微波基礎(chǔ)一課件

第1章MicrowaveConcept對電磁場與微波專業(yè)，《微波技術(shù)》是一門最重要的基礎(chǔ)課程。究竟什么是微波？這是我們關(guān)心的首要問題。從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長(或頻率)劃分，則大致可以把300MHz—3000GHz，(對應(yīng)空氣中波長λ是1m—0.1mm)這一頻段的電磁波稱之為微波?？v觀“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：對于任何波，波長和頻率與波速相關(guān)

因此，只用一個波長λ(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，這樣就可構(gòu)成聲波與微波的相互作用。把微波波段單獨列出來，必然有它的獨特原因，也必然構(gòu)成它獨特的研究方法。這正是本講要解決的主要問題。(1-1)

從理論上講，一切電磁波(包括光波)在宏觀媒質(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的深入含義。人類首次實現(xiàn)的Hertz電磁波試驗，從現(xiàn)在的眼光來看，只是一個極近距離上的電火花收發(fā)實驗，完全不足為奇。然而，當(dāng)時卻轟動了學(xué)術(shù)界。人們不得不坐下來認(rèn)真思索：電磁波這個東西沒有“腳”是怎么走過去的。用學(xué)術(shù)性的語言則可以說是如何實現(xiàn)超距作用的。一、Maxwell方程組的物理意義

這里，首先讓我們來探討一下上面方程內(nèi)含的哲學(xué)思想:1.這兩個方程左邊物理量為磁(或電)，而右邊物理量則為電(或磁)。這中間的等號深刻揭示了電與磁的相互轉(zhuǎn)化，相互依賴，相互對立，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：人類對于電磁的相互轉(zhuǎn)化在認(rèn)識上走了很多彎路。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(即線圈等效為磁鐵)，而Faraday堅信磁也可以轉(zhuǎn)化為電。但是無數(shù)次實驗均以失敗而告終。只是在10年無效工作后，沮喪的Faraday鬼使神差地把磁鐵一拔，奇跡出現(xiàn)了，連接線圈的電流計指針出現(xiàn)了晃動。電磁振蕩單擺一、Maxwell方程組的物理意義

圖1-4圖1-3這一實驗不僅證實了電磁轉(zhuǎn)換，而且知道了只有動磁才能轉(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。例如電磁振蕩也是典型的電磁轉(zhuǎn)換。而沒有引起波(Wave)。作為力學(xué)類比，電磁轉(zhuǎn)換猶如單擺問題中的動能與勢能的轉(zhuǎn)化。

一、Maxwell方程組的物理意義

一、Maxwell方程組的物理意義

圖1-5

一、Maxwell方程組的物理意義

3.Maxwell方程還指出：電磁轉(zhuǎn)化有一個重要條件，即頻率ω。讓我們寫出單色波頻域的Maxwell方程只有較或者說任何形式的信號高頻分量都包含很少高的ω，才能確保電磁的有效轉(zhuǎn)換，直流情況沒有轉(zhuǎn)換?？梢赃@樣說，在高頻時封閉電路才有可能變成開放電路。不過很有意思的是頻率愈高，越難出功率，這也是一個有趣的矛盾。(1-4)(1-5)4.在Maxwell方程中還存在另一對矛盾對抗，即方程(1-2)右邊兩項，而方程(1-3)右邊一項，這就構(gòu)成了Maxwell方程本質(zhì)的不對稱性。盡管為了找其對稱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)成一對矛盾，在時域中(1-6)一、Maxwell方程組的物理意義

二、波動的客觀性和主觀性現(xiàn)象是客觀存在的，客觀存在的事物一定能表現(xiàn)出來嗎?未必。它的表現(xiàn)與觀察者及環(huán)境有關(guān)。地球是一個圓球(嚴(yán)格地說是似橢圓球)。但直至麥哲倫發(fā)現(xiàn)新大陸才算最后解決。因為人與地球上的尺寸比太微小了。現(xiàn)在，宇航員通過航天飛機清晰地看到了地球。

Einstein也精辟地說過：如果存在假想的“電影銀幕二維人”，這些人類能設(shè)想第三維嗎?同樣，波動性客觀存在。但是，觀察波動性卻與主觀和儀器有關(guān)，與尺寸有關(guān)，與時間有關(guān)。［例1］50周市電，要做1∶1示波器看相位90°變化的1/4波長，示波器幅面要從西安到北京(約1500km)。因為

繞地球一圈只有三個波長。

圖1-7波長長的情況圖1-8波長短的情況

二、波動的客觀性和主觀性［例2］光波是Newton和Huygens的著名爭論。Newton一方強調(diào)光的粒子性，事實上對于日常所見的物體，光確實表現(xiàn)為粒子直線性。但是，隨著顯微鏡的發(fā)展，要觀察極小物體時，即所觀察的物體大小與波長可比擬時，無法觀察成功。這是因為光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)是光以直線傳播的——于是人類發(fā)明了電子顯微鏡。二、波動的客觀性和主觀性圖1-9三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化上面已經(jīng)提及，微波問題必須用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原因。因為不論是低頻電路，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、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化[例3]無限大無源空間的均勻平面波研究波傳輸問題。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。

均勻無源媒質(zhì)均勻平面波寫出Maxwell方程組上面這兩個方程也稱為均勻平面波的傳播方程。三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化采用時諧形式，即設(shè)的時間因子，可得思考問題：在式(1-7)中哪一項表示向z方向的入射波？哪一項表示向-z方向的反射波？三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化(1-7)聯(lián)系上因子，電場表示完整為對于第一項的相位因子我們考慮等相位面全微分上式或者

因此第一項表示向z方向的入射波。三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化

而第二項等相面表示向-z方向的反射波。［討論］上面求解過程說明：·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問題的邊界媒質(zhì)情況而定，即所謂邊界條件(BoundaryConditions)。三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化補充：已經(jīng)知道電場通解的表達(dá)形式代入得到令，或稱為波阻抗，即

三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化圖1-11

三、場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Γ為反射系數(shù)(1-12)三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化四、微波特點1.微波的兩重性微波的兩重性指的是對于尺寸大的物體，如建筑物火箭、導(dǎo)彈它顯示出粒子的特點——即似光性或直線性而對于相對尺寸小的物體，又顯示出——波動性。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)的原因形成獨特的電離層，它對于短波幾乎全反射，這就是短波的天波通訊方式。而在微波波段則有若干個可以通過電離層的“宇宙窗口”。因而微波是獨特的宇宙通訊手段。圖1-12宇宙窗口四、微波特點4.不少物質(zhì)的能級躍遷頻率恰好落在微波的短波段，因此近年來微波生物醫(yī)療和微波催化等領(lǐng)域已是前沿課題。