西電微波技術(shù)基礎(chǔ)ch01--

1、第 章微波概念Microwave Concept 對電磁場與微波專業(yè)，微波技術(shù)是一門最重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。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。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從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長( (或頻率或頻率) )劃分，劃分，則大致可以把則大致可以把300300MHzMHz3000GHz3000GHz，( (對應(yīng)空氣中波長對應(yīng)空氣中波長是是1 1m m 0.1mm)0.1mm)這一頻段的電磁波稱之為微波?？v觀這一頻段的電磁波稱之為微波?？v觀“左鄰右舍左鄰右舍”它處于超短波和紅外光波之間。它處

2、于超短波和紅外光波之間。紅外光超短波圖圖 1-1 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)作為注記：對于任何波，波長和頻率與波速相關(guān) 因此，只用一個波長因此，只用一個波長(或頻率或頻率f f) )不能確定是不能確定是何種波。例如，可以注意到聲波也有波長，這樣就何種波。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。研究方法。這正是本講要解決的主要問題。

3、(1-1)(1-1)fv 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) )在宏觀媒在宏觀媒質(zhì)中都服從質(zhì)中都服從MaxwellMaxwell方程組。因此，深入研究和考察方程組。因此，深入研究和考察它，將有助于了解電磁它，將有助于了解電磁波動波動的深入含義。的深入含義。 人類首次實現(xiàn)的人類首次實現(xiàn)的HertzHertz電磁波試驗，從現(xiàn)在的電磁波試驗，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，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，當時卻轟動了學術(shù)界。人們完全不足為奇。然而，當時卻轟動了學術(shù)界。人們不得不坐下來認真思索：電磁波這個東西沒有

4、不得不坐下來認真思索：電磁波這個東西沒有“腳腳”是怎么走過去的。用學術(shù)性的語言則可以說是如何是怎么走過去的。用學術(shù)性的語言則可以說是如何實現(xiàn)超距作用的。實現(xiàn)超距作用的。一、Maxwell方程組的物理意義 于是，歷史選擇了于是，歷史選擇了Maxwell，一批年青的學者總結(jié)一批年青的學者總結(jié)出電磁運動規(guī)律，即出電磁運動規(guī)律，即Maxwell方程組。同時，提出了方程組。同時，提出了Newton力學所沒有的嶄新概念力學所沒有的嶄新概念場場(Field的概念的概念)。 Maxwell方程組中獨立方程主要表現(xiàn)為前面二個，方程組中獨立方程主要表現(xiàn)為前面二個，即即一、Maxwell方程組的物理意義 tBEJt

5、DH(1-2)(1-2)(1-3)(1-3)一、Maxwell方程組的物理意義圖圖 1-2 1-2 值得指出：人類對于電磁的相互轉(zhuǎn)化在認識上走了很值得指出：人類對于電磁的相互轉(zhuǎn)化在認識上走了很多彎路。其中多彎路。其中FaradayFaraday起到關(guān)鍵的作用。起到關(guān)鍵的作用。OerstedOersted首先首先發(fā)現(xiàn)電可轉(zhuǎn)化為磁發(fā)現(xiàn)電可轉(zhuǎn)化為磁( (即線圈等效為磁鐵即線圈等效為磁鐵) )，而，而FaradayFaraday堅堅信磁也可以轉(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。只是在終。只是在1010年無效工作后，沮喪的年無效工作后，沮喪的Farada

6、yFaraday鬼使神差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。出現(xiàn)了晃動。 電磁振蕩電磁振蕩單擺單擺一、Maxwell方程組的物理意義圖圖 1-4 1-4圖圖 1-3 1-3 這一實驗不僅證實了電磁轉(zhuǎn)換，而且知道了只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。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。而沒有引起波電磁轉(zhuǎn)換。而沒有引起波( (Wave)

7、Wave)。 作為力學類比，電磁轉(zhuǎn)換猶如單擺問題中的動作為力學類比，電磁轉(zhuǎn)換猶如單擺問題中的動能與勢能的轉(zhuǎn)化。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 2. 2. 進一步研究進一步研究MaxwellMaxwell方程兩邊的運算，從物方程兩邊的運算，從物理上看，運算反映一種作用理上看，運算反映一種作用( (Action)Action)。方程的左邊方程的左邊是空間的運算是空間的運算( (旋度旋度) )；方程的右邊是時間的運算；方程的右邊是時間的運算( (導(dǎo)導(dǎo)數(shù)數(shù)) )，中間用等號連接。它深刻揭示了電，中間用等號連接。它深刻揭示了電( (或磁或磁) )場

8、任場任一地點的變化會轉(zhuǎn)化成磁一地點的變化會轉(zhuǎn)化成磁( (或電或電) )場時間的變化；反場時間的變化；反過來，場的時間變化也會轉(zhuǎn)化成地點變化。正是這過來，場的時間變化也會轉(zhuǎn)化成地點變化。正是這種空間和時間的相互變化構(gòu)成了波動的外在形式。種空間和時間的相互變化構(gòu)成了波動的外在形式。用通俗的一句話來說，即一個地點出現(xiàn)過的事物，用通俗的一句話來說，即一個地點出現(xiàn)過的事物，過了一段時間又在另一地點出現(xiàn)了。過了一段時間又在另一地點出現(xiàn)了。 zWavet0一、Maxwell方程組的物理意義圖圖 1-5 1-5 一、Maxwell方程組的物理意義3. 3. MaxwellMaxwell方程還指出：電磁轉(zhuǎn)化有一

9、個重要條件，方程還指出：電磁轉(zhuǎn)化有一個重要條件，即頻率即頻率。讓我們寫出單色波頻域的讓我們寫出單色波頻域的MaxwellMaxwell方程方程 HjEJEjH只有較或者說任何形式的信號高頻分量都包含很少只有較或者說任何形式的信號高頻分量都包含很少高的高的，才能確保電磁的有效轉(zhuǎn)換，直流情況沒有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。功率，這也是一個有趣的矛盾。 (1-4)(1-4)(1-5)(1-5

10、)4. 4. 在在MaxwellMaxwell方程中還存在另一對矛盾對抗，即方程中還存在另一對矛盾對抗，即 HDtJ方程方程(1-2)(1-2)右邊兩項，而方程右邊兩項，而方程(1-3)(1-3)右邊一項，這就右邊一項，這就構(gòu)成了構(gòu)成了MaxwellMaxwell方程本質(zhì)的不對稱性。盡管為了找方程本質(zhì)的不對稱性。盡管為了找其對稱性而一直在探索磁流其對稱性而一直在探索磁流 的存在，但到目前的存在，但到目前為止始終未果。為止始終未果。 MtD J 和和 構(gòu)成一對矛盾，在時域中構(gòu)成一對矛盾，在時域中 DtJjE()(1-6) (1-6) 一、Maxwell方程組的物理意義所以，也可以說是所以，也可以

11、說是 和和 之間的矛盾，這一對矛盾主之間的矛盾，這一對矛盾主要反映媒質(zhì)情況。當要反映媒質(zhì)情況。當 稱為導(dǎo)體，這種情況下波稱為導(dǎo)體，這種情況下波動性降為次要矛盾，其情況是波長縮短，波速減慢，動性降為次要矛盾，其情況是波長縮短，波速減慢，且迅速衰減。波一進入導(dǎo)體會且迅速衰減。波一進入導(dǎo)體會“短命夭折短命夭折”，這一問，這一問題將在波導(dǎo)理論中作詳盡討論。波動性不僅與題將在波導(dǎo)理論中作詳盡討論。波動性不僅與有關(guān)，有關(guān)，還與媒質(zhì)有關(guān)。還與媒質(zhì)有關(guān)。 0z圖圖 1-6 1-6 波在導(dǎo)體中的衰減波在導(dǎo)體中的衰減一、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

12、表現(xiàn)現(xiàn)象是客觀存在的，客觀存在的事物一定能表現(xiàn)出來嗎出來嗎? ?未必。它的表現(xiàn)與觀察者及環(huán)境有關(guān)。地球未必。它的表現(xiàn)與觀察者及環(huán)境有關(guān)。地球是一個圓球是一個圓球( (嚴格地說是似橢圓球嚴格地說是似橢圓球) )。但直至麥哲倫發(fā)。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微小了?，F(xiàn)在，宇航員通過航天飛機清晰地看到了地球。球。 EinsteinEinstein也精辟地說過：如果存在假想的也精辟地說過：如果存在假想的“電影電影銀幕二維人銀幕二維人”，這些人類能設(shè)想第三維嗎，這些人類能設(shè)想第三維

13、嗎? ?同樣，波同樣，波動性客觀存在。但是，觀察波動性卻與主觀和儀器有動性客觀存在。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)。關(guān)，與尺寸有關(guān)，與時間有關(guān)。 例例1 15050周市電，要做周市電，要做1111示波器看相位示波器看相位9090變變化的化的1/41/4波長，示波器幅面要從西安到北京波長，示波器幅面要從西安到北京( (約約15001500km)km)。因為因為cfmkm31050610600086繞地球一圈只有三個波長。繞地球一圈只有三個波長。圖圖1-7 1-7 波長長的情況波長長的情況 圖圖1-8 1-8 波長短的情況波長短的情況二、波動的客觀性和主觀性 例例2 2

14、光波是光波是NewtonNewton和和HuygensHuygens的著的著名爭論。名爭論。NewtonNewton一方強調(diào)光的粒子性，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。這是因為光學顯微鏡的法觀察成功。這是因為光學顯微鏡的基礎(chǔ)是光以直線傳播的基礎(chǔ)是光以直線傳播的于是人類于是人類發(fā)明了電子顯微鏡。發(fā)明了電子顯微鏡。 二、波動的客觀性和主觀性 圖圖

15、1-91-9討論到這里，我們對于微波波段有了進一步認識。討論到這里，我們對于微波波段有了進一步認識。任何電磁波的波動性是客觀存在。但是，微波波段任何電磁波的波動性是客觀存在。但是，微波波段在人體尺寸的范圍內(nèi)表現(xiàn)出強烈的波動性。在人體尺寸的范圍內(nèi)表現(xiàn)出強烈的波動性。1.51.52.02.0米是人體的特征尺寸；米是人體的特征尺寸；0.10.1毫米約一根半頭發(fā)絲毫米約一根半頭發(fā)絲的粗細，是人體尺寸特征的下限。所以，我們在微的粗細，是人體尺寸特征的下限。所以，我們在微波波段要用波波段要用MaxwellMaxwell方程波動力學加以解決。方程波動力學加以解決。 二、波動的客觀性和主觀性 三、場的方法向路

16、的方法轉(zhuǎn)化 上面已經(jīng)提及，微波問題必須用上面已經(jīng)提及，微波問題必須用MaxwellMaxwell方程加方程加以解決。但是，作為偏微分方程組的以解決。但是，作為偏微分方程組的MaxwellMaxwell方程又方程又很難求解。因此，在微波中又探討第二種研究方法，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。即路的方法。 微波可以用路有它的客觀原因。因為不論是低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)心頻電路，或者微波，在工程應(yīng)用中都十分關(guān)心能量能量的傳輸情況的傳輸情況。既然有著共同的方法本質(zhì)，我們就有。既然有著共同的方法本質(zhì)，我們就有可能作進一步的

17、研究?？赡茏鬟M一步的研究。 EHS0zx圖圖 1-10 1-10 均勻平面波傳播均勻平面波傳播三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化 例例33無限大無源無限大無源 空間的均勻平面波研究波傳空間的均勻平面波研究波傳輸問題。設(shè)輸問題。設(shè) 只有只有x x分量，分量， 只有只有y y分量并不失一般性。分量并不失一般性。波只有可能波只有可能( () )z z方向，且均勻平面波方向，且均勻平面波 不隨不隨x x，y y變化。變化。HEH、()J 0E均勻無源媒質(zhì)均勻無源媒質(zhì) 均勻平面波均勻平面波 HEtEHtHzEtEzHt 寫出寫出MaxwellMaxwell方程組方程組上面這兩個方程也稱為均勻平面波的傳播方程。上

18、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 222222222211HzCHtEzCEt22222222HzHtEzEt其中，其中， 正好是光速，這也是光的電磁學正好是光速，這也是光的電磁學說的重要依據(jù)。說的重要依據(jù)。c 1/再次求導(dǎo)再次求導(dǎo)三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化 采用時諧形式，采用時諧形式， 即設(shè)的時間因子，可得即設(shè)的時間因子，可得 ej tEAeA ejkzjkz12d Edzk Ed Hdzk H22222200思考問題：在式思考問題：在式(1-7)(1-7)中哪一項表示向中哪一項表示向z z方向的入射波？方向的入射波？哪一項表示向哪一項表示向- -z z方向

19、的反射波？方向的反射波？三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化 (1-7)(1-7)聯(lián)系上因子，聯(lián)系上因子， 電場表示完整為電場表示完整為 ej對于第一項的相位因子我們考慮等相位面對于第一項的相位因子我們考慮等相位面EAeA eE z tR EAtkzAtkzjt kzjt kze1212()()( , )cos()cos()tkz constantdtkdz 0全微分上式全微分上式或者或者 vdzdtkc1因此第一項表示向因此第一項表示向z z方向的入射波。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而第二項等相面表示向- -z z方向的反射波。方向的反射波。討論上面求解過程說明：討論

20、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，即所謂邊界條件況而定，即所謂邊界條件( (Boundary Conditions)Boundary Conditions)。 ttzwdt+kdz=vdzdtwkc Constant02三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化 例例4 4兩種半無限大媒質(zhì)的反射情況兩種半無限大媒質(zhì)的反射情況 采用采用

21、 時諧因子時諧因子利用利用z=0z=0的邊界條件，電場切向分量和磁場切向分量的邊界條件，電場切向分量和磁場切向分量必須連續(xù)，有必須連續(xù)，有 (1-8) (1-8)也即也即 ejEE eHH eEE eHH eEE eHH eiijkziijkzrrjkzrrjkzttjk zttjk z000000111122 EEEHHHirtirt000000(1-9)(1-9)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形式補充：已經(jīng)知道電場通解的表達形式代入代入得到得到 zjkzjkeAeAE1121EzHtjH 11HkAeA ejk zjk z111211() 令令 ，或，或 稱為波阻

22、抗，即稱為波阻抗，即 111111k111三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化 ESESH HESHiiirrrtttuu1122圖圖 1-11 1-11三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化 EHEHEHiirrtt000011100222注意在波中出現(xiàn)了注意在波中出現(xiàn)了阻抗概念阻抗概念，它與，它與R R、L L、C C的低頻阻的低頻阻抗有所不同?？褂兴煌?。 (1-11) (1-11)令令為反射系數(shù)為反射系數(shù) (1-12) (1-12) EEHHriri021210021210 EEHHriri00002121三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化 三、場的方法向路的方法轉(zhuǎn)化 討論討論衡量電磁波的反射和傳輸，我們引入了反衡

23、量電磁波的反射和傳輸，我們引入了反射系數(shù)射系數(shù) 和波阻抗和波阻抗 , ,波阻抗波阻抗與媒質(zhì)特性與媒質(zhì)特性( ( ) )相關(guān)。相關(guān)。換句話說，媒質(zhì)的變化影響波的傳輸。換句話說，媒質(zhì)的變化影響波的傳輸。 注記：在這里應(yīng)該特別強調(diào)，沒有反射條件，并注記：在這里應(yīng)該特別強調(diào)，沒有反射條件，并不一定是相同的媒質(zhì)，而只要求不一定是相同的媒質(zhì)，而只要求 , ,即兩者波阻即兩者波阻抗相等。這一思想是波抗相等。這一思想是波( (不僅僅是電磁波不僅僅是電磁波) )研究中的研究中的一個飛躍。吃透這一思想的竟是一個著名的科幻小一個飛躍。吃透這一思想的竟是一個著名的科幻小說家說家凡爾納，他根據(jù)這一原理，首先寫出了膾凡爾納，他根據(jù)這一原理，首先寫出了膾炙人口的隱身人。炙人口的隱身人。 波阻抗是波研究中的重要特征量。波阻抗是波研究中的重要特征量。 12, 四、微波特點 1. 1. 微波的兩重性微波的兩重性 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物火箭、導(dǎo)彈它顯示出粒子的特點即似光性或直線即似光性或直線性而對于相對尺寸小的物體，又顯示出性而對于相對尺寸小的物體，又顯示出波動性。波動性。 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