Ch01lzl微波基礎(chǔ).ppt

第1章,微波概念,Microwave Concept,對(duì)電磁場(chǎng)與微波專(zhuān)業(yè)，微波技術(shù)是一門(mén)最重要的基礎(chǔ)課程。 究竟什么是微波？這是我們關(guān)心的首要問(wèn)題。 從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長(zhǎng)(或頻率)劃分，則大致可以把300MHz3000GHz，(對(duì)應(yīng)空氣中波長(zhǎng)是1m 0.1mm)這一頻段的電磁波稱(chēng)之為微波。縱觀(guān)“左鄰右舍”它處于超短波和紅外光波之間。,圖 1-1,一、Maxwell方程組的物理意義,作為注記：對(duì)于任何波，波長(zhǎng)和頻率與波速相關(guān) 因此，只用一個(gè)波長(zhǎng)(或頻率f)不能確定是何種波。例如，可以注意到聲波也有波長(zhǎng)，這樣就可構(gòu)成聲波與微波的相互作用。 把微波波段單獨(dú)列出來(lái)，必然有它的獨(dú)特原因，也必然構(gòu)成它獨(dú)特的研究方法。這正是本講要解決的主要問(wèn)題。,(1-1),從理論上講，一切電磁波(包括光波)在宏觀(guān)媒質(zhì)中都服從Maxwell方程組。因此，深入研究和考察它，將有助于了解電磁波動(dòng)的深入含義。 人類(lèi)首次實(shí)現(xiàn)的Hertz電磁波試驗(yàn)，從現(xiàn)在的眼光來(lái)看，只是一個(gè)極近距離上的電火花收發(fā)實(shí)驗(yàn)，完全不足為奇。然而，當(dāng)時(shí)卻轟動(dòng)了學(xué)術(shù)界。人們不得不坐下來(lái)認(rèn)真思索：電磁波這個(gè)東西沒(méi)有“腳”是怎么走過(guò)去的。用學(xué)術(shù)性的語(yǔ)言則可以說(shuō)是如何實(shí)現(xiàn)超距作用的。,一、Maxwell方程組的物理意義,于是，歷史選擇了Maxwell，一批年青的學(xué)者總結(jié)出電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即Maxwell方程組。同時(shí)，提出了Newton力學(xué)所沒(méi)有的嶄新概念場(chǎng)(Field的概念)。 Maxwell方程組中獨(dú)立方程主要表現(xiàn)為前面二個(gè)，即,一、Maxwell方程組的物理意義,(1-2),(1-3),這里，首先讓我們來(lái)探討一下上面方程內(nèi)含的哲學(xué)思想:,1. 這兩個(gè)方程左邊物理量為磁(或電)，而右邊物理量則為電(或磁)。這中間的等號(hào)深刻揭示了電與磁的相互轉(zhuǎn)化，相互依賴(lài)，相互對(duì)立，共存于統(tǒng)一的電磁波中。正是由于電不斷轉(zhuǎn)換為磁，而磁又不斷轉(zhuǎn)成為電，才會(huì)發(fā)生能量交換和貯存。,一、Maxwell方程組的物理意義,圖 1-2,值得指出：人類(lèi)對(duì)于電磁的相互轉(zhuǎn)化在認(rèn)識(shí)上走了很多彎路。其中Faraday起到關(guān)鍵的作用。Oersted首先發(fā)現(xiàn)電可轉(zhuǎn)化為磁(即線(xiàn)圈等效為磁鐵)，而Faraday堅(jiān)信磁也可以轉(zhuǎn)化為電。但是無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)均以失敗而告終。只是在10年無(wú)效工作后，沮喪的Faraday鬼使神差地把磁鐵一拔，奇跡出現(xiàn)了，連接線(xiàn)圈的電流計(jì)指針出現(xiàn)了晃動(dòng)。,電磁振蕩,單擺,一、Maxwell方程組的物理意義,圖 1-4,圖 1-3,這一實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)了電磁轉(zhuǎn)換，而且知道了只有動(dòng)磁才能轉(zhuǎn)換為電。 還需要提到：電磁轉(zhuǎn)換為電磁波的出現(xiàn)提供了可能，但不一定是現(xiàn)實(shí)。例如電磁振蕩也是典型的電磁轉(zhuǎn)換。而沒(méi)有引起波(Wave)。 作為力學(xué)類(lèi)比，電磁轉(zhuǎn)換猶如單擺問(wèn)題中的動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。,一、Maxwell方程組的物理意義,一、Maxwell方程組的物理意義,2. 進(jìn)一步研究Maxwell方程兩邊的運(yùn)算，從物理上看，運(yùn)算反映一種作用(Action)。方程的左邊是空間的運(yùn)算(旋度)；方程的右邊是時(shí)間的運(yùn)算(導(dǎo)數(shù))，中間用等號(hào)連接。它深刻揭示了電(或磁)場(chǎng)任一地點(diǎn)的變化會(huì)轉(zhuǎn)化成磁(或電)場(chǎng)時(shí)間的變化；反過(guò)來(lái)，場(chǎng)的時(shí)間變化也會(huì)轉(zhuǎn)化成地點(diǎn)變化。正是這種空間和時(shí)間的相互變化構(gòu)成了波動(dòng)的外在形式。用通俗的一句話(huà)來(lái)說(shuō)，即一個(gè)地點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)的事物，過(guò)了一段時(shí)間又在另一地點(diǎn)出現(xiàn)了。,一、Maxwell方程組的物理意義,圖 1-5,一、Maxwell方程組的物理意義,3. Maxwell方程還指出：電磁轉(zhuǎn)化有一個(gè)重要條件，即頻率。讓我們寫(xiě)出單色波頻域的Maxwell方程,只有較或者說(shuō)任何形式的信號(hào)高頻分量都包含很少高的，才能確保電磁的有效轉(zhuǎn)換，直流情況沒(méi)有轉(zhuǎn)換?？梢赃@樣說(shuō)，在高頻時(shí)封閉電路才有可能變成開(kāi)放電路。不過(guò)很有意思的是頻率愈高，越難出功率，這也是一個(gè)有趣的矛盾。,(1-4),(1-5),4. 在Maxwell方程中還存在另一對(duì)矛盾對(duì)抗，即,方程(1-2)右邊兩項(xiàng)，而方程(1-3)右邊一項(xiàng)，這就構(gòu)成了Maxwell方程本質(zhì)的不對(duì)稱(chēng)性。盡管為了找其對(duì)稱(chēng)性而一直在探索磁流 的存在，但到目前為止始終未果。,和 構(gòu)成一對(duì)矛盾，在時(shí)域中,(1-6),一、Maxwell方程組的物理意義,所以，也可以說(shuō)是 和 之間的矛盾，這一對(duì)矛盾主要反映媒質(zhì)情況。當(dāng) 稱(chēng)為導(dǎo)體，這種情況下波動(dòng)性降為次要矛盾，其情況是波長(zhǎng)縮短，波速減慢，且迅速衰減。波一進(jìn)入導(dǎo)體會(huì)“短命夭折”，這一問(wèn)題將在波導(dǎo)理論中作詳盡討論。波動(dòng)性不僅與有關(guān)，還與媒質(zhì)有關(guān)。,圖 1-6 波在導(dǎo)體中的衰減,一、Maxwell方程組的物理意義,二、波動(dòng)的客觀(guān)性和主觀(guān)性,現(xiàn)象是客觀(guān)存在的，客觀(guān)存在的事物一定能表現(xiàn)出來(lái)嗎?未必。它的表現(xiàn)與觀(guān)察者及環(huán)境有關(guān)。地球是一個(gè)圓球(嚴(yán)格地說(shuō)是似橢圓球)。但直至麥哲倫發(fā)現(xiàn)新大陸才算最后解決。因?yàn)槿伺c地球上的尺寸比太微小了?，F(xiàn)在，宇航員通過(guò)航天飛機(jī)清晰地看到了地球。 Einstein也精辟地說(shuō)過(guò)：如果存在假想的“電影銀幕二維人”，這些人類(lèi)能設(shè)想第三維嗎?同樣，波動(dòng)性客觀(guān)存在。但是，觀(guān)察波動(dòng)性卻與主觀(guān)和儀器有關(guān)，與尺寸有關(guān)，與時(shí)間有關(guān)。,例150周市電，要做11示波器看相位90變化的1/4波長(zhǎng)，示波器幅面要從西安到北京(約1500km)。因?yàn)?繞地球一圈只有三個(gè)波長(zhǎng)。,圖1-7 波長(zhǎng)長(zhǎng)的情況 圖1-8 波長(zhǎng)短的情況,二、波動(dòng)的客觀(guān)性和主觀(guān)性,例2光波是Newton和Huygens的著名爭(zhēng)論。Newton一方強(qiáng)調(diào)光的粒子性，事實(shí)上對(duì)于日常所見(jiàn)的物體，光確實(shí)表現(xiàn)為粒子直線(xiàn)性。但是，隨著顯微鏡的發(fā)展，要觀(guān)察極小物體時(shí)，即所觀(guān)察的物體大小與波長(zhǎng)可比擬時(shí)，無(wú)法觀(guān)察成功。這是因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)是光以直線(xiàn)傳播的于是人類(lèi)發(fā)明了電子顯微鏡。,二、波動(dòng)的客觀(guān)性和主觀(guān)性,圖1-9,討論到這里，我們對(duì)于微波波段有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。任何電磁波的波動(dòng)性是客觀(guān)存在。但是，微波波段在人體尺寸的范圍內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的波動(dòng)性。1.52.0米是人體的特征尺寸；0.1毫米約一根半頭發(fā)絲的粗細(xì)，是人體尺寸特征的下限。所以，我們?cè)谖⒉úǘ我肕axwell方程波動(dòng)力學(xué)加以解決。,二、波動(dòng)的客觀(guān)性和主觀(guān)性,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,上面已經(jīng)提及，微波問(wèn)題必須用Maxwell方程加以解決。但是，作為偏微分方程組的Maxwell方程又很難求解。因此，在微波中又探討第二種研究方法，即路的方法。 微波可以用路有它的客觀(guān)原因。因?yàn)椴徽撌堑皖l電路，或者微波，在工程應(yīng)用中都十分關(guān)心能量的傳輸情況。既然有著共同的方法本質(zhì)，我們就有可能作進(jìn)一步的研究。,圖 1-10 均勻平面波傳播,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,例3無(wú)限大無(wú)源 空間的均勻平面波研究波傳輸問(wèn)題。設(shè) 只有x分量， 只有y分量并不失一般性。波只有可能()z方向，且均勻平面波 不隨x，y變化。,均勻無(wú)源媒質(zhì) 均勻平面波,寫(xiě)出Maxwell方程組,上面這兩個(gè)方程也稱(chēng)為均勻平面波的傳播方程。,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,其中， 正好是光速，這也是光的電磁學(xué)說(shuō)的重要依據(jù)。,再次求導(dǎo),三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,采用時(shí)諧形式， 即設(shè)的時(shí)間因子，可得,思考問(wèn)題：在式(1-7)中哪一項(xiàng)表示向z方向的入射波？哪一項(xiàng)表示向-z方向的反射波？,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,(1-7),聯(lián)系上因子， 電場(chǎng)表示完整為,對(duì)于第一項(xiàng)的相位因子我們考慮等相位面,全微分上式,或者,因此第一項(xiàng)表示向z方向的入射波。,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,而第二項(xiàng)等相面表示向-z方向的反射波。 討論上面求解過(guò)程說(shuō)明： 波傳輸方程通解由入射波和反射波構(gòu)成； 波傳輸速度是光速； 波傳輸?shù)拿恳环N具體情況表現(xiàn)在入射波與反射波比例不同。這比例的具體情況由各個(gè)問(wèn)題的邊界媒質(zhì)情況而定，即所謂邊界條件(Boundary Conditions)。,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,例4兩種半無(wú)限大媒質(zhì)的反射情況 采用 時(shí)諧因子 利用z=0的邊界條件，電場(chǎng)切向分量和磁場(chǎng)切向分量必須連續(xù)，有 (1-8) 也即,(1-9),三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,補(bǔ)充：已經(jīng)知道電場(chǎng)通解的表達(dá)形式 代入 得到,令 ，或 稱(chēng)為波阻抗，即,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,圖 1-11,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,注意在波中出現(xiàn)了阻抗概念，它與R、L、C的低頻阻抗有所不同。 (1-11) 令為反射系數(shù) (1-12),三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,三、場(chǎng)的方法向路的方法轉(zhuǎn)化,討論衡量電磁波的反射和傳輸，我們引入了反射系數(shù) 和波阻抗 ,波阻抗與媒質(zhì)特性( )相關(guān)。換句話(huà)說(shuō)，媒質(zhì)的變化影響波的傳輸。 注記：在這里應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)，沒(méi)有反射條件，并不一定是相同的媒質(zhì)，而只要求 ,即兩者波阻抗相等。這一思想是波(不僅僅是電磁波)研究中的一個(gè)飛躍。吃透這一思想的竟是一個(gè)著名的科幻小說(shuō)家凡爾納，他根據(jù)這一原理，首先寫(xiě)出了膾炙人口的隱身人。 波阻抗是波研究中的重要特征量。,四、微波特點(diǎn),1. 微波的兩重性 微波的兩重性指的是對(duì)于尺寸大的物體，如建筑物火箭、導(dǎo)彈它顯示出粒子的特點(diǎn)即似光性或直線(xiàn)性而對(duì)于相對(duì)尺寸小的物體，又顯示出波動(dòng)性。 2. 微波與“左鄰右舍”的比較 微波的“左鄰”是超短波和短波，而它的“右舍”又是紅外光波。,3. 宇宙“窗口” 地球的外層空間由于日光等繁復(fù)的原因形成獨(dú)特的電離層，它對(duì)于短波幾乎全反射，這就是短波的天波通訊方式。而在微波波段則有若干個(gè)可以通過(guò)電離層的“宇宙窗口”。因而微波是獨(dú)特的宇宙通訊手段。,圖1-12 宇宙窗口,四、微波特點(diǎn),4. 不少物質(zhì)的能級(jí)躍遷頻率恰好落在