電磁場與電磁波課件完整版-課件

1、電磁場與電磁波理論基礎(chǔ) 劉嵐 黃秋元等 編著 電子工業(yè)出版社普通高等學(xué)校電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)課類教材電磁場與電磁波理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解答學(xué)校出版社五樓，聯(lián)系人：胡天金漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 黃秋元電磁場與電磁波理論基礎(chǔ)通信技術(shù)研究所：/ict/課程交流群：72805284一、課程簡介二、電磁場理論的主要研究領(lǐng)域 三、磁場理論發(fā)展簡史 四、電磁場與電磁波基礎(chǔ)理論主要研究對象五、課程體系六、教材與參考書目七、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求緒 論一 、本課程學(xué)習(xí)的必要性隨著信息時代飛速發(fā)展，尤其是電子計算機運行速度和通信傳輸速率的不斷增加，系統(tǒng)的工作頻率或運行速度不斷攀升。帶來

2、的問題是什么？在通信系統(tǒng)中，不管是有線還是無線、數(shù)字還是模擬，其信號在信道的傳輸事實上都是電磁波的傳播。移動通信、衛(wèi)星通信、無線寬帶等無線通信應(yīng)用越來越廣泛，離不開電磁場與電磁波的理論電子工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，高速器件（或叫快速上升沿的器件）不斷的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致哪些問題的出現(xiàn)？電路設(shè)計人員需要用“場”來解釋電路與系統(tǒng)的居多問題為學(xué)習(xí)移動通信、微波技術(shù)、光纖通信等后續(xù)專業(yè)課程或從事電磁工程研究做好充分的準(zhǔn)備二、課程學(xué)習(xí)要重視的幾個問題是通信專業(yè)本科必須掌握的知識結(jié)構(gòu)之一。通過本課程的學(xué)習(xí)，使大家掌握電磁場的基本規(guī)律，深刻理解麥克斯韋方程組以及電磁場、電磁波的性質(zhì)；熟悉與掌握電磁場問題的數(shù)學(xué)模型（如

3、波動方程、拉氏方程等）的建立過程以及分析方法；培養(yǎng)大家正確的思維方法和分析問題的能力，使大家對“場”與“路”這兩種既密切相關(guān)又相距甚遠的理論有深刻的認識，并學(xué)會用“場”的觀點去分析和計算一些簡單、典型電磁問題；為從事高頻與高速電路設(shè)計、微波、天線、電子技術(shù)、通信和電磁兼容等領(lǐng)域的研究及解決實際問題打下必要的基礎(chǔ)電磁場是一個矢量場。不僅要知道場量大小，還要知道其方向，場是空間分布的，因此涉及到三維或四維的矢量微積分 運算。難點之一電磁場課程是理論性較強的實際問題分析，因此要重視物理概念和和表達式的物理意義。難點之二作為理論物理學(xué)的一個重要研究分支，主要致力于統(tǒng)一場理論和微觀量子電動力學(xué)的研究。電

4、磁場的重要研究領(lǐng)域作為無線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，集中于三大類應(yīng)用問題的研究。三、電磁場理論的主要研究領(lǐng)域射頻通信電路與高速通信電路的PCB設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計 電磁場（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。 電磁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。 三大類應(yīng)用問題：四、磁場理論發(fā)展簡史 1電磁場理論的早期研究

5、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)。18世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家謝林認為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認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。2電磁場理論的建立安培發(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，

6、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。 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

7、韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。3電磁場理論的應(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。 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

8、。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。 有線 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 。此后,有線 便迅速普及開來。 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，德國尼普科夫提出機械掃描電視的設(shè)想， 1927年，英國貝爾德成功地用 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。

9、 1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)。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。 1945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。衛(wèi)星通信技術(shù)

10、 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。 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

11、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。無線寬帶目前，我國常見的無線廣域通信網(wǎng)絡(luò)主要有CDMA、GPRS、CDPD等網(wǎng)絡(luò)制式類型 無線局域網(wǎng)：LMDS、MMDS、Wi-Fi、WiMAX、3G 、UWB、Bluetooth 等等研究電、磁相互作用的基本規(guī)律、以及電磁與物質(zhì)作用的基本規(guī)律電磁場系統(tǒng)的計

12、算方法，仿真技術(shù)分析工程技術(shù)應(yīng)用中的電磁場理論問題五、電磁場理論的主要研究對象當(dāng)今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達、廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控遙測，都是通過電磁波傳遞信息來進行工作的。因此以宏觀電磁理論為基礎(chǔ)，電磁信息的傳輸和轉(zhuǎn)換為核心的電磁場與電磁波工程技術(shù)將充分發(fā)揮其重要作用。下面以無線電通信系統(tǒng)為例來說明發(fā)射機末級回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，通過發(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輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個過程中，經(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。 接收機接收天線饋線下

13、行波發(fā)射機發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波傳輸導(dǎo)行電磁波發(fā)射天線接收天線傳播入射、反射、透射、繞射傳輸導(dǎo)行電磁波中、短波發(fā)射天線微波接力天線天線卡塞格侖天線MMDSA型微波天線MMDSC型微波天線對數(shù)周期天線手機電路組成通孔與微孔的電氣性能比較 高I/O數(shù)、細間距的BGA 封裝的芯片描述了一些新的面積陣列元件，這些元件要求采用微孔工藝實現(xiàn)信號的有效傳輸。左側(cè)是384個引腳焊料球、0.8mm間距的uBGA器件，右側(cè)是1247個引腳焊料柱、1.0mm間距的CCGA（Ceramic Column Grid Array）器件 多層板中最常見結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的電路與PCB 板設(shè)計在傳統(tǒng)的PCB設(shè)計流程中，依次由電路設(shè)計、版

14、圖設(shè)計、PCB制作、測量調(diào)試等步驟組成。其設(shè)計流程是單循環(huán)的 ：電路設(shè)計版圖設(shè)計PCB制作測量調(diào)試設(shè)計定稿修改設(shè)計多次重復(fù)傳統(tǒng)電路設(shè)計與PCB設(shè)計存在的問題傳統(tǒng)電路設(shè)計只能依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗：在實際PCB板設(shè)計過程中，由于對信號缺乏有效的信號傳輸特性分析方法和手段，電路的設(shè)計一般只能根據(jù)元器件廠家和專家建議及過去的設(shè)計經(jīng)驗來進行。所以對于一個新的設(shè)計項目而言，通常都很難根據(jù)具體情形作出信號拓撲結(jié)構(gòu)和元器件的參數(shù)等因素的正確選擇。 傳統(tǒng)的PCB版圖設(shè)計階段，同樣因為很難對PCB板的元器件布局和信號布線所產(chǎn)生的信號性能變化作出實時分析和評估，所以版圖設(shè)計的好壞更加依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗。在PCB板制

15、作階段，由于各PCB板及元器件生產(chǎn)廠家的工藝不完全相同，所以PCB板和元器件的參數(shù)一般都有較大的公差范圍，使得PCB板的性能更加難以控制。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)設(shè)計與PCB設(shè)計存在的問題傳統(tǒng)的設(shè)計方法事實上是一種問題補救法：致命弱點是流程中沒有控制點，設(shè)計過程不可控；設(shè)計進度、設(shè)計質(zhì)量過分依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗；設(shè)計結(jié)果不可預(yù)測，無法保證設(shè)計質(zhì)量；容易出現(xiàn)設(shè)計反復(fù)，設(shè)計周期長。這種方法與電子產(chǎn)品、通信產(chǎn)品競爭激烈、新產(chǎn)品上市的時間要求越來越短的特點相沖突因此傳統(tǒng)設(shè)計方法不適合高速通信系統(tǒng)的設(shè)計。事實上，越是在產(chǎn)品開發(fā)的后期，解決問題的手段則越高。電子系統(tǒng)的仿真一體化設(shè)計隨著電路速率與頻率的提高，電路與PC

16、B板設(shè)計必須考慮信號完整性問題，進入了仿真一體化設(shè)計階段要解決信號完整性問題，人們越來越依賴于采用基于信號仿真的一體化設(shè)計流程（如下圖）其基本思想為利用仿真技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計早期盡可能多的利用EDA技術(shù)，對原理圖和PCB板圖進行多點控制的設(shè)計過程。PCB板設(shè)計中利用解決信號完整性問題，提出滿足信號完整性要求、時序要求、EMC/EMI要求，并滿足加工制造與測試的總體方案和設(shè)計準(zhǔn)則，最大限度地降低產(chǎn)品成本，縮短研發(fā)周期。高速電路一體化仿真設(shè)計流程矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線同軸線微帶線傳輸線隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、電氣系統(tǒng)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。運行中的電子、電氣設(shè)備大多伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，使得高密

17、度、寬頻譜的電磁信息充滿整個人類的生存空間，構(gòu)成極其復(fù)雜的電磁環(huán)境，出現(xiàn)了電磁干擾和電磁污染。使電子系統(tǒng)受到嚴峻的挑戰(zhàn)，人類生存受到威脅。人們面臨的一個新問題就是如何提高電子系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常運行的能力，如何改善人類生存環(huán)境。在這樣的背景下提出了電磁兼容的概念，逐漸形成了一門新學(xué)科電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,簡寫為EMC）。電子系統(tǒng)的電磁兼容性的分析、計算、試驗都要用到大量的電磁場理論知識，應(yīng)用到電路的基礎(chǔ)知識，甚至生物醫(yī)學(xué)知識?？梢哉f，電磁兼容學(xué)科是電磁場學(xué)科和其他相關(guān)學(xué)科相結(jié)合而形成的新學(xué)科。電磁兼容 生物電磁學(xué)也是與電磁場相關(guān)聯(lián)的一門新學(xué)

18、科，它研究電磁場與生物系統(tǒng)的相互作用、相互影響的關(guān)系，電磁場與電磁波無疑是其討論的理論依據(jù)。生物電磁學(xué) 電磁場與電磁波理論基礎(chǔ) 麥克斯韋方程（1082）真空中電磁基礎(chǔ)方程推導(dǎo)介質(zhì)中：方程推導(dǎo)位函數(shù) ： 矢量位于標(biāo)量位靜態(tài)場求解（10）基本理論鏡像法分離變量法有限差分法電磁波（642）自由空間中的波非導(dǎo)電介質(zhì)中的波導(dǎo)體中的波六、本課程知識體系 矢量分析（15）難 點分析和處理問題的方法 數(shù)學(xué)處理過程課程基礎(chǔ)：矢量分析課程重點：第二、三章【1】電磁場與電磁波（3版）. 謝處方 饒克謹 編，高等教育出版社，1999。【2】微波技術(shù)與天線 . 盛振華 編著，出版社：西安電子科技大學(xué)出版社 1995年11月出版?！?】電磁場理論基礎(chǔ) . 主編：王薔 等 出版社：清華大學(xué)出版社 2001年2月出版?！?】 電磁場理論. 畢德顯，出版社：電子工業(yè)出版社?！?】 電動力學(xué) (第二版）. 郭碩鴻，高等教育出版社，1997?！?】 Electromagn