)电磁波谱电磁波谱光波光波 简介简介p红外线红外线 0.3毫米毫米0.75微米。微米。光通信等光通信等可见光可见光 0.7微米微米0.4微米。微米。紫外线紫外线 0.4微米微米10毫微米毫微米X射线射线 10毫微米毫微米0.1毫

14、微米毫微米射线射线 0.1毫微米毫微米0.001毫微米毫微米宇宙射线宇宙射线 小于小于0.001毫微米毫微米p（2）、说明）、说明p单位单位 p频率与波长的关系频率与波长的关系 =C/f=310exp(8)/f 由此可知：由此可知：300Mhz =1m 3000Ghz =0.1mm 微波频率范围很宽，提供了广泛的应用领微波频率范围很宽，提供了广泛的应用领 域域 理解：微波频宽是普通无线波段（长、中、短波和超短理解：微波频宽是普通无线波段（长、中、短波和超短波的总和）的一万倍。波的总和）的一万倍。 倍数倍数n= 微波波段微波波段/普通无线电波普通无线电波=(3000G-300M)/(300M-3

15、HZ) =10000(倍倍)现状及结论现状及结论p通过以上简单的分析并依据无线电频率的使用现状，的可通过以上简单的分析并依据无线电频率的使用现状，的可以得到一个重要结论以得到一个重要结论:p 频率使用现状：频率使用现状： 普通无线电波段，已经十分拥挤；普通无线电波段，已经十分拥挤； 微波波段尚有大量的频率在闲置没有利用微波波段尚有大量的频率在闲置没有利用p结论结论： 因此无线电技术的发展方向必然是：向微波因此无线电技术的发展方向必然是：向微波范围发展。即实用电波的频率将越来越高。范围发展。即实用电波的频率将越来越高。 微波技术微波技术是很多新技术的生长点。（宇航、射电天文、波谱学等）是很多新技

16、术的生长点。（宇航、射电天文、波谱学等）一个问题？p纵观微波的波段范围不足一米纵观微波的波段范围不足一米 （0.1mm1m）,为为什么要把什么要把 这个不足一米的波段的无线电波专门加以研究，这个不足一米的波段的无线电波专门加以研究，而又形成一个独立学科呢？而又形成一个独立学科呢？ 要回答这个问题，就需要研究微波的特点。要回答这个问题，就需要研究微波的特点。2）、微波的特点）、微波的特点p（1）. 微波的波长短（微波的波长短（=0.1mm-1M）p 理解：可粗略地将微波波段分为两个部分，理解：可粗略地将微波波段分为两个部分，i)较长部较长部分，分， 接近米波接近米波 ;ii)较短部分，：接近毫米

17、波。这一划分较短部分，：接近毫米波。这一划分是颇具匠心的，由此可引出微波有如下特性：是颇具匠心的，由此可引出微波有如下特性：p 性质性质 ）似声性：）似声性： 接近米波，微波波长接近米波，微波波长 与地球物体尺寸可与地球物体尺寸可以比拟时，具有似声性；（声波波长大于或略大于物体）以比拟时，具有似声性；（声波波长大于或略大于物体）似声性的应用似声性的应用pa)做成为号角天线，相当于声学中的喇叭（广播：声音做成为号角天线，相当于声学中的喇叭（广播：声音扩散面限制在一定的张角内）；扩散面限制在一定的张角内）；p b)做成为波导管，相当于声学中的传声筒（直筒：如地做成为波导管，相当于声学中的传声筒（直

18、筒：如地道战用过）；道战用过）；p c)做成谐振腔：相当于声学中的共鸣器（谐振腔与做成谐振腔：相当于声学中的共鸣器（谐振腔与LC谐谐振回路像比拟）；振回路像比拟）；pd)做成开槽天线：相当于声学中的笛或萧（漏泄通信、做成开槽天线：相当于声学中的笛或萧（漏泄通信、电磁测量）电磁测量）p）似光性：当微波波长比物体尺寸小得多（接近分米波）似光性：当微波波长比物体尺寸小得多（接近分米波以下）时，具有似光性以下）时，具有似光性 似光性主要应用：似光性主要应用：n直线传播：微波中继通信（电视、通直线传播：微波中继通信（电视、通信），无线电定位（信），无线电定位（GPS）的应用。）的应用。n折射、反射、绕射

19、。折射、反射、绕射。n聚焦性：制作方向性很高的抛物面天线聚焦性：制作方向性很高的抛物面天线（具有方向性强：能量集中于某一方向，（具有方向性强：能量集中于某一方向，实现远距离通信；保密性强；抗干扰能实现远距离通信；保密性强；抗干扰能力强等优点）；（类似于凸透镜、探照力强等优点）；（类似于凸透镜、探照灯等；）灯等；）（2）微波的振荡周期短）微波的振荡周期短p关系：关系： T=1/f 由于信号的周期短，就必须考虑电子渡越时间由于信号的周期短，就必须考虑电子渡越时间Tdp所谓电子渡越时间所谓电子渡越时间 ：是指载流子子由器件的一个电极（：是指载流子子由器件的一个电极（E极）传输到另一个电极（极）传输到

20、另一个电极（C极）所需要的时间。记为：极）所需要的时间。记为：Td 。p影响举例：晶体管中（影响举例：晶体管中（NPN型）如图所示。型）如图所示。电子渡越时间对三极管导电的影响电子渡越时间对三极管导电的影响p 若若E结正偏时，结正偏时，Ic=0（低频时：（低频时：Ic0）p 若若E结反偏结反偏 ，Ic 0（低频时：（低频时：Ic=0）（3）微波器件采用专用器件）微波器件采用专用器件p微波电子管：速调管、磁控管和行波管；微波电子管：速调管、磁控管和行波管；p微波固体器件：体效应管、微波固体器件：体效应管、PIN（微量金属）管（使（微量金属）管（使 电电荷积累荷积累）和场效应管（见微波技术第六章）

21、和场效应管（见微波技术第六章）3）微波的频率很高）微波的频率很高f=300M3000Ghz p很高的频率，能够将微波脉冲做得很窄，（一般在毫微很高的频率，能够将微波脉冲做得很窄，（一般在毫微秒到皮秒），这样会取得四种有益的结果：秒到皮秒），这样会取得四种有益的结果：p1）使微波信号能够穿透电离层和其他很多特性。）使微波信号能够穿透电离层和其他很多特性。p2)提高无线遥测遥控的精度提高无线遥测遥控的精度p3）微波的量子能量大）微波的量子能量大p概念：电磁波具有波粒二重性：波动性（传播）、能量概念：电磁波具有波粒二重性：波动性（传播）、能量子（粒子性）。子（粒子性）。pA、即将微波视为携带一系列能量的、即将微波视为携带一系列能量的“小包子小包子”并以波动并以波动方式向外传播。方式向外传播。pB、粒子能量（能量小包）：、粒子能量（能量小包）： E=hf (j) E=hf (j)p h: 为波朗克常数为波朗克常数（h=6.626 ) 4）微波的生物效应：微波对应的能量范围处于生物细胞）微波的生物效应：微波对应的能量范围处于生物细胞精细能级之中，可改变生物细胞结构。由此可以想象应用微精细能级之中，可改变生物细胞结构。由此可以想象应