第十一講 電磁場與微波技術(shù)

1、第十一講第十一講 電磁場與微波技術(shù)簡介電磁場與微波技術(shù)簡介 引子引子 有人說：電磁場和微波技術(shù)有人說：電磁場和微波技術(shù)像天書一樣難懂，非也！試想，像天書一樣難懂，非也！試想，當你登上摩天樓的頂層時，你當你登上摩天樓的頂層時，你會知道，只要一步步走來，并會知道，只要一步步走來，并不是難事。不是難事。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.課程概述課程概述 2.電磁波的概述電磁波的概述 3.微波的概述微波的概述1.課程概述課程概述 1) 電磁場和微波技術(shù)是實現(xiàn)無線通信和控制電磁場和微波技術(shù)是實現(xiàn)無線通信和控制等的理論基礎(chǔ)；等的理論基礎(chǔ)； 2) 課程性質(zhì)課程性質(zhì) 3）課程的特點）課程的特點1) 電磁場和微波技術(shù)是實現(xiàn)

2、無線電磁場和微波技術(shù)是實現(xiàn)無線通信和控制等的理論基礎(chǔ)；通信和控制等的理論基礎(chǔ)； 通信方面：移動通信、微波通信、宇宙通信通信方面：移動通信、微波通信、宇宙通信等等; 廣播電視：廣播電視： 廣播：長、中短波廣播廣播：長、中短波廣播 電視廣播：模擬和數(shù)字電視電視廣播：模擬和數(shù)字電視 遙控和遙測：如無人職守的控制和測量裝備遙控和遙測：如無人職守的控制和測量裝備2) 課程性質(zhì)課程性質(zhì) 該課程是一門專業(yè)課；該課程是一門專業(yè)課； 該課程的前期課程是：高等數(shù)學(xué)，大學(xué)物該課程的前期課程是：高等數(shù)學(xué)，大學(xué)物理，電路分析，場論和數(shù)理方程等理，電路分析，場論和數(shù)理方程等 課程解決的主要問題：為通信，控制和廣課程解決的

3、主要問題：為通信，控制和廣播等提供傳輸信道的特性和規(guī)律播等提供傳輸信道的特性和規(guī)律3）課程的特點）課程的特點 理論性強：要求較高的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論性強：要求較高的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 應(yīng)用廣泛：在信息工業(yè)、國防科研、工業(yè)，應(yīng)用廣泛：在信息工業(yè)、國防科研、工業(yè)，農(nóng)業(yè)，電子醫(yī)療和宇宙開發(fā)等方面都有廣泛的農(nóng)業(yè)，電子醫(yī)療和宇宙開發(fā)等方面都有廣泛的應(yīng)用；應(yīng)用； 是很多新學(xué)科的生長點：如波譜學(xué)、射電天是很多新學(xué)科的生長點：如波譜學(xué)、射電天文學(xué)、醫(yī)療電子學(xué)、電磁工程、宇航學(xué)、遺傳文學(xué)、醫(yī)療電子學(xué)、電磁工程、宇航學(xué)、遺傳工程和科學(xué)研究等工程和科學(xué)研究等2.電磁波的概述電磁波的概述 1.定義定義 2. 電波和磁波的

4、互生規(guī)律電波和磁波的互生規(guī)律 3.性質(zhì)性質(zhì) 4.電磁波的發(fā)現(xiàn)電磁波的發(fā)現(xiàn) 5.電磁波的類型電磁波的類型 6.電磁輻射對人體有害的影響電磁輻射對人體有害的影響1.定義定義 從科學(xué)的角度來說，電磁波是一種以電和從科學(xué)的角度來說，電磁波是一種以電和磁的形式存在的特殊能量和特殊的物質(zhì)。磁的形式存在的特殊能量和特殊的物質(zhì)。凡是能夠釋出能量的物體，都會釋出電磁凡是能夠釋出能量的物體，都會釋出電磁波。波。 正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，人們也看不見無處不在看不見空氣一樣，人們也看不見無處不在的電磁波。電磁波就是這樣一位人類素未的電磁波。電磁波就是這樣一位人類

5、素未謀面的謀面的“朋朋 友友”2. 電波和磁波的互生規(guī)律電波和磁波的互生規(guī)律 電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)。電與磁電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)。電與磁可說是一體兩面，變化的電場會產(chǎn)生磁場可說是一體兩面，變化的電場會產(chǎn)生磁場，變化的磁場則會產(chǎn)生電場。變化的電場，變化的磁場則會產(chǎn)生電場。變化的電場和變化的磁場構(gòu)成了一個不可分離的統(tǒng)一和變化的磁場構(gòu)成了一個不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，電磁的變動就空間的傳播形成了電磁波，電磁的變動就如同微風(fēng)輕拂水面產(chǎn)生水波一般，因此被如同微風(fēng)輕拂水面產(chǎn)生水波一般，因此被稱為電磁波，也常簡

6、稱為電波稱為電磁波，也常簡稱為電波。3.性質(zhì)性質(zhì) 電磁波頻率低時，主要借助有形的導(dǎo)電體才能傳遞。原因電磁波頻率低時，主要借助有形的導(dǎo)電體才能傳遞。原因是在低頻的電振蕩中，磁電變化比較緩慢，電與磁的轉(zhuǎn)化量是在低頻的電振蕩中，磁電變化比較緩慢，電與磁的轉(zhuǎn)化量很低，其能量幾乎全部反回原電路而沒有或很少能量輻射出很低，其能量幾乎全部反回原電路而沒有或很少能量輻射出去；去； 電磁波頻率高時即可以在自由空間內(nèi)傳播，也可以束縛在電磁波頻率高時即可以在自由空間內(nèi)傳播，也可以束縛在有形的導(dǎo)電體內(nèi)傳遞。在自由空間內(nèi)傳遞的原因是在高頻率有形的導(dǎo)電體內(nèi)傳遞。在自由空間內(nèi)傳遞的原因是在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能

7、量不可能全部反回原振蕩電的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部反回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的路，于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。是一種輻射。 在自由空間中的電磁波為橫波。電磁波的磁場、電場及其在自由空間中的電磁波為橫波。電磁波的磁場、電場及其傳播方向三者互相垂直傳播方向三者互相垂直。振幅沿傳播方向的垂直方向作周期振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性交變，其強度與距離的平方成反比，波本身帶動能量，任性交變，其強度與距離的平方成反比，波

8、本身帶動能量，任何位置之能量功率與振幅的平方成正比。何位置之能量功率與振幅的平方成正比。 通過不同介質(zhì)時，會發(fā)生折射、反射、繞射、散射及吸通過不同介質(zhì)時，會發(fā)生折射、反射、繞射、散射及吸收等等收等等電場和磁場間的變換式tCOSLSBJE*/EjBJd3）電磁波的發(fā)現(xiàn)）電磁波的發(fā)現(xiàn) 1864年，英國科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人年，英國科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了完整的電研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導(dǎo)出磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導(dǎo)出電磁波與光具有同樣的傳播速度。電磁波與光具有同樣的傳播速度。1887年年德國物理學(xué)家赫茲用實驗證實了電

9、磁波的德國物理學(xué)家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之后，人們又進行了許多實驗，不存在。之后，人們又進行了許多實驗，不僅證明光是一種電磁波，而且發(fā)現(xiàn)了更多僅證明光是一種電磁波，而且發(fā)現(xiàn)了更多形式的電磁波，它們的本質(zhì)完全相同。形式的電磁波，它們的本質(zhì)完全相同。 （1）橫電磁波（）橫電磁波（TEM波即波即Ez=0;Hz=0）；）； （2）橫電波（）橫電波（TE波即波即Ez=0; Hz0）；）； （ 3）橫磁波（）橫磁波（TM波即波即Ez 0 ； Hz =0）。）。5）.電磁波的類型電磁波的類型6）.電磁輻射對人體有的影響電磁輻射對人體有的影響 （1）、熱效應(yīng)：人體內(nèi)）、熱效應(yīng)：人體內(nèi)70%以上是水，水

10、分子受到電以上是水，水分子受到電磁波輻射后運動加劇而相互磨擦，引起機體升溫，從而磁波輻射后運動加劇而相互磨擦，引起機體升溫，從而影響到身體其他器官的正常運行。影響到身體其他器官的正常運行。 （2）、非熱效應(yīng)：人體的器官和組織中，都存在微）、非熱效應(yīng)：人體的器官和組織中，都存在微弱的電磁場，它們是穩(wěn)定和有序的，一旦受到外界電磁弱的電磁場，它們是穩(wěn)定和有序的，一旦受到外界電磁波的干擾，處于平衡狀態(tài)的微弱電磁場即將遭到破壞，波的干擾，處于平衡狀態(tài)的微弱電磁場即將遭到破壞，人體正常循環(huán)機能會遭受破壞。人體正常循環(huán)機能會遭受破壞。 （3）、累積效應(yīng)：熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)作用于人體后，）、累積效應(yīng)：熱效應(yīng)和非

11、熱效應(yīng)作用于人體后，對人體的傷害尚未來得及自我修復(fù)之前再次受到電磁波對人體的傷害尚未來得及自我修復(fù)之前再次受到電磁波輻射的話，其傷害程度就會發(fā)生累積，久而久之會成為輻射的話，其傷害程度就會發(fā)生累積，久而久之會成為永久性病變或危及生命。對于長期接觸電磁波輻射的群永久性病變或危及生命。對于長期接觸電磁波輻射的群體，由于積累效應(yīng)，也會誘發(fā)想不到的病變，應(yīng)引起警體，由于積累效應(yīng)，也會誘發(fā)想不到的病變，應(yīng)引起警惕！惕！ 4）、兩點提醒）、兩點提醒 （1）長期接受電磁輻射會造成人體免疫力下）長期接受電磁輻射會造成人體免疫力下降、新陳代謝紊亂、記憶力減退、提前衰老、降、新陳代謝紊亂、記憶力減退、提前衰老、心

12、率失常、視力下降、血壓異常、皮膚產(chǎn)生斑心率失常、視力下降、血壓異常、皮膚產(chǎn)生斑痘、粗糙，甚至導(dǎo)致各類癌癥等；男女生殖能痘、粗糙，甚至導(dǎo)致各類癌癥等；男女生殖能力下降、婦女易患月經(jīng)紊亂、流產(chǎn)、畸胎等癥。力下降、婦女易患月經(jīng)紊亂、流產(chǎn)、畸胎等癥。 （2）慎用微波爐、電熱毯：現(xiàn)在人們使用的慎用微波爐、電熱毯：現(xiàn)在人們使用的絕大多數(shù)微波爐和電熱毯電磁波的輻射強度超絕大多數(shù)微波爐和電熱毯電磁波的輻射強度超過安全值過安全值20100倍，對人體健康的傷害極為倍，對人體健康的傷害極為嚴重。嚴重。3.微波的概述微波的概述 1）、定義）、定義 2）、微波的特點）、微波的特點 3）、微波的主要應(yīng)用）、微波的主要應(yīng)用

13、3.微波的概述微波的概述 1）、定義：在無線電頻譜中（見表）、定義：在無線電頻譜中（見表3.1），將），將300MHz-3000GHz的電磁波稱為微波。即波長為的電磁波稱為微波。即波長為1m0.1mm的電的電磁波稱為微波。（磁波稱為微波。（1)電磁波譜電磁波譜光波光波 簡介簡介 紅外線紅外線 0.3毫米毫米0.75微米。微米。光通信等光通信等可見光可見光 0.7微米微米0.4微米。微米。紫外線紫外線 0.4微米微米10毫微米毫微米X射線射線 10毫微米毫微米0.1毫微米毫微米射線射線 0.1毫微米毫微米0.001毫微米毫微米宇宙射線宇宙射線 小于小于0.001毫微米毫微米 （2）、說明）、說明

14、 單位單位 頻率與波長的關(guān)系頻率與波長的關(guān)系 =C/f=310exp(8)/f 由此可知：由此可知：300Mhz =1m 3000Ghz =0.1mm 微波頻率范圍很寬，提供了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)微波頻率范圍很寬，提供了廣泛的應(yīng)用領(lǐng) 域域 理解：微波頻寬是普通無線波段（長、中、理解：微波頻寬是普通無線波段（長、中、短波和超短波的總和）的一萬倍。短波和超短波的總和）的一萬倍。 倍數(shù)倍數(shù)n= 微波波段微波波段/普通無線電波普通無線電波=(3000G-300M)/(300M-3HZ) =10000(倍倍)現(xiàn)狀及結(jié)論現(xiàn)狀及結(jié)論 通過以上簡單的分析并依據(jù)無線電頻率的通過以上簡單的分析并依據(jù)無線電頻率的使用現(xiàn)狀，

15、的可以得到一個重要結(jié)論使用現(xiàn)狀，的可以得到一個重要結(jié)論: 頻率使用現(xiàn)狀：頻率使用現(xiàn)狀： 普通無線電波段，已普通無線電波段，已經(jīng)十分擁擠；經(jīng)十分擁擠； 微波波段尚有大量的頻率微波波段尚有大量的頻率在閑置沒有利用在閑置沒有利用 結(jié)論結(jié)論： 因此無線電技術(shù)的發(fā)展方向必因此無線電技術(shù)的發(fā)展方向必然是：向微波范圍發(fā)展。即實用電波的頻然是：向微波范圍發(fā)展。即實用電波的頻率將越來越高。率將越來越高。 微波技術(shù)是很多新技術(shù)微波技術(shù)是很多新技術(shù)的生長點。（宇航、射電天文、波譜學(xué)等）的生長點。（宇航、射電天文、波譜學(xué)等）一個問題？ 縱觀微波的波段范圍不足一米縱觀微波的波段范圍不足一米 （0.1mm1m）,為什么要

16、把為什么要把 這個不足一米這個不足一米的波段的無線電波專門加以研究，而又形的波段的無線電波專門加以研究，而又形成一個獨立學(xué)科呢？成一個獨立學(xué)科呢？ 要回答這個問題，就需要研究微波的特點。要回答這個問題，就需要研究微波的特點。2）、微波的特點）、微波的特點 （1）. 微波的波長短（微波的波長短（=0.1mm-1M） 理解：可粗略地將微波波段分為兩個部理解：可粗略地將微波波段分為兩個部分，分，i)較長部分，較長部分， 接近米波接近米波 ;ii)較短部較短部分，：接近毫米波。這一劃分是頗具匠心分，：接近毫米波。這一劃分是頗具匠心的，由此可引出微波有如下特性：的，由此可引出微波有如下特性： 性質(zhì)性質(zhì)

17、）似聲性：）似聲性： 接近米波，微波波長接近米波，微波波長 與地與地球物體尺寸可以比擬時，具有似聲性；球物體尺寸可以比擬時，具有似聲性；（聲波波長大于或略大于物體）（聲波波長大于或略大于物體）似聲性的應(yīng)用似聲性的應(yīng)用 a)做成為號角天線，相當于聲學(xué)中的喇叭做成為號角天線，相當于聲學(xué)中的喇叭（廣播：聲音擴散面限制在一定的張角（廣播：聲音擴散面限制在一定的張角內(nèi)）；內(nèi)）； b)做成為波導(dǎo)管，相當于聲學(xué)中的傳聲筒做成為波導(dǎo)管，相當于聲學(xué)中的傳聲筒（直筒：如地道戰(zhàn)用過）；（直筒：如地道戰(zhàn)用過）； c)做成諧振腔：相當于聲學(xué)中的共鳴器做成諧振腔：相當于聲學(xué)中的共鳴器（諧振腔與（諧振腔與LC諧振回路像比擬

18、）；諧振回路像比擬）； d)做成開槽天線：相當于聲學(xué)中的笛或蕭做成開槽天線：相當于聲學(xué)中的笛或蕭（漏泄通信、電磁測量）（漏泄通信、電磁測量） ）似光性：當微波波長比物體尺寸小得）似光性：當微波波長比物體尺寸小得多（接近分米波以下）時，具有似光性多（接近分米波以下）時，具有似光性 似光性主要應(yīng)用：似光性主要應(yīng)用：直線傳播：微波中繼通信（電視、通直線傳播：微波中繼通信（電視、通信），無線電定位（信），無線電定位（GPS）的應(yīng)用。）的應(yīng)用。折射、反射、繞射。折射、反射、繞射。聚焦性：制作方向性很高的拋物面天線聚焦性：制作方向性很高的拋物面天線（具有方向性強：能量集中于某一方向，（具有方向性強：能量集

19、中于某一方向，實現(xiàn)遠距離通信；保密性強；抗干擾能實現(xiàn)遠距離通信；保密性強；抗干擾能力強等優(yōu)點）；（類似于凸透鏡、探照力強等優(yōu)點）；（類似于凸透鏡、探照燈等；）燈等；）（2）微波的振蕩周期短）微波的振蕩周期短 關(guān)系：關(guān)系： T=1/f 由于信號的周期短，就必須考慮電子渡由于信號的周期短，就必須考慮電子渡越時間越時間Td 所謂電子渡越時間所謂電子渡越時間 ：是指載流子子由器件：是指載流子子由器件的一個電極（的一個電極（E極）傳輸?shù)搅硪粋€電極（極）傳輸?shù)搅硪粋€電極（C極）所需要的時間。記為：極）所需要的時間。記為：Td 。 影響舉例：晶體管中（影響舉例：晶體管中（NPN型）如圖所示。型）如圖所示。電

20、子渡越時間對三極管導(dǎo)電的影響電子渡越時間對三極管導(dǎo)電的影響 若若E結(jié)正偏時，結(jié)正偏時，Ic=0（低頻時：（低頻時：Ic0） 若若E結(jié)反偏結(jié)反偏 ，Ic 0（低頻時：（低頻時：Ic=0）（3）微波器件采用專用器件）微波器件采用專用器件 微波電子管：速調(diào)管、磁控管和行波管；微波電子管：速調(diào)管、磁控管和行波管； 微波固體器件：體效應(yīng)管、微波固體器件：體效應(yīng)管、PIN（微量金屬）（微量金屬）管（使管（使 電荷積累電荷積累）和場效應(yīng)管（見微波）和場效應(yīng)管（見微波技術(shù)第六章）技術(shù)第六章）3）微波的頻率很高）微波的頻率很高f=300M3000Ghz 很高的頻率，能夠?qū)⑽⒉}沖做得很窄，（一般在毫微很高的頻率

21、，能夠?qū)⑽⒉}沖做得很窄，（一般在毫微秒到皮秒），這樣會取得四種有益的結(jié)果：秒到皮秒），這樣會取得四種有益的結(jié)果： 1）使微波信號能夠穿透電離層和其他很多特性。）使微波信號能夠穿透電離層和其他很多特性。 2)提高無線遙測遙控的精度提高無線遙測遙控的精度 3）微波的量子能量大）微波的量子能量大 概念：電磁波具有波粒二重性：波動性（傳播）、能量概念：電磁波具有波粒二重性：波動性（傳播）、能量子（粒子性）。子（粒子性）。 A、即將微波視為攜帶一系列能量的、即將微波視為攜帶一系列能量的“小包子小包子”并以波動方并以波動方式向外傳播。式向外傳播。 B、粒子能量（能量小包）：、粒子能量（能量小包）： E=hf (j) E=hf (j) h: 為波朗克常數(shù)為波朗克常數(shù)（h=6.626 ) 4）微波的生物效應(yīng)：微波對應(yīng)的能量范圍）微波的生物效應(yīng)：微波對應(yīng)的能量范圍處于生物細胞精細能級之中，可改變生物細處于生物細胞精細能級之中，可改變生物細胞結(jié)構(gòu)。由此可以想象應(yīng)用微波的電磁波可胞結(jié)構(gòu)。由此可以想象應(yīng)用微波的電磁波可能改變生物和人類的細胞結(jié)構(gòu)甚至改變遺傳能改變生物和人類的細胞結(jié)構(gòu)甚至改變遺傳基因等?；虻?。34103）、微波的主要應(yīng)用）、微波的主要應(yīng)用 1、微波能穿透電離層：觀察宇宙之窗。微波能穿透電離層：觀察宇宙之窗。 空間電離層結(jié)構(gòu)：如圖，