电磁场与微波技术_绪论_南京大学电子科学与工程学院(XXXX版)

2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG1/5440-50%期末考试30-40%期中考试20%课堂+作业成绩构成办公室：鼓楼物理楼510，Tel：[e-mail]辅导教师：凡金龙（09研）：[e-mail]《电磁场理论与微波技术》无线电物理、电磁场与微波技术、声学、电路与系统、生物医学工程————硕士研究生考试专业课可选科目2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG2/54绪论电磁场理论微波技术电磁场理论:概念、内涵、历史2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG3/54电动力学电磁学数字电路高频电路模拟电路电路基础1．电磁场理论和电路理论无线电的理论体系电路理论电磁场理论对象内容方法2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG4/54电路理论对象电路元件：电感、电容、电阻等集总参数无源元件和电源构成。研究内容节点电压、支路电流响应、随时间(t)频率的变化。用以克希霍夫定律为基础的电路理论求解。高通滤波器频率传输系数频率信号频谱2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG5/54电磁场理论对象电磁场：在连续介质中所发生的电磁状态和过程。研究内容电场和磁场随空间(x,y,z)和时间(t)的变化。Maxwell方程+边界条件，CAD数值计算微带线带通滤波器2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG6/54电磁场理论和电路理论是相互区别，但又是相辅相成的。两者是等效的，统一的。电路理论的概念和方法可以用于电磁场微波技术中：等效电压、等效电流、阻抗等参数的运用；等效电路的运用：场问题电路问题，求解方便。微波网络的运用。在低频下，电感、电容的计算；信号的辐射和传播；相邻电路的耦合等问题，要用场的理论来解决。微带传输线2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG7/542.电磁场理论发展史SomeMilestonesmagnetcouldinduceelectricity.Firstelectricmotor.1831MichaelFaraday磁与电的联系Ampère'slaw.Describedmathematicallythemagneticforcebetweentwocircuits.1820AndréMarieAmpèrediscoveredaconnectionbetweenelectricityandmagnetism.movedawirecarryinganelectriccurrentnearamagneticcompassneedle,theneedletendedtoturnatrightanglestothewire.1820H.C.Ørsted奥斯特电与磁的联系2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG8/54电磁场理论发展史SomeMilestonesgeneratedradiowaveswithanelectricspark,transmittedthemthelengthofhislaboratory,andmadethemproduceasmallersparkathisreceiver.1886HeinrichHertz电磁场的实验验证phenomenaofthephotoelectriceffect;relativitytheory.为纪念爱因斯坦撰写相对论等论文100周年，2005年已被宣布为“世界物理年”,andpredictedtheexistenceofelectromagneticwavestravelingwiththespeedoflight.1873JamesClerkMaxwell电磁场理论建立2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG9/54微波技术:概念、内涵、历史、特点2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG10/54微波是电磁波频谱中无线电波的一个分支微波“Microwave”一词最早出现于1931年。inapaperpublishedbytheInternationalTelephoneandTelegraphdescribingan18-cmwavelengthradiolinkfromDover,U.K.toCalais,France.Terminalofmicro-raylink,Dover,U.K.toCalais,France,1931(courtesyofITT)2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG11/54微波技术发展史SomeMilestonesWorldWarII:ThePhysicists'War雷达1930s,severallaboratoriesdevelopedearlyversionsofradarsets,includingtheU.SNavalResearchLaboratory.inthelate1930sasecretnetworkofradarswasconstructedalongthesouthernandeasternEnglishcoast.CalledChainHome,theseradarsusedshortwavepulsesabout25meters(82feet)long)todetectincomingflightsofGermanbombers.谐振腔磁控微波管(Cavitymagnetron)generatedhundredsofwattsofpoweratmicrowavefrequencies.2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG12/54微波技术发展史SomeMilestonesPostWorldWarII:MilitaryApplicationsColdWarbetweentheSovietUnionandtheUnitedStatesDistantEarlyWarningLineorDEWLine.DuringtheGulfWarPatriotmissilesdisabledanumberofSCUDmissilesaimedattargetsinIsrael.2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG13/54微波技术发展史SomeMilestonesPostWorldWarII:MilitaryApplications隐身技术StealthtechnologyGPSsystems2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG14/54微波技术发展史SomeMilestonesPostWorldWarII:CommercialApplicationsofMicrowaves微波炉microwaveoven微波集成电路MMIC通信导航电视广播遥感等等2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG15/54微波是电磁波谱中的一部分2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG16/54微波是电磁波谱中的一部分2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG17/542．电磁波的频谱0.01Å以下射线0.01～30Å　X射线30～4000Å　紫外线4000～7600Å　可见光0.76m～2.5m近红外2.5～25m中红外25m～1mm远红外红外线300～3000GHz0.1～1mm亚毫米波30～300GHz1～10mm毫米波3～30GHz1～10cm厘米波300～3000MHz1～10dm分米波微波30～300MHz1～10m超短波3～30MHz10～100m短波300～3000kHz100～1000m中波30～300kHz1～10km长波30kHz10km超长波无线电波电磁波频率范围波长范围名称2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG18/541MHz=10Hz,1GHz=10Hz,1THz=10Hz6912WfollowsVinthealphabet75to110GHzWVforveryhighfrequencyband(nottobeconfusedwithVHF)40to75GHzVKaforkurz-above.26to40GHzKaGermankurzmeansshort,yetanotherreferencetoshortwavelength.18to26GHzKKuforkurz-under.12to18GHzKuUsedinWWIIforfirecontrol,Xforcross(asincrosshair)8to12GHzXCforcompromisebetweenSandXband.4to8GHzCSforshortwave.Don'tconfusethiswiththeshortwaveradioband,whichismuchlowerinfrequency2to4GHzSLforlongwave.0.5to1.5GHzLPforprevious,astheBritishusedthebandfortheearliestradars,butlaterswitchedtohigherfrequencies.250to500MHzPUnknown200to250MHzGUnknownupto200MHzIOriginofNameFrequencyRangeBand2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG19/54微波的频带很宽，比所有低频无线电波频带的总和还要宽104倍，开发如此宽的频谱空间，可克服频谱拥挤的困难。微波的波长很短，比一般物体的尺寸更小或可与之相比拟。直线传播，适合于无线电定位和雷达技术。雷达为了正确测定目标位置就必须发射窄波束，而天线的波束宽度是正比于工作波长和天线口径之比（/D）的。微波的频率很高，能适合于宽频带技术的需要，因为无线电设备的相对带宽(f/f0)的增大受到技术上的限制，载波频率提高可使设备的绝对频宽增加。在微波情形，将采用波导传输线、谐振腔和由它们构成的分布参数电路元件。3．微波的特点2010.AUTUMN©2010byY.J.FENG20/54微波的振荡周期很短（10-910-13秒），已可与电子器件中电子的渡越时间（秒）相比拟，速调管、磁控管和行波管等微波电子管就是利用电子渡越时间效应工作的。由于微波频率很高，它能穿透高空的电离层。利用这一特点可以进行卫星通讯和宇航通讯。同时也为天文观察增加了一个窗口，使射电天文学的研究成为可能。微波能够深入物质内部与物质产生相互作用，水和含水物质对微波具有吸收作用，因此，可以利用微波对含水物质进行选择性加