西電微波課件 第1章 引論

1、微波技術(shù)基礎(chǔ)微波技術(shù)基礎(chǔ)主講教師：李海英主講教師：李海英 副教授副教授2022-4-212教材：教材：1、廖承恩、廖承恩 微波技術(shù)基礎(chǔ)微波技術(shù)基礎(chǔ) 2、梁昌洪、梁昌洪 簡(jiǎn)明微波簡(jiǎn)明微波3、David M. Pozar著，張肇儀譯著，張肇儀譯 微波工程微波工程先修課程：先修課程：電磁場(chǎng)與電磁波電磁場(chǎng)與電磁波 電動(dòng)力學(xué)電動(dòng)力學(xué)2022-4-2131 1、 引論（引論（4 4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）微波及其特點(diǎn)；微波技術(shù)的應(yīng)用；導(dǎo)行波及其一般傳輸特性；微波及其特點(diǎn)；微波技術(shù)的應(yīng)用；導(dǎo)行波及其一般傳輸特性；2 2、 傳輸線(xiàn)理論（傳輸線(xiàn)理論（1212學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）傳輸線(xiàn)方程及其解；分布參數(shù)阻抗；無(wú)耗傳輸線(xiàn)工作狀態(tài)分析

2、；傳輸線(xiàn)方程及其解；分布參數(shù)阻抗；無(wú)耗傳輸線(xiàn)工作狀態(tài)分析；有耗線(xiàn)的特性與計(jì)算；史密斯圓圖；阻抗匹配；習(xí)題課。有耗線(xiàn)的特性與計(jì)算；史密斯圓圖；阻抗匹配；習(xí)題課。3 3、 規(guī)則金屬波導(dǎo)（規(guī)則金屬波導(dǎo)（8 8學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）矩形波導(dǎo)；圓波導(dǎo)；同軸線(xiàn)；波導(dǎo)正規(guī)模的特性；習(xí)題課。矩形波導(dǎo)；圓波導(dǎo)；同軸線(xiàn)；波導(dǎo)正規(guī)模的特性；習(xí)題課。4 4、 微波集成傳輸線(xiàn)（微波集成傳輸線(xiàn)（6 6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）計(jì)算傳輸線(xiàn)特性阻抗的保角變換法；帶狀線(xiàn)；耦合帶狀線(xiàn)和耦計(jì)算傳輸線(xiàn)特性阻抗的保角變換法；帶狀線(xiàn)；耦合帶狀線(xiàn)和耦合微帶線(xiàn)；其他型式平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)。合微帶線(xiàn)；其他型式平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)。微波技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)計(jì)劃微波技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)計(jì)劃2022-4-

3、2145 5、 介質(zhì)波導(dǎo)與光纖（介質(zhì)波導(dǎo)與光纖（6 6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）表面波及其特性；表面波及其特性； 簡(jiǎn)單介質(zhì)波導(dǎo)；光纖。簡(jiǎn)單介質(zhì)波導(dǎo)；光纖。6 6、 微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（8 8學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）微波接頭的等效網(wǎng)絡(luò)；一端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性；阻抗和導(dǎo)納矩微波接頭的等效網(wǎng)絡(luò)；一端口網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性；阻抗和導(dǎo)納矩陣；散射矩陣；轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣；傳輸散射矩陣；習(xí)題課。陣；散射矩陣；轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣；傳輸散射矩陣；習(xí)題課。7 7、 微波諧振器（微波諧振器（6 6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）微波諧振器的基本特性與參數(shù)；傳輸線(xiàn)諧振器；金屬波導(dǎo)諧振微波諧振器的基本特性與參數(shù)；傳輸線(xiàn)諧振器；金屬波導(dǎo)諧振腔；腔； 介質(zhì)諧振器；諧振器的激勵(lì)；

4、諧振腔的微擾理論。介質(zhì)諧振器；諧振器的激勵(lì)；諧振腔的微擾理論。8 8、常用微波元件（、常用微波元件（6 6學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）端口微波元件及其特性（包括一端口，二端口，三端口與四端端口微波元件及其特性（包括一端口，二端口，三端口與四端口）口） 。2022-4-215麥克斯韋創(chuàng)立現(xiàn)代電磁學(xué)的基本概念，作為微波麥克斯韋創(chuàng)立現(xiàn)代電磁學(xué)的基本概念，作為微波技術(shù)的理論基礎(chǔ)，已有技術(shù)的理論基礎(chǔ)，已有100多年的歷史。多年的歷史。從第二次世界大戰(zhàn)微波技術(shù)第一個(gè)主要應(yīng)用從第二次世界大戰(zhàn)微波技術(shù)第一個(gè)主要應(yīng)用-雷雷達(dá)的強(qiáng)勁發(fā)展，到如今高頻固態(tài)器件、微波基層達(dá)的強(qiáng)勁發(fā)展，到如今高頻固態(tài)器件、微波基層電路及電路及MEMS微

5、機(jī)電機(jī)系統(tǒng)等微波技術(shù)應(yīng)用的微機(jī)電機(jī)系統(tǒng)等微波技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展，它已成為一門(mén)比較成熟的學(xué)科。迅速發(fā)展，它已成為一門(mén)比較成熟的學(xué)科。2022-4-216第第1 1章章 引引 論論 對(duì)與電磁場(chǎng)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)，微波技術(shù)是一門(mén)最重要的基礎(chǔ)對(duì)與電磁場(chǎng)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)，微波技術(shù)是一門(mén)最重要的基礎(chǔ)課程。課程。 電磁波按波長(zhǎng)電磁波按波長(zhǎng)(或頻率或頻率)劃分，大致可以把劃分，大致可以把300MHz3000GHz，(對(duì)應(yīng)空氣中波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)空氣中波長(zhǎng)是是1m 0.1mm)這一頻段的電磁這一頻段的電磁波稱(chēng)之為微波。它處于超短波和紅外光波之間。波稱(chēng)之為微波。它處于超短波和紅外光波之間。3000GHz 3000GHz 300GHz 3

6、00GHz 30GHz 30GHz 3GHz 3GHz（3000MHz3000MHz） 300MHz 300MHz亞毫米波（亞毫米波（THzTHz）毫米波毫米波 厘米波厘米波 分米波分米波Gamma rays X-rays Ultra-violet Visible Infrared Microwaves TV Radio111091081071061021011011-1 1-1 微波及其特點(diǎn)微波及其特點(diǎn)2022-4-217微波微波: 1 mm to 1 m wavelength. bands: (1 GHz = 109 Hz) P band: 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm

7、) L band: 1 - 2 GHz (15 - 30 cm) S band: 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm) C band: 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm) X band: 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm) Ku band: 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm) K band: 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm) Ka band: 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm)2022-4-218微波微波似光性似光性頻率高頻率高頻帶寬頻帶寬 穿透電離層穿透電離層 量子特性量子特性

8、衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 多路通信多路通信 空間探測(cè)研究空間探測(cè)研究 微波波譜學(xué)微波波譜學(xué) 微波的特點(diǎn)微波的特點(diǎn) 2022-4-219 1. 1. 微波的兩重性微波的兩重性 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)彈等，它顯示出粒子特點(diǎn)筑物、火箭、導(dǎo)彈等，它顯示出粒子特點(diǎn)即即似似光性光性或直線(xiàn)性；而對(duì)于相對(duì)尺寸小的物體，又顯示或直線(xiàn)性；而對(duì)于相對(duì)尺寸小的物體，又顯示出出波動(dòng)性波動(dòng)性。 2. 2. 微波與微波與“左鄰右舍左鄰右舍”的比較的比較微波的微波的“左鄰左鄰”是超短波和短波，而它的是超短波和短波，而它的“右舍右舍”又是紅外光波（或亞毫米波又是紅

9、外光波（或亞毫米波, ,太赫茲）太赫茲） 。 擴(kuò)展通訊通道，微擴(kuò)展通訊通道，微波通信和衛(wèi)星通信波通信和衛(wèi)星通信光波通過(guò)雨霧衰減很光波通過(guò)雨霧衰減很大，微波段穿透力強(qiáng)大，微波段穿透力強(qiáng)2022-4-2110 對(duì)流層微波傳播對(duì)流層微波傳播電離層短波傳播與電離層短波傳播與微波地空傳播微波地空傳播3. 3. 微波傳播微波傳播2022-4-21114. 4. 不少物質(zhì)的能級(jí)躍遷頻率落在微波的短波段，所不少物質(zhì)的能級(jí)躍遷頻率落在微波的短波段，所以有微波生物醫(yī)療、微波催化等應(yīng)用。以有微波生物醫(yī)療、微波催化等應(yīng)用。5. 5. 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算次數(shù)進(jìn)入十億次，其頻率也是微波計(jì)算機(jī)的運(yùn)算次數(shù)進(jìn)入十億次，其頻率也是微波

10、頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問(wèn)題。當(dāng)頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問(wèn)題。當(dāng)今熱點(diǎn)：微波集成電路（今熱點(diǎn)：微波集成電路（MICMIC）。）。6. 6. 微波研究方法主要有兩種：微波研究方法主要有兩種：場(chǎng)論的研究方法和網(wǎng)場(chǎng)論的研究方法和網(wǎng)絡(luò)的研究方法。絡(luò)的研究方法。這也是本門(mén)課程要學(xué)習(xí)的重要方法。這也是本門(mén)課程要學(xué)習(xí)的重要方法。其中其中場(chǎng)論方法的基礎(chǔ)是本征模理論。網(wǎng)絡(luò)方法的基礎(chǔ)場(chǎng)論方法的基礎(chǔ)是本征模理論。網(wǎng)絡(luò)方法的基礎(chǔ)是廣義傳輸線(xiàn)理論。是廣義傳輸線(xiàn)理論。 2022-4-2112一、微波技術(shù)的發(fā)展一、微波技術(shù)的發(fā)展 二、微波技術(shù)的應(yīng)用二、微波技術(shù)的應(yīng)用 1-2 1-2 微波技術(shù)的發(fā)

11、展和應(yīng)用微波技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用工作頻段向工作頻段向高頻段發(fā)展高頻段發(fā)展小型化小型化寬帶化寬帶化自動(dòng)化自動(dòng)化智能化智能化發(fā)展方向發(fā)展方向微波應(yīng)用微波應(yīng)用雷達(dá)雷達(dá)通信通信科學(xué)研究科學(xué)研究生物醫(yī)藥生物醫(yī)藥微波能微波能2022-4-2113麥克斯韋方程麥克斯韋方程克?；舴蚨煽讼；舴蚨蓤?chǎng)與路相結(jié)合場(chǎng)與路相結(jié)合場(chǎng)場(chǎng)路路研究方法研究方法基本內(nèi)容基本內(nèi)容1-3 1-3 微波技術(shù)的研究方法和基本內(nèi)容微波技術(shù)的研究方法和基本內(nèi)容2022-4-2114一、一、MaxwellMaxwell方程組的物理意義方程組的物理意義 從理論上講，一切電磁波從理論上講，一切電磁波( (包括光波包括光波) )在宏在宏觀媒質(zhì)中都服從

12、觀媒質(zhì)中都服從MaxwellMaxwell方程組。方程組。 0DHJtBEtDB DEBHJE1-4 1-4 導(dǎo)行波及其一般傳輸特性導(dǎo)行波及其一般傳輸特性2022-4-2115對(duì)于無(wú)源、均勻、各向同性、線(xiàn)性空間對(duì)于無(wú)源、均勻、各向同性、線(xiàn)性空間 EHtHEt 00DHtBEtDB 2222220 0EEtHHt波動(dòng)方程波動(dòng)方程2022-4-2116這兩個(gè)方程左邊物理量為磁這兩個(gè)方程左邊物理量為磁( (或電或電) )，而右邊物理量則，而右邊物理量則為電為電( (或磁或磁) )。深刻揭示了電與磁的相互轉(zhuǎn)化，相互依。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。賴(lài)，相互對(duì)立，

13、共存于統(tǒng)一的電磁波中。 EHHEtt 2222220 0EHEHtt其中，其中， 正好是光速，正好是光速，這也是光的電磁學(xué)這也是光的電磁學(xué)說(shuō)的重要依據(jù)。說(shuō)的重要依據(jù)。c 1/22222222110 0EHEHctct2022-4-2117頻率為頻率為的時(shí)諧場(chǎng)的時(shí)諧場(chǎng)Maxwell方程方程 HjEJEjH ()DJjEtJEj令令 復(fù)介電常數(shù)復(fù)介電常數(shù)HjEEjH 22220 0Ek EHk H復(fù)傳播常數(shù)復(fù)傳播常數(shù)赫姆霍赫姆霍茲方程茲方程k exp()j t時(shí)間因子時(shí)間因子2022-4-2118第一項(xiàng)為正向傳播波。如沿第一項(xiàng)為正向傳播波。如沿z z正向傳播，相位因子正向傳播，相位因子consta

14、nttkz0dtkdz全微分上式全微分上式波傳播速度波傳播速度 dzcdtk()()12jt k rjt k rEAeA e 12( , )cos()cos()eE z tREAtk rAtk r等相位面等相位面相速度相速度電磁波場(chǎng)電磁波場(chǎng)2022-4-2119對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)通解的表達(dá)形式對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)通解的表達(dá)形式 令令 ，或，或 稱(chēng)為特征阻抗稱(chēng)為特征阻抗1k12jkzjkzEAeA e電場(chǎng)強(qiáng)度通解的表達(dá)形式電場(chǎng)強(qiáng)度通解的表達(dá)形式( (略去時(shí)間因子）略去時(shí)間因子）HEjHt 1kHkEkE12()jkzjkzkHAeA ejk 2022-4-2120二、導(dǎo)行波概念及其場(chǎng)分析二、導(dǎo)行波概念及其場(chǎng)分析導(dǎo)行波

15、導(dǎo)行波概念和概念和分類(lèi)分類(lèi)導(dǎo)模導(dǎo)模特點(diǎn)特點(diǎn)2022-4-212100HjEEjHEB 在均勻、無(wú)耗、各向同性、無(wú)源導(dǎo)行系統(tǒng)中在均勻、無(wú)耗、各向同性、無(wú)源導(dǎo)行系統(tǒng)中設(shè)導(dǎo)波沿設(shè)導(dǎo)波沿z z向傳向傳播，坐標(biāo)播，坐標(biāo)z z與橫與橫向坐標(biāo)無(wú)關(guān)向坐標(biāo)無(wú)關(guān) /ttztzzzEEzEHHzH z2022-4-2122ttzztttHzHjEHzzzjE ttzztttEzEEjzjzzHH 2ttztHjzjzHEz ()()tttzHEjzzzEzzzzzz j乘/zz 2022-4-2123222ttztzkEEjzHzz 222ttztzkHHjzEzz 在規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中，導(dǎo)波場(chǎng)的橫向分量可用在規(guī)則導(dǎo)行

16、系統(tǒng)中，導(dǎo)波場(chǎng)的橫向分量可用縱向分量完全確定?？v向分量完全確定。2022-4-212422220 0Ek EHk H橫向場(chǎng)橫向場(chǎng)22220 0zzzzEk EHk H22220 0ttttEk EHk H2222( , )( , )0( , )( , )zztzzE z tE z tkH z tH z tz 縱向場(chǎng)縱向場(chǎng)2022-4-21252222( , )( , )0( , )( , )zztzzE z tE z tkH z tH z tz 1 1、分離變量法、分離變量法0( , )( )( )zzE z tZ z Et222200( )( )/( )( )tzzEtd Z zdzkEtZ

17、 z 2222200( )/( )0( )( )0tzczd Z zdzZ zEtk Etck和222ckk2022-4-21262 2、色散關(guān)系、色散關(guān)系222ckk22k 為導(dǎo)波的傳播常數(shù)或相移常數(shù)。為導(dǎo)波的傳播常數(shù)或相移常數(shù)。2221(/ )cckkkkk12( )exp()exp()Z zAj zAj z解：解：3 3、本征值方程、本征值方程2200( )( )0tzczEtk Etck為在特定邊界條件下的本征值，為在特定邊界條件下的本征值，稱(chēng)為導(dǎo)波的橫向截止波數(shù)。稱(chēng)為導(dǎo)波的橫向截止波數(shù)。222( )/( )0d Z zdzZ z2022-4-2127所以：規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中沿正所以：規(guī)則

18、導(dǎo)行系統(tǒng)中沿正z z方向傳播的導(dǎo)波縱向方向傳播的導(dǎo)波縱向場(chǎng)分量場(chǎng)分量00( , )( )exp()( , )( )exp()zzzzE t zEtj zH t zHtj z4 4、橫縱向場(chǎng)的關(guān)系、橫縱向場(chǎng)的關(guān)系222ttztzkEEjzHzz 2ttzhtzcjEEZHzk222ttztzkHHjzEzz 2ttzetzcjHHY zEk2022-4-21282ttzhtzcjEEZHzk2ttzetzcjHHY zEkhkZ ekY 2022-4-21295 5、導(dǎo)波的種類(lèi)、導(dǎo)波的種類(lèi)l橫磁波（橫磁波（TMTM）或電（）或電（E E）波）波0zH 2tetzcjEEk2etetzcjHY z

19、Ekl橫電波（橫電波（TE）或磁（）或磁（H）波）波0zE 2thhtzcjEZHzk2thtzcjHHk導(dǎo)行系統(tǒng)橫向?yàn)檎{(diào)和（振動(dòng)）解形式導(dǎo)行系統(tǒng)橫向?yàn)檎{(diào)和（振動(dòng)）解形式2220,ckk相速相速 ，快波，有色散性?？觳ǎ猩⑿?。/prc2022-4-2130l橫電磁波（橫電磁波（TEM）0zzEH0,0ttEH0ck k2ttzhtzcjEEZHzk2ttzetzcjHHY zEk及及0()0形式222ckk2022-4-21312221(/ )cckkkkk0ck kttzHjzE ttzEjzH 又由又由0000ttttEH ttztHzHzjEz ttztEzEzjHz 0000ttttEzHHzE djdzk / 固有阻抗固有阻抗且且202000( )0( )0ttttEtHt 同靜態(tài)場(chǎng)，導(dǎo)波的相速、群速與無(wú)耗媒同靜態(tài)場(chǎng)，導(dǎo)波的相速、群速與無(wú)耗媒質(zhì)平面波相同，無(wú)色散現(xiàn)象。質(zhì)平面波相同，無(wú)色散現(xiàn)象。(TEM(TEM波）波）2022-4-2132l混合波混合波20ck 導(dǎo)行系統(tǒng)橫向?yàn)樗p解形式，場(chǎng)被束縛在導(dǎo)行系導(dǎo)行系統(tǒng)橫向?yàn)樗p解形式，場(chǎng)被束縛在導(dǎo)行系統(tǒng)表面統(tǒng)表面表面波。表面波。三、導(dǎo)行波的一般傳輸特性三、導(dǎo)行波的一般傳輸特性1 1、導(dǎo)模的截止波長(zhǎng)與傳輸條件、導(dǎo)模的截止波長(zhǎng)與傳輸條件導(dǎo)行系統(tǒng)中某導(dǎo)模