电磁场及微波技术第五章

1、 任课教师：杨天虹任课教师：杨天虹电磁场与微波技术电磁场与微波技术Electromagnetic Fields and Microwave Technology绪绪 论论一、微波的定义一、微波的定义微波的波长（或频率）范围微波的波长（或频率）范围1米 0.1毫米300MHz3000GHz微波频率微波频率n微波常用波段代号微波常用波段代号 波段代号频率范围/GHz波段代号频率范围/GHzUHF0.3 1.12Ka26.5 40.0L1.12 1.7Q40.0 50.0LS1.2 2.6U50.0 60.0S2.6 3.95M60.0 75.0C3.95 5.85E75.0 90.0XC5.85

2、8.2F90.0 140.0X8.2 12.4G140.0 220.0Ku12.4 18.0R220.0 325.0K18.0 26.5 微波的振荡频率极高，比低频提高了几个数量级，一些在微波的振荡频率极高，比低频提高了几个数量级，一些在低频段并不显著的效应在微波波段就能非常明显地表现出来。低频段并不显著的效应在微波波段就能非常明显地表现出来。例如：在普通栅控电子管内，例如：在普通栅控电子管内，电子在极间飞越的时间电子在极间飞越的时间一般为一般为10109 9s s的数量级，这比长、中、短波段的数量级，这比长、中、短波段无线电波的振荡周期无线电波的振荡周期小得小得多，可以忽略不计，但与微波的振

3、荡周期相比就绝不能忽略。多，可以忽略不计，但与微波的振荡周期相比就绝不能忽略。因此在低频时可以认为是无惯性的普通栅控电子管，当频率提因此在低频时可以认为是无惯性的普通栅控电子管，当频率提高到微波波段以后，就会由于电子的惯性而失去有效的控制作高到微波波段以后，就会由于电子的惯性而失去有效的控制作用，从而被建立在新原理基础上的用，从而被建立在新原理基础上的微波电子管、微波固体器件微波电子管、微波固体器件和量子器件和量子器件所代替。所代替。 1.1. 高频特性高频特性 二、微波的特点二、微波的特点 由于电磁波是以光速传播的，因此它从电路的一端传由于电磁波是以光速传播的，因此它从电路的一端传到另一端需

4、要一定的时间，这就是到另一端需要一定的时间，这就是“延时效应延时效应”。在低频。在低频电路中延时远小于振荡周期，可忽略电路中延时远小于振荡周期，可忽略; ;但在微波电路中延但在微波电路中延时可与周期相比拟，不能忽略。在简谐振荡情况下，这种时可与周期相比拟，不能忽略。在简谐振荡情况下，这种延时表现为延时表现为电路中的各点具有不同的相位电路中的各点具有不同的相位。 此外，如高频电流的趋肤效应、传输线的辐射效应等，此外，如高频电流的趋肤效应、传输线的辐射效应等，也随频率的提高而越来越显著，在微波波段不可忽略。也随频率的提高而越来越显著，在微波波段不可忽略。 更重要的是，由于微波的频率很高，因此在不太

5、大的相对更重要的是，由于微波的频率很高，因此在不太大的相对频宽下，可用频带却很宽，可达数百甚至上千频宽下，可用频带却很宽，可达数百甚至上千MHzMHz，这是，这是低频无线电波无法比拟的。频带宽意味着信息容量大，因低频无线电波无法比拟的。频带宽意味着信息容量大，因此微波具有巨大的信息传输潜力，使得它在需要很大信息此微波具有巨大的信息传输潜力，使得它在需要很大信息容量的场合得到了广泛的应用。容量的场合得到了广泛的应用。 微波的波长比一般宏观物体如建筑物、船舰、飞机等微波的波长比一般宏观物体如建筑物、船舰、飞机等的尺寸短的多，因此当微波波束照射到这些物体上时将产的尺寸短的多，因此当微波波束照射到这些

6、物体上时将产生显著的反射，一般地说，电磁波的波长越短，其传输特生显著的反射，一般地说，电磁波的波长越短，其传输特性就越接近于几何光学，波束地定向性和分辨能力就越高，性就越接近于几何光学，波束地定向性和分辨能力就越高，天线也可以做得更小。微波的波长短这一特点，对于雷达、天线也可以做得更小。微波的波长短这一特点，对于雷达、导航和通信等应用都是很重要的。导航和通信等应用都是很重要的。 此外，一般微波电路的尺寸可以和波长相比拟，使得此外，一般微波电路的尺寸可以和波长相比拟，使得电磁场的能量分布于整个微波电路之中，形成所谓的电磁场的能量分布于整个微波电路之中，形成所谓的“分分布参数布参数”；这与低频时电

7、场和磁场能量分别集中在各个元；这与低频时电场和磁场能量分别集中在各个元件中的所谓件中的所谓“集总参数集总参数”有原则的区别。有原则的区别。2. 短波特性 微波能穿透高空电离层，这一特点为天文微波能穿透高空电离层，这一特点为天文观测增加了一个观测增加了一个“窗口窗口”，使得射电天文学研，使得射电天文学研究成为可能。同时，微波能穿透电离层这一特究成为可能。同时，微波能穿透电离层这一特点又可被用来进行卫星通信和宇航通信。但另点又可被用来进行卫星通信和宇航通信。但另一方面，也正是由于微波不能为电离层所反射，一方面，也正是由于微波不能为电离层所反射，所以利用微波的地面通信只限于天线的视距范所以利用微波的

8、地面通信只限于天线的视距范围之内，远距离微波通信需用中继站接力。围之内，远距离微波通信需用中继站接力。3.3. 穿透性穿透性三、微波的应用三、微波的应用四、微波的分析方法四、微波的分析方法1.1.场的方法场的方法2.2.路的方法路的方法3.3.网络的方法网络的方法第五章 微波传输线5-1 概述 5-2 微波传输线的基本方程5-3 矩形波导5-4 圆波导5-5 同轴线5-6 微带线5-1 概述概述一、微波传输线的定义一、微波传输线的定义 引导超高频电磁波（微波）沿一定方向传输的系统称为引导超高频电磁波（微波）沿一定方向传输的系统称为微波传输线（导波系统）。微波传输线（导波系统）。 二、微波传输线

9、的种类二、微波传输线的种类1 1、双导体传输线、双导体传输线（TEM波、准TEM波）：平行双线频率平行双线频率低低米波米波同轴线同轴线分米波、厘米波或毫米波分米波、厘米波或毫米波带状线，功率低带状线，功率低厘米波或毫米波厘米波或毫米波微带线，功率低微带线，功率低厘米波或毫米波厘米波或毫米波2.2.金属波导管金属波导管（TE波、TM波色散波）：3.3.介质波导介质波导（表面波色散波）：三、微波传输线的共同特征三、微波传输线的共同特征沿轴向几何对称沿轴向几何对称能量不外泄能量不外泄能量沿轴向传输能量沿轴向传输Zu1u25-2 微波传输线的基本方程微波传输线的基本方程(导波方程导波方程)一、前提条件

10、一、前提条件 对由均匀填充介质的金属波导管建立坐标系, 设z轴与波导的轴线相重合。u 波导管内填充的介质是波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性均匀、线性、各向同性的的; ; u 波导管内波导管内无自由电荷和传导电流无自由电荷和传导电流的存在的存在; ;u 波导管内的为波导管内的为时谐场时谐场，沿轴向具有正，沿轴向具有正弦稳态解弦稳态解。波导方程波导方程Zu1u2 由电磁场理论由电磁场理论, , 对无源、自由空间电场和磁对无源、自由空间电场和磁场满足以下矢量亥姆霍兹方程场满足以下矢量亥姆霍兹方程: : 220Ek E220Hk H亥姆霍兹方程亥姆霍兹方程波动方程波动方程22k其中其中ztzt

11、HzHHEzEE将电场和磁场分解为横向分量和纵向分量022zzEkE022ttEkE022ttHkH022zzHkH二、导波方程二、导波方程22kkc截止波数Zu1u2zjzzeuuEzuuE),(),(2121022zzEkE2231 3121231112223331h hhhhhfffhh huhuuhuuhufzzzzzzEkzEhhzhhuEhhuuEhhuhhEkE2212122121121212211zzEkzEuEhhuuEhhuhhzz22222121121211zEkuEhhuuEhhuhhzz2222121121211为传输系统的本征值为传输系统的本征值传播常数由此得到导波

12、系统纵向场分量方程：由此得到导波系统纵向场分量方程：0122212112121zEkuEhhuuEhhuhhczz0122212112121zHkuHhhuuHhhuhhczz（过程略）（过程略）横向场分量可有横纵关系得到：横向场分量可有横纵关系得到：2211221122212211221122211 ,11 ,1uHhjuEhjkHuHhjuEhjkHuEhjuHhjkEuEhjuHhjkEzzczzczzczzc三、导波传输特征三、导波传输特征1.导行与截止导行与截止22ckk ckk 导行：0jkkc,0截止：传播常数传播常数导行时：导行时：ccfvkkvf22ccfvfv截止频率截止频率截止波长截止波长2211,ccckkkk此时导行条件：导行条件： 既满足导波方程又满足边界条件