微波理論及應(yīng)用經(jīng)典

1、微波理論及應(yīng)用2011.09.191有事聯(lián)系我Email: 電話: 地點: 物理館 415#2考核方式作業(yè)： 23次，15%項目/論文綜述：1次（23人/組），15%考勤：4次（隨機抽查），10%考試：1次 ，60%3一、什么是微波？二、微波理論的主要應(yīng)用 三、電磁場理論及工程的發(fā)展簡史 四、課程內(nèi)容五、參考書目緒 論4一、什么是微波？二、微波理論的主要應(yīng)用 三、電磁場理論及工程的發(fā)展簡史 四、課程內(nèi)容五、參考書目緒 論5頻段2 音頻（VF)） 8 基低頻（VLF） 4 低 頻 （LF） 5 中 頻（MF） 6高 頻（HF） 7 甚高頻（VHF ） 8 特高頻（UHF） 9超高頻（SHF） 1

2、0極高頻（EHF） 11121314 超長波（VLW） 長波（LW） 中波（MW） 超短波（VSW）（米波）分米波厘米波毫米波 3Hz 30Hz 300Hz 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz105km 104km 103km 102km 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 100 10 1 （公里） （米） （厘米）（毫米） （微米） 無 線 電 電 磁 頻 譜 表 1 短波（SW） 音 頻雷達頻率微波頻段紅外視 頻1.1 微波的頻率范圍6無 線 電 電

3、 磁 頻 譜 表 27雷 達 電 磁 頻 譜 表8雷 達 電 磁 頻 譜 表9常 用 移 動 通 信 電 磁 頻 譜 表10 微波能像光線一樣在空氣或其他媒體中沿直線以光速傳播,在不同的媒體界面上存在入射和反射現(xiàn)象。這是因為微波的波長很短,比地球上的一般物體（如艦船、 飛機、 火箭、 導(dǎo)彈、 汽車、 房屋等）的幾何尺寸小的多或在同一個數(shù)量級。 當(dāng)微波照射到這些物體上時將產(chǎn)生明顯的反射,對于某些物體將會產(chǎn)生鏡面反射。因此,可以制成尺寸、 體積合適的天線,用來傳輸信息,實現(xiàn)通信；可接收物體所引起的回波或其他物體發(fā)射的微弱信號,用來確定物體的方向、距離和特征,實現(xiàn)雷達探測。1.2 微波的基本特性似光

4、性?11 微波照射某些物體時,能夠深入物體的內(nèi)部。微波（特別是厘米波段）信號能穿透電離層，成為人們探測外層空間的宇宙窗口； 能夠穿透云霧、 植被、 積雪和地表層,具有全天候的工作能力,是遙感技術(shù)的重要手段； 能夠穿透生物組織,是醫(yī)學(xué)透熱療法的重要方法； 能穿透等離子體，是等離子體診斷、 研究的重要手段。穿透性?12非電離性 一般情況下, 微波的量子能量還不夠大,不足以改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞物質(zhì)分子的鍵結(jié)構(gòu)。由物理學(xué)可知,在外加電磁場周期力的作用下,物質(zhì)內(nèi)分子、 原子和原子核會產(chǎn)生多種共振現(xiàn)象,其中,許多共振頻率就處于微波頻段。這就為研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了強有力的實驗手段,從而形成了一門獨

5、立的分支學(xué)科微波波譜學(xué)。13 微波頻帶比普通的中波、 短波和超短波的頻帶要寬幾千倍以上,這就意味著微波可以攜帶的信息量要比普通無線電波可能攜帶的信息量大的多。因此,現(xiàn)代生活中的移動通信、 多路通信、 圖像傳輸、 衛(wèi)星通信等設(shè)備全都使用微波作為傳送手段。 微波信號還可提供相位信息、 極化信息、 多普勒頻移信息等。這些特性可以被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)探測、 目標(biāo)特征分析、 遙測遙控、 遙感等領(lǐng)域。信息性14色散傳輸特性 電波傳播大氣窗口 36GHz(8mm), 94GHz(3.2mm) 電波傳播衰減峰 22GHz(15mm), 60GHz(5mm)15一、什么是微波？二、微波理論的主要應(yīng)用 三、電磁場理論

6、及工程的發(fā)展簡史 四、課程內(nèi)容五、參考書目緒 論16 微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、儲存、變換、傳輸和綜合利用。 微波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域為信息的產(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲存、處理、再現(xiàn)和綜合利用。 微波作為探測未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域為電磁波與目標(biāo)的相互作用特性、目標(biāo)特征的獲取與重建、探測新技術(shù)等。如：遙感、遙測、遙控 、無損電磁探傷等。微波理論的主要應(yīng)用17 典型應(yīng)用介紹無線通信系統(tǒng)雷達探測與隱身遙感與遙測衛(wèi)星導(dǎo)航電磁設(shè)計軟件開發(fā)射頻識別能源勘探醫(yī)學(xué)影像18一、什么是微波？二、

7、微波理論的主要應(yīng)用 三、電磁場理論及工程的發(fā)展簡史 四、課程內(nèi)容五、參考書目緒 論19三、電磁場理論及工程發(fā)展簡史1電磁場理論的早期研究 電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來現(xiàn)象，也最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻最大的有來頓、富蘭克林、伏打等科學(xué)家。 19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是由于這些研究（特別是伏打1799年發(fā)明了電池），為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。202電磁場理論的建立 18世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家謝林認(rèn)為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認(rèn)為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂；電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。 奧斯特是謝林的信徒，他從1807

8、年開始研究電磁之間的關(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。21 安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直，并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式。 法拉第在謝林的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識到，電可以對磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁捧插入導(dǎo)體線圈時；導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。22 麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問題，發(fā)展了場的概念。在法拉第實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引進位移電流

9、的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；與變化著的磁場產(chǎn)生電場相對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來表達電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。233電磁場理論的工程應(yīng)用和發(fā)展 1887年，德國科學(xué)家赫茲用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，用另一個帶隙的環(huán)狀天線接收，證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最引人注目的學(xué)科之一。24無線電報 1895年，意大利馬可尼成功地進行了2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年，波波夫進行了約250米距離的類似試驗, 1899年, 無

10、線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎金物理學(xué)獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。有線電話 1876年,美國A.G.貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來。25廣播 1906年，美國費森登用50千赫頻率發(fā)電機作發(fā)射機，用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年，第一個定時播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成。次年 ，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺。電視 1884年，德國尼普科夫提

11、出機械掃描電視的設(shè)想，1927年，英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金在1923和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)。26雷達（Radio Detection and Ranging） 二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機成為主要進攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。1936年，英國的瓦特設(shè)計的警戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達的研制成為可能。1944年，能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。19

12、45年，能消除背景干擾顯示運動目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明,使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達成了電磁場理論最活躍的部分。27衛(wèi)星通信技術(shù) 1958年, 美國發(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衛(wèi)星。1964年,借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。1969年, 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國，這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(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。28衛(wèi)星定位技術(shù) 1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們試圖將雷達引入衛(wèi)星，實現(xiàn)以衛(wèi)星為基

13、地對地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。1958年底，美國開始研究實施這一計劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國提出了由24顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案，即GPS計劃。它是英文Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字頭縮寫NAVSTAR/GPS的簡稱，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進行測時和測距。1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。29 全 球 定 位 系 統(tǒng) Global Positioning System(GPS)30一、什么是微波？二、微波理論的主

14、要應(yīng)用 三、電磁場理論及工程的發(fā)展簡史 四、課程內(nèi)容五、參考書目緒 論31接收機接收天線饋線下行波發(fā)射機發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波1. 微波系統(tǒng)的基本組成322. 課程內(nèi)容及安排電磁理論基礎(chǔ) 9 學(xué)時微波電路及元件 21學(xué)時電波傳播與天線 9 學(xué)時計算電磁方法及軟件介紹 3 學(xué)時研究進展綜述 3 學(xué)時微波系統(tǒng)及應(yīng)用 3 學(xué)時33一、什么是微波？二、微波理論的主要應(yīng)用 三、電磁波理論及工程的發(fā)展簡史 四、課程內(nèi)容五、參考書目緒 論34主要參考書 1 Robert R. Yang 等. Electromagnetic Fields and Waves. 2 謝處方,饒克謹(jǐn). 電磁場與電磁波. 第三版. 北

15、京: 高等教育出版社 3 Balanis. Advanced Engineering Electromagnetics. Wiley 出版 4 傅君眉, 馮恩信. 高等電磁理論. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2000 5 Pozar， Microwave Engineering， the 3rd Edition 6 黃香馥等， 微波固體電路 7 林為干, 微波網(wǎng)絡(luò) 8 R. Ludwig, P. Bretchko, 射頻電路設(shè)計-理論與應(yīng)用 9 中國傳播研究所,電波傳播 10 西電/成電, 天線原理 11 汪茂光等, 陣列天線分析與綜合 12 林昌祿主編, 天線工程手冊 13 J. Sale

16、hi著, 葉芝慧、趙新勝譯，通信系統(tǒng)工程 14 M.I. Skolnic, 雷達手冊 15 W. C. Chew,聶在平、柳清伙譯, 非均勻介質(zhì)中的場與波 35第一章 電磁理論基礎(chǔ)1.1 矢量分析1.2 麥克斯韋方程及邊界條件1.3 基本波函數(shù)1.4 均勻及平面分層介質(zhì)中的電磁波1.5 積分方程與格林函數(shù)361. 矢量和標(biāo)量 標(biāo)量：有大小，無方向的量。如：電荷，電流，能量，高度，質(zhì)量等。 矢量：即有大小，又有方向的量。如：電場，磁場，力，速度等。幅度, 單位矢量372. 矢量加法和減法1). 平行四邊形法則: 矢量和C是以A和B為邊組成的平行四邊形的對角線。2). 首尾法則: 將A的未端與B的始端相連，則C由A的始端指向B的未端。38矢量相減可以表示成下列矢量相加的特殊形式：39矢量運算遵從結(jié)合率和交換率：3. 矢量的乘運算3.1 與標(biāo)量相乘 403.2 矢量的內(nèi)積運算 兩個矢量求內(nèi)積，則 (1) 不大于兩矢量的模的乘積; (2) 即可以是正，也可以是負(fù)，取決于兩個矢量的夾角是否大于/2 ; (3) 等于一個矢量的模與另一個矢量在該矢量上的投影的乘積; (4) 當(dāng)兩矢量垂直時，內(nèi)積為0.41兩個相等矢量的內(nèi)積:矢量內(nèi)積服從分配率和結(jié)合率.Question:423.3 矢量叉乘 矢量A與B叉乘的結(jié)果是