电磁场与微波 绪论

电磁场与微波通信工程专业课程主讲教师：QL334

杜丰

fun@教材和参考书教材：盛振华，电磁场微波技术与天线，西安电子科大

参考书：1．谢处方，电磁场与电磁波，人民教育1987年第2版2．赵家陞，电磁场与微波技术，华中理工1990年第1版3．姚光圻，微波技术基础，西南交大1993年第1版4．刘学观，微波技术与天线，2001年第1版5．水启刚，微波与光导波技术，浙大1996年第1版6．高建平，电波传播，2002年第1版7．毕岗，电磁场与微波，2007浙大第2版太多的疑问为什么要学?三大目标怎么才能学好??

情期末考试难不难???三七而开，奖罚分明个人奖励：找错误、提观点、写文章团体奖励：科学辩论个人罚分：出勤考核学习方法安排：56=48（理论）+8（实验）学时方法：“场”和“路”第一章电磁场……“场”第二章传输线理论……“路”第三章金属波导传输线……“场”第四章微波网络基础……化“场”为“路”

第五章微波元件……等效成微波网络前导课：普通物理电磁学、通信电子线路后续课：光纤通信

电磁波发展史

奥斯特

法拉第

麦克斯韦

赫兹波波夫马可尼近200年研究内容建立电、磁场规律确定表征量总结电、磁现象规律揭示时变情况下

电磁相互依存关系微波的概念及波段划分微波是一种频率非常高的电磁波对应的频率范围:

1m～0.1mm对应的频率范围:

3×108Hz～3×1012Hzγ射线如果没有微波？没有交通没有通信没有电视没有微博没有食物没有电力微波的左亲右邻f中频MF高频HF甚高频VHFλ中波MW短波SW超短波SSW高频光导波：目前主要研究0.5～10μm（可见光到近红外）

低频高频微波红外线可见光紫外线x射线γ射线f102KHz102KHz～102MHz102MHz～103GHzλ100

～0.76μm0.76

～0.40μm微波波段划分波段波长范围频率范围波段名称分米波1m～10cm0.3～3GHz特高频（UHF）厘米波10cm～1cm3～30GHz超高频（SHF）毫米波1cm～1mm30～300GHz极高频（EHF）微波波段代号及对应频率范围波段频率范围（GHz）波段频率范围（GHz）UHF0.30～1.12Ka26.50～40.00L（22cm）1.12～1.70Q（8mm）33.00～50.00LS1.70～2.60U40.00～60.00S（10cm）2.60～3.95M50.00～75.00C（5cm）3.95～5.85E60.00～90.00XC5.85～8.20F90.00～140.0X（3cm）8.20～12.40G140.0～220.0Ku（2cm）12.40～18.00R220.0～325.0K（1.25cm）18.00～26.50

1996.8中星5号停播后我国收看电视节目的几颗主要卫星台名下行中心频率极化方向CCTV-4（PAL）3960MHzH（水平）河南（压缩）3760MHzH广东（压缩）3840MHzHCCTV-4（NTSC）

12470MHzHCCTV-3、5、6、7、812350MHzV（垂直）100.5▫E，亚洲2号，1996.5升空，24个C波段转发器、9个Ku波段转发器1997．内蒙、湖北、湖南、福建、青海、江西、辽宁、广西：C波段

台名下行中心频率极化方向CCTV-13860MHzVCCTV-24180MHzV浙江4020MHzV山东4100MHzV四川4080MHzH新疆4120MHzH西藏4040MHzH134▫E，亚太1A，1996.7升空，8个C波段转发器1996.8中星5号停播后我国收看电视节目的几颗主要卫星台名下行中心频率极化方向CETV-13880MHzHCETV-23840MHzHCETV-33800MHzH138▫E，亚太1号，1994年升空，24个C波段转发器

台名下行中心频率极化方向云南4040MHzH贵州3760MHzH凤凰卫视4000MHzH105.5▫E，亚州1号，24个C波段转发器

1996.8中星5号停播后我国收看电视节目的几颗主要卫星目前我国电视直播主卫星台名下行中心频率极化方向CCTV-1、CCTV-211880MHzV青海、西藏、内蒙古11960MHzVCCTV-3、CCTV-512060MHzH浙江、安徽、辽宁12100MHzH92.2▫E，中星9号，2008.6升空，22个Ku波段转发器台名下行中心频率极化方向广东、深圳3845MHzHCCTV-1、CCTV-24080MHzHCCTV-3、CCTV-54160MHzH126.4▫E，鑫诺6号，2010.9升空，24个C波段转发器、8个Ku波段转发器微波的特点

似光性定位天线频率高

多路通信

穿透电离层

天文学研究

量子特性微波波谱学微波微波的特点应用

波长短（0.1mm—1m）

当λ<<物体尺寸时具有似光性，易于实现窄波束定向辐射，且视距传播1、雷达：包括军用雷达、导航雷达、气象雷达、汽车防撞雷达（1）λ<<建筑物、目标（飞机、军舰等），引起反射（2）为定向辐射，必须使用尺寸>>λ的天线

常用抛物面天线，发射电磁波的波束角θ=140▫/（D/λ）其中：D—抛物面直径，λ—波长①θ=5▫，C波段λ=5cm，D=140cm②朝晖校区信息楼顶，D=6m，λ=5cm，θ=1.167▫（窄波束）③θ=5▫，X波段，λ=3cm，D=84cm，可装在飞机上2．（地面）微波中继（接力）视距传播通信：50Km数字微波：2、4、6、7、8、9、11、12、20GHz邮电、铁道、电力、石油、公安等微波的特点应用

能穿透电离层

短波可经电离层反射1．卫星通信

SC（SatelliteCommunication）

VSAT（VerySmallApertureTerminal甚小口径终端）2．无线电定位：GPS3．散射通信：对流层不均匀气团散射，中继距离达几百Km

微波的特点应用

微波热效应和微波能应用1．微波加热

热效率高、加热迅速热透深度大（约4cm）加热均匀（里外一起热）粮食、茶叶、卷烟、木材、纸张、皮革、蚕丝、纺织、食品

等工农业生产加工部门2．微波理疗、针灸、治癌

3．空间太阳能发电站微波传输

新闻链接

天宫一号是中国首个空间实验室和空间目标飞行器，于2011年9月发射升空。2011年11月3日，神舟八号飞船与天宫一号在距地球343公里的轨道实现自动对接，使中国成为世界上第三个掌握空间飞行器交会对接能力航天大国。2012年6月18日，神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器实现自动交会对接，这是中国实施的首次载人空间交会对接。上天新闻链接

1975年2月4日，中国成功预报辽宁海城地震，创造了联合国迄今为止所承认的唯一一个准确预报的地震案例。目前，日本是世界上唯一的在地震预报上保持着庞大研究计划的国家，其一年用于地震预报研究的预算达到106亿日元（1.09亿美元）。入地新闻链接

2010年11月5日，我国自主研制的新一代太阳同步轨道气象卫星风云三号B星在太原卫星发射中心由长征四号丙遥七运载火箭发射入轨，设计寿命3年。这标志着中国极轨气象卫星真正实现了升级换代，也标志着中国气象卫星达到了世界先进水平。看天新闻链接

2012年6月27日5时29分，“蛟龙号”开始7000米级海试的第5次下潜，经过3个多小时的下潜，于11时47分潜至7062.68米。16时10分许，“蛟龙号”结束海试，并成功回收至“向阳红09”船，再次刷新同类型潜水器下潜深度纪录。下海新闻链接

2011年8月3日，中石油公司在塔里木油田的勘探再获突破，发现了一批储量巨大的天然气田，其中大北气田和克深气田的储量都达到2000亿立方米。目前中国还拥有春晓、平湖、残雪、断桥等储量达700亿立方米以上的海上油气田，占地面积达2.2万平方公里，相当于2/3个台湾省。寻宝微波技术的发展应用技术发展技术应用研究方法和基本内容麦克斯韦方程第三章基尔霍夫定律第二章场与路相结合第四章场路研究方法基本内容场路电磁学的先驱们奥斯特，HansChristianOersted，Denmark，1777-18511794年，考入哥本哈根大学1799年，获博士学位1806年起，任哥本哈根大学物理学教授1829年，出任哥本哈根理工学院院长

1820/4，发现电流的磁效应1820/7/21，《关于磁针上电冲突作用的实验》

1822年，对液体和气体的压缩性进行了实验研究1825年，提炼出铝，但纯度不高1908年，丹麦自然科学促进协会建立“奥斯特奖章”1934年，以“奥斯特”命名CGS单位制中的磁场强度单位1937年，美国物理教师协会设立“奥斯特奖章”电磁学的开山祖师电磁学的先驱们法拉第，MichaelFaraday，U.K.，1791-18671813年，皇家研究院实验室助理研究员

1816年，发表第一篇化学论文

1821年，转向电磁学研究

1831年，提出“电磁感应”理论1852年，提出“场”理论

引入电力线、磁力线的概念，1834年，从实验得出电解定律，证明了电荷不连续性1837年，发现电介质对电容的影响，引入了相对介电系数概念。

1845年，发现磁光效应1825年，成为皇家学院教授1851年，被一致推选为英国皇家学会会长，但被他坚决推辞1855年，发表巨著《电的实验研究》

19世纪电磁学领域最伟大的实验物理学家电磁学的先驱们麦克斯韦，JamesMaxwell，U.K.，1831—187915岁发表数学论文，16岁考入爱丁堡大学1850年，转入剑桥大学先后任多家大学物理学教授1861年，提出了感生电场与位移电流假说

预言了电磁波的存在

1855—1856年，第一篇论文《论法拉第的力线》1861年，提出位移电流的概念

1864年，《电磁场动力论》1868年，《关于光的电磁理论》

1873年，《电学和磁学通论》，提出麦克斯韦方程组

(11式)后期筹建卡文迪许实验室并担任第一任主任

电磁理论创始人之一电磁学的先驱们赫兹，HeinrichRudolfHertz，Germany，1857—1894青少年时期在数学、物理实验方面显示了出众的才华与能力

1877年考入慕尼黑大学，次年转入柏林大学，师从亥姆霍兹1883年任基尔大学物理学讲师

1885年，任卡尔鲁厄大学物理学教授1889年，接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授

1884年，提出源和场统一的思想，改写麦克斯韦方程1886年10月，提出电磁扰动可以产生电磁波1887年11月5日，《论绝缘体中电扰动产生的电磁效应》

1888年1月21日，《论电动力学作用的传播速度》，发现电磁波1894年1月1日，因血液中毒在波恩逝世，年仅36岁电磁波之父电磁学的先驱们库仑，CharlesAugustindeCoulomb，France，1736—1806幼年在巴黎读书。长大后留在巴黎研究数学和自然科学

1761年，毕业于军事工程学校，任军事工程师，后因健康原因退伍1773年，发表材料强度论文，设计“水下作业法”1776年，参加法国科学院会议，开始研究磁力1777年，改良航海指南针磁针，获得法国科学院悬赏1777年，发明库仑秤，测量微力1781年，提出滑动摩擦公式

1782年，当选法国科学院院士

1785至1789年，发表《电气与磁性》七卷著作，提出库仑定律1788年，把库仑定律结果推广到两个磁极之间的相互作用法国大革命时期辞去公职，拿破仑执政后恢复公职1806年8月23日，因病在巴黎逝世，终年七十岁电学和磁学从定性到定量研究的里程碑

电磁学的先驱们卡文迪许，HenryCavendish

，U.K.，1731-1810幼年丧母，性格孤独而羞怯1749年，进入剑桥的圣彼得学院1753年，离开剑桥留学法国，后返回伦敦与父亲建设实验室1760年，成为皇家学会会员

1766年，发表《人造气体》，开辟化学新纪元

研究动力学，1798年，通过扭秤实验验证牛顿万有引力定律确定了万有引力常数和地球的平均密度，第一个称量地球的人电学研究成就非凡，但均未公开发表，后由Maxwell整理成书研究热力学1803年，当选为法国科学院外国院士最古怪的科学家1810年3月10日

，老死于家中，终年七十九岁后代捐款建设卡文迪许实验室化学中的牛顿开创了弱力测量的新时代十八世纪英国科学界智商最高的人

最富有的学者，最有学问的富翁电磁学的先驱们安培，AndréMarieAmpère，France，1775—1836

数学天才，12岁学习微积分，13岁发表关于螺旋线的论文18岁，通晓意大利语、拉丁语和希腊语

33岁前致力于纯粹数学的研究

1808年，任法兰西大学的学监，并终身保持职位1814年，成为法国科学院成员和教授

1808-1815年，致力于化学研究，并和盖-吕萨克合作

1809-1819年，任理工学校数学教授1819年，巴黎大学文学系哲学教授；1820年，天文学教授1820年至1827年，致力于研究电磁学，几个月内研究成果为：

安培定则、电流导线相互作用规律、电流计、分子电流假说、安培定律

1824年，法兰西学院天文学教授1827年，重要著作《完全从实验导出的电动力学现象的数学理论》1836年6月10日，在巡视法国各大学途经马赛时逝世，终年61岁

电学中的牛顿电动力学的先创者伟大才智被滥用的科学家电磁学的先驱们爱因斯坦，AlbertEinstein

，Germany，1879～1955

幼时举家迁往慕尼黑，少年时代求学坎坷16岁，第一篇论文《关于磁场中的以太的研究现状》1894，再次迁居意大利，退学并放弃国籍；1896考入ETH

大学期间自由散漫，毕业即失业；1902就业；1903初婚1905获苏黎世大学哲学博士学位，开始辉煌的一年

发表于《物理学年鉴》的4篇论文：《分子体积的新测定方法》、《关于光的产生和转化的一个启发性观点》、《论动体的电动力学》、《物体的惯性同它所含有的能量有关吗？》

1908年兼任伯尔尼大学编外讲师

1909年经普朗克推荐任苏黎士大学理论物理学副教授1911年任布拉格德语大学理论物理学教授1912年任母校苏黎世联邦工业大学教授1914年，应M.普朗克和W.能斯脱的邀请任威廉皇帝

物理研究所所长兼柏林大学教授，离婚

电磁学的先驱们爱因斯坦，AlbertEinstein

，Germany，1879～1955

1916年，发表《广义相对论的基础》，建立了广义相对论1919年，与表妹再婚根据广义相对论作出光线经过太阳引力场要弯曲1.75秒的预言1919年，英国天文学家A.S.爱丁顿观测日全食证实，全世界轰动1921年，陪伴C.魏兹曼到美国寻求建立犹太人国家支持1921年，因“光电效应规律”获诺贝尔物理学奖1920’s，奔波欧、美、远东各地讲学，发表《统一场论》1933年，受纳粹政权迫害而迁居美国，定居新泽西州普林斯顿，

任普林斯顿高等研究院教授至退休1939年，获悉铀核裂变及其链式反应的发现，在匈牙利物理学家

L.西拉德推动下，上书罗斯福总统，建议研制原子弹，以防德国占先终生和平主义者，对投掷原子弹强烈不满；战后参与废除核武器运动1952年，拒绝出任以色列总统1955年4月18日，主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿，“三无一保密”20世纪最伟大的自然科学家物理学革命的旗手电磁学的先驱们牛顿，IsaacNewton，U.K.，1642～1727

遗腹子，由外婆抚养，十二岁进入皇家中学，一无是处

1658年辍学务农，1661年考入剑桥大学三一学院1664，选为优等生；1665毕业留校读特别研究生1665.6，剑桥因鼠疫关闭，在乌尔索普农庄

孕育微积分、万有引力定律、色散原理1667年回到剑桥，翌年获硕士学位1669年开始当数学讲座教授，时年26岁

1683.5，完成《自然哲学的数学原理》，1687.7.5出版，时年44岁包括三大运动定律和万有引力定律，是人类对自然界认识第一次大综合书稿极其深奥，无人能懂广受神学界批评，1692精神错乱，两年后康复电磁学的先驱们牛顿，IsaacNewton，U.K.，1642～1727

1689、1701年，两次以剑桥大学代表身份被选入议会1696年，皇家造币厂监督；1699年，造币厂厂长，巴黎科学院院士1703年，任皇家学会会长直到逝世1703，《光学》，提出光粒子说1705年，因科学研究和币制改革被女王授予爵士爵位终生未婚，晚年由侄女照顾生命后二三十年，转而研究神学，科学上几乎没有贡献如果说我比多数人看得远一些的话，那是因为我站在巨人们的肩上。”

巨人列表：欧几里德的数学、阿基米德的静力学、开普勒的行星运动规律、伽利略的动力理论、笛卡儿的动量守恒、惠更斯的向心力等。

科学方法：以培根的实验归纳法为基础，吸收笛卡儿的数学演绎体系，形成了比较全面的科学方法。

1727年3月20日病逝，享年85岁死后作为自然科学家第一个获得国葬，长眠于威斯敏特教堂整个物理学、近代自然科学奠基人电磁学的先驱们马可尼，GuglielmoMarcheseMarconi,

Italy，1874~1937家境富裕，从小喜欢读书实验1894年，决心继承赫兹衣钵，开拓无线电通信事业1895年，在家中实验，距离3公里，郁闷于意大利1896，回到英国，获得无线电通信发明专利1897年5月18日,横跨布里斯托尔海峡的14公里无线电通信成功同年成立全球第一家马可尼无线电报通信有限公司1899年3月28日，在英国南福兰角与法国维姆勒之间31英里的通信，

实现了英国与欧洲大陆的无线电通信。1899年11月22日，成立美国马可尼无线电电报公司1900年10月，建立英国普耳杜10千瓦大功率发射台1901年12月，完成加拿大纽芬兰市与普耳杜电台无线电通信实验，

推动无线电通信走向了全面实用的阶段1909年与卡尔·布劳恩共同获得1909年度诺贝尔物理学奖1937年7月20日，病逝于罗马。罗马国葬；英国邮电局业务中断2分种无线电报之父电磁学的先驱们波波夫,Aleksandr

StepanovichPopov，Russia，1859～1906小时学会木工，12岁转学电工技术18岁考入彼得堡大学数学物理系，不久转入森林学院学习1882年毕业，受聘琅施塔得水雷学校任教1888年，赫兹发现电磁波，树立了指挥电磁波飞越全世界的理想1894年，发明磁波接收机，用世界上第一根天线检测雷电1895年5月7日，发表论文《金属粉末与电振荡的关系》，现场演示1896年3月24日，和助手进行无线电传递莫尔斯电码表演。距离250米

发出世界上第一份无线电报1897年夏,在相隔5千米的军舰非洲号和欧洲号之间通信1900年初，通信距离达到45千米为沙俄封建统治所累1906年1月16日，因脑溢血突发去世，年仅47岁无线电报之父电磁学的先驱们薛定谔，ErwinSchrodinger，Austria，1887-1961儿时显山露水，19岁考入维也纳大学物理系1910，获哲学博士学位，就业维也纳大学第二物理研究所1921，任苏黎士大学数学物理学教授，成婚，性情中人1925，研究量子气体理论研究，《论爱因斯坦的气体理论》1926年1~6月，提出“薛定谔”方程，创立波动力学1926.3.30，证明波动力学和矩阵力学数学等价性

1927，接替普朗克出任柏林大学物理学教授，成为普鲁士科学院院士1933，反对法西斯统治，辞职，与狄拉克分享诺贝尔物理学奖1933~1936，牛津大学任教1939.10，爱尔兰研究所工作，进一步研究波动力学统一场论、宇宙论1948，发表《生命是什么》，成为分子生物学先驱1956，维也纳大学物理研究所，获得奥地利政府颁发第一届薛定谔奖1961年1月4日病逝于阿尔卑包赫山村电磁学的先驱们薛定谔，ErwinSchrodinger，Austria，1887-1961薛定谔之猫波动力学之父电磁学的先驱们惠更斯，christiaanHuygens，Netherlands，1629～1695高干子弟，自幼聪明好学，思想敏捷，多才多艺，动手能力强16岁进莱顿大学，两年后转人布雷达大学，1655年获法学博士学位

数学天才出众，22岁发表曲线论文，研究平面曲线、概率论、微积分1655，出访法国，与知名科学家会面，开始研究天文学同年用自制望远镜解决“土星怪现象”，后发现土卫六、猎户座星云1652~1656，利用相对性确立动量守恒，发明摆钟，出版《摆钟论》1657，《论赌博中的计算》，论证概率论1659，研究离心力，获得了圆周运动离心力值

1660，回访巴黎，觐见国王路易十四，回国研究声学1664，再次到巴黎，受资助成立实验室，研究力学1666，受路易十四邀请成为新建法国科学院院士1672，提出光波动理论（惠更斯原理），1690出版巨著《光