電磁場(chǎng)與微波技術(shù)緒論

1、 任課教師：楊天虹任課教師：楊天虹電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)Electromagnetic Fields and Microwave Technology緒緒 論論一、電磁場(chǎng)理論的主要研究領(lǐng)域一、電磁場(chǎng)理論的主要研究領(lǐng)域作為無(wú)線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，集中于三大類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題的研究。電磁場(chǎng)的主要研究領(lǐng)域 作為理論物理學(xué)的一個(gè)重要研究分支，主要致力于統(tǒng)一場(chǎng)理論和微觀量子電動(dòng)力學(xué)的研究。三大類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題： 電磁場(chǎng)（或電磁波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源，其研究領(lǐng)域涉及電磁能量的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、傳輸和綜合利用。 電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類(lèi)社 會(huì)發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究

2、領(lǐng)域?yàn)樾畔⒌漠a(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲(chǔ)存、處理、再現(xiàn)和綜合利用。 電磁波作為探測(cè)未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶挪ㄅc目標(biāo)的相互作用特性、目標(biāo)特征的獲取與重建、探測(cè)新技術(shù)等。 二、電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用和發(fā)展二、電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用和發(fā)展 廣播 1906年，美國(guó)費(fèi)森登用50千赫頻率發(fā)電機(jī)作發(fā) 射機(jī)，用微音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上 的報(bào)務(wù)員聽(tīng)到了他從波士頓播出的音樂(lè)。 無(wú)線電報(bào) 1895年，意大利馬可尼成功地進(jìn)行了2.5公里距離的無(wú)線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)。馬可尼以其在無(wú)線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。無(wú)線電報(bào)的發(fā)明，開(kāi)始了利用電磁波時(shí)期。 有線電話 1876年,美國(guó)A.

3、G.貝爾在美國(guó)建國(guó)100周年博覽會(huì)上展示了他所發(fā)明 的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開(kāi)來(lái)。雷達(dá) 二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為主要進(jìn)攻武器。英、美、德、法等國(guó)競(jìng)相研制一類(lèi)能夠早期警戒飛機(jī)的裝置。1936年，英國(guó)設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行。有效地警戒了來(lái)自德國(guó)的轟炸機(jī)。1938年，美國(guó)研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達(dá)的研制成為可能。1944年，能夠自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明,使雷達(dá)更加完善。在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達(dá)成了電磁場(chǎng)理論最活躍的部分。電視 1927年，英國(guó)貝爾德成功地用電話線路

4、把圖像從 倫敦傳至大西 洋中的船上。1931年，茲沃霄金組裝成世 界上 第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)。衛(wèi)星通信技術(shù) 1958年, 美國(guó)發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功,這是第一顆用于通信的試驗(yàn)衛(wèi)星。1964年,借助定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。1969年, 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國(guó)，這些衛(wèi)星地球站又和本國(guó)或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。當(dāng)今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達(dá)、廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控遙測(cè)，都是通過(guò)電磁波傳遞信息來(lái)進(jìn)行工作的。三、本課程

5、的任務(wù)三、本課程的任務(wù)接收機(jī)接收天線饋線下行波發(fā)射機(jī)發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波接收機(jī)接收天線接收機(jī)接收天線發(fā)射機(jī)發(fā)射天線饋線接收機(jī)接收天線導(dǎo)行波發(fā)射機(jī)發(fā)射天線饋線接收機(jī)接收天線 發(fā)射機(jī)末級(jí)回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過(guò)饋線送到發(fā)射天線，通過(guò)發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去；到了接收端，電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流，再經(jīng)饋線將高頻振蕩電流送到接收機(jī)輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個(gè)過(guò)程中，經(jīng)歷了電磁波的發(fā)射、傳播、接收等過(guò)程。 1.通信系統(tǒng)組成2.本課程任務(wù)研究載有信息的電磁波在無(wú)線信道及有線信道中的傳輸特性。四、本課程的特點(diǎn)四、本課程的特點(diǎn)1.理論推導(dǎo)與抽象思維多2.物理概念多3.所需的數(shù)學(xué)知識(shí)

6、多4.直觀性實(shí)驗(yàn)少五、完成本課程的對(duì)策五、完成本課程的對(duì)策1. 教師方面（1）強(qiáng)調(diào)物理概念，多做定性分析（2）嚴(yán)格要求學(xué)生，耐心輔導(dǎo)2. 學(xué)生方面（1）課上消化教學(xué)內(nèi)容（2）按時(shí)按質(zhì)按量完成作業(yè)（3）不懂就問(wèn)六、成績(jī)?cè)u(píng)定六、成績(jī)?cè)u(píng)定期末成績(jī)=作業(yè)成績(jī)（10%）+實(shí)驗(yàn)成績(jī)（10%）+卷面成績(jī)/論文成績(jī)（80%）注：作業(yè)準(zhǔn)備兩個(gè)本，每周上交一次八、參考書(shū)八、參考書(shū)1. 楊儒貴.電磁場(chǎng)與波簡(jiǎn)明教程.西安：西安交通大學(xué)出版社2. 孔金鷗.電磁波理論.北京：電子工業(yè)出版社3. 高建平,等.電波傳播典型題解析及自測(cè)試題.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社4. 任偉，等.電磁場(chǎng)與微波技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社5. 林

7、志璦，等。電磁場(chǎng)工程基礎(chǔ).北京：高等教育出版社6. 謝處方.電磁場(chǎng)與電磁波.北京：高等教育出版社七、教材七、教材電磁波工程基礎(chǔ)第一章第一章 矢量分析矢量分析 1-1 標(biāo)量、矢量及場(chǎng)的概念1-2 矢量的運(yùn)算規(guī)則1-3 正交坐標(biāo)系1-4 矢量的運(yùn)算方法1-5 空間微分元1-6 標(biāo)量函數(shù)（場(chǎng)）的梯度1-7 矢量場(chǎng)的散度1-8 矢量場(chǎng)的旋度1-9 場(chǎng)論（初步） 一、標(biāo)量一、標(biāo)量1.定義：定義：只有大小，沒(méi)有方向的物理量1.定義：既有大小又有方向且滿足平行四邊形法則的物理量如:力 、速度 、電場(chǎng) 等FEv如：如：溫度 T、長(zhǎng)度 l 等 1-1 1-1 標(biāo)量、矢量及場(chǎng)的概念標(biāo)量、矢量及場(chǎng)的概念 記法：記法

8、：A、T、a、t二、矢量二、矢量注：矢量書(shū)寫(xiě)時(shí)，注：矢量書(shū)寫(xiě)時(shí)，印刷體印刷體為場(chǎng)量符號(hào)加粗，如為場(chǎng)量符號(hào)加粗，如 A。教材上。教材上符號(hào)即為印刷體符號(hào)即為印刷體 記法： 、 Aa電流電流i是標(biāo)量還是矢量？是標(biāo)量還是矢量？|AA a矢量還可以表示為：5.單位矢量：模為1的矢量 記為： 、 一個(gè)矢量就表示成矢量的模與單位矢量的乘積。 Aa 3.矢量的相等：大小相等且方向相同注：兩個(gè)相等的矢量總可以經(jīng)過(guò)平移使它們完全重合4.矢量的負(fù)：大小相等且方向相反注：將矢量旋轉(zhuǎn)180度即為其負(fù)2.矢量的模：矢量的長(zhǎng)度或大小稱為其模，為正實(shí)數(shù) 記為：AA三、場(chǎng)的概念三、場(chǎng)的概念1.1.定義：廣義而言，具有分布特性

9、的物理量可視為具有相應(yīng)物理定義：廣義而言，具有分布特性的物理量可視為具有相應(yīng)物理意義的場(chǎng)。意義的場(chǎng)。 【分析分析】物理量在空間中以某種形式分布，若物理量在空間中以某種形式分布，若每一時(shí)刻每個(gè)位置每一時(shí)刻每個(gè)位置該物理量都有一個(gè)確定的值該物理量都有一個(gè)確定的值，則稱在該空間中確定了該物理量的則稱在該空間中確定了該物理量的場(chǎng)；即研究的是場(chǎng)；即研究的是某一區(qū)域某一段時(shí)間某一區(qū)域某一段時(shí)間的物理量的分布和變化規(guī)律。的物理量的分布和變化規(guī)律。2.分類(lèi) 按物理量的性質(zhì)按物理量的性質(zhì) 標(biāo)量場(chǎng)標(biāo)量場(chǎng) 物理量為標(biāo)量（溫度場(chǎng)物理量為標(biāo)量（溫度場(chǎng), ,電位場(chǎng)）電位場(chǎng)） 矢量場(chǎng)矢量場(chǎng) 物理量為矢量（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）物理量

10、為矢量（電場(chǎng)、磁場(chǎng)） 按物理量變化特性按物理量變化特性 靜態(tài)場(chǎng)靜態(tài)場(chǎng) 物理量不隨時(shí)間的變化而變化物理量不隨時(shí)間的變化而變化 時(shí)變場(chǎng)（動(dòng)態(tài)場(chǎng)）時(shí)變場(chǎng)（動(dòng)態(tài)場(chǎng)） 物理量隨時(shí)間的變化而變化物理量隨時(shí)間的變化而變化一.加法: 矢量加法是矢量的幾何和,服從平行四邊形規(guī)則。a.滿足交換律：ABBAb.滿足結(jié)合律：CABBACBAC()()()()ABCDACBD 1-2 1-2 矢量的運(yùn)算規(guī)則矢量的運(yùn)算規(guī)則zoyx根據(jù)矢量加法運(yùn)算：xyzAAAA在直角坐標(biāo)系下:AxAyAzA推論：求多個(gè)矢量相加，可讓它們首尾相連，結(jié)果為由第一個(gè)矢量的始端指向最后一個(gè)矢量的終端的矢量。二、減法：換成加法運(yùn)算()DABAB

11、BABDBAD三.矢量與標(biāo)量相乘（數(shù)乘）1.定義：0|00kkAk A akk方向不變，大小為|k|倍方向相反，大小為|k|倍2.性質(zhì)： 21212121321AfAfAAfAfAfAffAgfAfgfAAf（交換律）（結(jié)合律）（分配律）四. 矢量的標(biāo)量積（點(diǎn)積）：| |cosA BABBA1.定義： 2.性質(zhì)： 12A B B AA B DA B A D （交換律）（分配律）（3）垂直特性:當(dāng)兩個(gè)非零矢量點(diǎn)積為零,則這兩個(gè)矢量必正交。BABABA)00(0且兩矢量的點(diǎn)積含義：一矢量在另一矢量方向上的投影與另一矢量模的乘積，其結(jié)果是一標(biāo)量。BAAB若 則 ， 表示矢量 在矢量 方向上的投影。1

12、AABBBAcosABBA【注】 為標(biāo)量AB2322232000或AABB（1）不服從交換律：,A BB AA BB A （2）服從分配律：()AB CA BA C|sinABA BnBA n五. 矢量的矢量積（叉積）：1.定義：2.性質(zhì)：右手螺旋法則兩矢量叉積的含義： 其結(jié)果為一新矢量，其大小為這兩個(gè)矢量組成的平行四邊形的面積，方向?yàn)樵撁娴姆ň€方向，且三者符合右手螺旋法則。（3）不服從結(jié)合律：（4）平行特性：當(dāng)兩個(gè)非零矢量叉積為零，則這兩個(gè)矢量必平行。BABABA/000且()()AB CA BC六、三重積（混合積）：三個(gè)矢量相乘有以下幾種形式：()A B C矢量，標(biāo)量與矢量相乘。()ABC標(biāo)量，標(biāo)量三重積。矢量，矢量三重積。()ABC()()()ABCB A CC A B a.矢量三重積：b. 標(biāo)量三重積定義：|sincosABCA B C結(jié)論： 標(biāo)量三重積結(jié)果為三矢量構(gòu)成的平行六面