微波技术与天线第一章课件

微波的发展与应用微波的分析方法微波的主要特点微波的基本概念本课的基本内容第一部分绪论第二部分传输线理论常用的微波传输线传输线理论和阻抗匹配第三部分微波网络基础第四部分常用的微波器件微波谐振器有源器件无源器件基本微波元件第五部分微波技术的实际应用（包括雷达、通讯、遥感、军事上的应用）一、微波的概念究竟什么是微波？这是我们关心的首要问题。从现象看，如果把电磁波按波长(或频率)划分，则大致可以把300MHz—3000GHz，(对应空气中波长λ是1m—0.1mm)这一频段的电磁波称之为微波。纵观“左邻右舍”它处于超短波和红外光波之间（微波是电磁波中特殊的一段）。红外光超短波图1-1一、微波的概念图1-2电磁波谱f31081051010(m)(Hz)3103231063109-13101210-43101510-73101810-10无线电波光波宇宙射线视频射频微波红外线可见光紫外线x射线射线作为注记：对于任何波，波长和频率与波速相关因此，只用一个波长λ(或频率f)不能确定是何种波。例如，我们可以注意到声波也有波长，声速的平均值是340米/秒，所以不能只根据波长来判断波。(1-1)fv一、微波的概念1.声波是机械波,它传播的是震动及能量，要靠介质，在真空中不能传播。电磁波本身就是一种物质，传播不要介质，在真空能传播。2.它们的产生原理不同,声波是靠物质的震动产生,而电磁波不是,它是靠电子的震荡产生，其本质是交替变换的电场和磁场。3.声波是纵波，纵波是质点的振动方向与传播方向一致的波；电磁波是横波，质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。声波和电磁波一、微波的概念二、微波的特点1.似光性（波粒二象性）微波的波长很短，当微波照射到尺寸远大于它波长的物体上（如建筑物、飞机、导弹、舰船等）时将产生强烈的反射（粒子性），且微波和光一样能直线传播；而对于相对尺寸小的物体，又显示出波动性，包括干涉、衍射、偏振、周期性等。与其他物质的相互作用过程中，又会产生碰撞、吸收、散射等现象。微波的两重性说明：微波既是物质又是能量。二、微波的特点2.四种基本效应1）渡越时间效应渡越时间，是指真空管里的电子从阴极渡越到阳极的时间，一般为10-9ns。在微波波段上，采用全新的微波器件能够合理有效的利用这个时间。2）辐射效应（也称天线效应）当一根导线的长度与其上的高频电流的波长相比拟时，它可显著的向外辐射能量，像天线一样。3）趋肤效应高频时，电流流动全部集中在导体的表面，使导体呈现的电阻很大。4）热效应二、微波的特点3.宇宙“窗口”地球的外层空间由于日光等繁复的原因形成独特的电离层，它对于短波几乎全反射，这就是短波的天波通讯方式。而在微波波段则有若干个可以通过电离层的“宇宙窗口”。因而微波是独特的宇宙通讯手段，利用这个特点，使卫星通信称为现实。图1-3宇宙窗口二、微波的特点4.雨雪会对微波产生吸收和反射雨、雪、云、雾对微波有不同程度的吸收和反射，利用这一特点，可用厘米波或毫米波来观测雨、雪、云、雾的存在和流动。气象雷达就是利用这一特性来预报天气变化情况的。5.微波的信息容量大微波的频带比长、中、短波的频带之和还要宽10000倍。因此微波容纳的信息量很大。所以微波通信得到了巨大的发展。二、微波的特点6.不少物质的能级跃迁频率恰好落在微波的短波段，近年来出现了微波生物医疗和微波催化等前沿课题，也形成了一门独立的分支学科——微波波谱学。图1-4能级跃迁二、微波的特点7.微波的不利因素（1）元器件成本高（微波测量的基本量、测量设备、方法、微波元器件的原理、结构等均不同于低频电路，这些仪器都很昂贵）。（2）辐射损耗大。（3）电路中能量传输损耗大，输出功率小。（4）设计工具精度低，成熟技术少。三、微波的分析方法在低频电路中，工作波长已远远超出实际电路的几何尺寸。例如：对应于50Hz的电磁波其波长值为6000KM，若要做1∶1示波器看相位90°变化的1/4波长，示波器幅面要从沈阳到日本(约1500km)。cfmkm31050610600086低频电路中各点的电流和电压值可被认为是在同一时刻建立起来；因此系统可以用集中参数表征，可用基尔霍夫定律分析。因为三、微波的分析方法在微波系统中，由于微波器件的尺寸十分接近于工作波长，电压、电流等概念将有别于低频电路。把“路”的观点转化成“场”的观念、把“集总参数”转化成“分布参数”、把“基尔霍夫定律”转化成“麦克斯韦(Maxwell)方程”，才能认识和讨论有关问题。所以，微波技术作为一门独立的学科，不仅是出于频率增高这一表面现象，而应当充分地理解到这种由“量变”到“质变”的根本过程。从理论上讲，一切电磁波(包括光波)在宏观媒质中都服从Maxwell方程组。因此，深入研究和考察它，将有助于了解电磁波动的深刻含义。人类首次实现的赫兹（Hertz）电磁波试验，从现在的眼光来看，只是一个极近距离上的电火花收发实验，完全不足为奇。然而，当时却轰动了学术界。人们不得不坐下来认真思索：电磁波这个东西没有“脚”是怎么走过去的。用学术性的语言则可以说是如何实现超距作用的。Maxwell方程组的物理意义于是，历史选择了Maxwell，一批年青的学者总结出电磁运动规律，即Maxwell方程组。同时，提出了Newton力学所没有的崭新概念——场(Field的概念)。Maxwell方程组中独立方程主要表现为前面二个，即Maxwell方程组的物理意义tBEJtDH(1-2)(1-3)这里，首先让我们来探讨一下上面方程内含的哲学思想:1.这两个方程左边物理量为磁(或电)，而右边物理量则为电(或磁)。这中间的等号深刻揭示了电与磁的相互转化，相互依赖，相互对立，共存于统一的电磁波中。正是由于电不断转换为磁，而磁又不断转换成为电，才会发生能量交换和贮存。Maxwell方程组的物理意义图1-5值得指出：人类对于电磁的相互转化在认识上走了很多弯路。其中法拉第（Faraday）起到关键的作用。奥斯特（Oersted）首先发现电可转化为磁(即线圈等效为磁铁)——电流磁效应，而法拉第坚信磁也可以转化为电。但是无数次实验均以失败而告终。只是在10年无效工作后，沮丧的法拉第鬼使神差地把磁铁一拔，奇迹出现了，连接线圈的电流计指针出现了晃动。电磁振荡单摆Maxwell方程组的物理意义图1-7图1-6这一实验不仅证实了电磁转换，而且知道了只有动磁才能转换为电。还需要提到：电磁转换为电磁波的出现提供了可能，但不一定是现实。例如电磁振荡也是典型的电磁转换。而没有引起波(Wave)。作为力学类比，电磁转换犹如单摆问题中的动能与势能的转化。Maxwell方程组的物理意义Maxwell方程组的物理意义2.进一步研究Maxwell方程两边的运算，从物理上看，运算反映一种作用。方程的左边是空间的运算(旋度)；方程的右边是时间的运算(导数)，中间用等号连接。它深刻揭示了电(或磁)场任一地点的变化会转化成磁(或电)场时间的变化；反过来，场的时间变化也会转化成地点变化。正是这种空间和时间的相互变化构成了波动的外在形式。用通俗的一句话来说，即一个地点出现过的事物，过了一段时间又在另一地点出现了。zWavet0Maxwell方程组的物理意义图1-8Maxwell方程组的物理意义3.Maxwell方程还指出：电磁转化有一个重要条件，即频率ω。让我们写出单色波频域的Maxwell方程HjEJEjH信号只有具有较高的频率ω，才能确保电磁的有效转换，直流情况下没有电磁转换。不过频率愈高，越难出功率，这也是一个有趣的矛盾。(1-4)(1-5)4.在Maxwell方程中还存在另一对矛盾对抗，即HDtJ方程(1-2)右边两项，而方程(1-3)右边一项，这就构成了Maxwell方程本质的不对称性。尽管为了找其对称性而一直在探索磁流的存在，但到目前为止始终未果。MtDJ和构成一对矛盾，在时域中DtJjE()(1-6)Maxwell方程组的物理意义所以，也可以说是和之间的矛盾，这一对矛盾主要反映媒质情况。当称为导体，这种情况下波动性降为次要矛盾，其情况是波长缩短，波速减慢，且迅速衰减。波一进入导体会“短命夭折”，这一问题将在波导理论中作详尽讨论。波动性不仅与ω有关，还与媒质有关。＜＜0z图1-9波在导体中的衰减Maxwell方程组的物理意义场的方法与路的方法相结合上面已经提及，微波问题必须用Maxwell方程加以解决。但是，作为偏微分方程组的Maxwell方程又很难求解。因此，在微波中又探讨第二种研究方法，即路的方法。微波可以用路有它的客观原因。因为微波元件可以用一个网络来等效，然后用低频网络理论求得元件各端口间信号的相互关系。场的方法是严格的，对任何元件都适用的，但实际的微波元件的边界条件都很复杂，单纯依靠场来分析很困难。同时在实际分析中，往往不需要了解元件内部场的结构，只关心不均匀区域各端口传输系统的工作状态。路的分析以场的分析为基础，微波网络的分析方法实际上是场、路分析和测量方法的结合。四、微波的应用射频识别无线通信卫星通信中继通信1.广播电视2.通信系统3.雷达4.微波加热5.微波生物医学6.微波遥感7.微波武器五、微波的防护。微波量子与X射线或者γ射线相比极其微小，不足以使生物体组织中的分子变成离子，因而不会造成硬损伤。人体只对外部加热比较敏感，而微波能使人体内部变热，在不知不觉中，微波热效应会对人体产生损害，如果不能及时把局部过多的热量耗散掉，将产生严重后果。多数国家认为，最大允许的微波功率密度是10mW/cm2，但是微波的非热效应也可能会对中枢神经和心血管系统有影响，因此10mW/cm2有可能偏高。教材及参考书教材：《微波技术及应用》张瑜等，西安电子科技大学出版社，2006参考书目：《简明微波》梁昌红等，高等教育出版社，2006《微波技术与天线》周希朗东南大学出版社，2009课程安排：32学时第7周到第14周下课啦！