《工学微波技术》PPT课件.ppt

微波技术基础,平时成绩：20%（作业及考勤） 期末考试：80% 考试方式：笔试、闭卷,学时数：56学时,2011年9月2011年12月,微波技术基础,先修课程：电磁场与波 后续课程：微波网络 微波集成电路 微波固态电路 微波测量 ,绪 论,微波及其特点,微波的波长（或频率）范围,绪论,电磁波波段划分,注：电子工业技术词典微波技术分册,微波常用波段代号,绪论,（续后）,(续前）,绪论 微波常用波段代号,家用电器频段,绪论 微波常用波段代号,移动通信频段,绪论 微波常用波段代号,微波的主要特性,1.微波的频率高且波长很短，与几何光学相似，即似光性。,似光性和似声性,2.微波的波长与物体的尺寸具有相同的量级，使得微波的 特点又与声波相近，即似声性。,直线传播、反射、折射、衍射等。雷达利用此特性工作。,绪论,绪论 微波的主要特性,穿透性好,物质内部：微波探伤 电离层：卫星通信 雨雾、雨、植被、积雪和地表层：微波遥感 生物体：医学透热疗法 等离子体：远程导弹、航天器实现制导和通信,绪论 微波的主要特性,微波的量子能量还不够大，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键。,非电离性,为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段,利用这一特性和原理，可研制许多适用于微波波段的器件,信息性,绪论 微波的主要特性,微波的频率很高，所以在不太大的相对带宽下，其可用的频带很宽，这意味着微波的信息容量大。,电磁波是人类用来传递信息的重要资源,绪论 微波的主要特性,渡越时间效应及传播延时效应,延时效应可以不考虑，电路采用集总参数计算,电路中各点相位不一致，表现为分布参数,计算方法：场（电磁场分析方法） 路（等效电路，如传输线法）,绪论 微波的主要特性,微波的大气传播特性 1.氧气和水蒸气对微波频率会产生选择性的吸收和散射， 在毫米波频段尤为突出； 2.氧气分子谐振引起的吸收峰 出现在60GHz和120GHz附近， 而由水蒸气谐振引起的吸收 峰在22GHz和183GHz附近。,绪论 微波的主要特性,3.四个传播衰减相对较小的 “窗口”，其中心频率分别 在35、94、140和220GHz， 相应波长分别为8.6、3.2、 2.1和1.4mm； 4.随着电磁波的工作频率升 高，总的衰减呈上升趋势。,绪论 微波的主要特性,微波的应用,绪 论,微波的实际应用领域相当地广泛，特别是近60年里微波应用发展很快。微波除了军事用途外，还涉及并渗透到科学研究和国民经济的许多部门。微波除广泛应用于军事目的各种大型和小型雷达外，还运用于民用的如导航、空中交通管制、气象预报、微波遥感、汽车防撞、公安检测、防盗等，还可用于加热、杀菌等。,绪论 微波的应用,传递信息的媒介 科学研究的手段 微波能应用,可归纳为：,绪论 微波的应用,传递信息的媒介,绪论 微波的应用,通信,微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点 应用业务包括：微波多路通信、微波中继通信、无线局域网、散射通信、移动通信和卫星通信等；,绪论 微波的应用,科学研究的手段,利用微波技术 建立的新学科,高能微波（高能微波加速器）：微波武器 微波波谱学：利用物质吸收谱研究物质结构 微波天文学：由微波辐射研究天体（多普勒频移） 微波气象学 遥感、全息术 测量：弱功率应用的电量和非电量测量。不接触测量对象,绪论 微波的应用,微波能应用,加热：特点是均匀、高效、迅速，便于控制 杀菌：除虫、育种、刺激植物生长 生物医学应用：对生物体选择性加热，治疗各种疾病 输能：传输电能、太阳能,中国在1979年制定的微波辐射暂行卫生标准中规定： 1）一天八小时连续辐射时，其剂量不应超过38 W/cm2； 2)短时间间断辐射及一天超过八小时照射时，一天总剂量不超过300 Wh/cm2； 3）由于特殊情况需要在辐射剂量大于1mW/cm2环境中工作时，必须使用个人防护用品，但日剂量不得超过300Wh/cm2，一般不容许在剂量超过5mW/cm2的辐射环境下工作。,应注意：长时间、大剂量的微波辐射也会伤害人体，还应 注意对环境的污染。,绪论 微波的应用,微波技术 应用,绪 论,本书内容框图及学习要点,均匀传输线和 波导理论基础,规则金属波导,传输线理论,微波集成传输线,介质波导与光波导,微波电路元件 理论基础,微波网络理论,微波谐振器,微波元件,（全书共分8章）,第1章 导波的一般特性,定义 导波 在含有不同媒质边界的空间传播或能够沿导行系统定向传输的电磁波； 导波系统 构成不同媒质边界的装置。它的作用是束缚并 引导电磁波传播。 不同频段和用途的导波系统 1）低频段导波系统 结构 两根平行导线； 缺点 随着信号频率升高，导线电阻损耗增大，不能有效引导微波。,导波和导波系统,2）微波频段导波系统 米波频段结构 改进型双导线即平行双导体线； 分米波厘米波频段结构 封闭式双导体导波系统即同轴线； 厘米波毫米波频段结构 柱面金属波导； 毫米波亚毫米波频段结构 介质波导。 导波系统的主要功能 1）无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能量从一处传输至另一处，称之为馈线;,导波的一般特性,2）设计构成各种微波电路元件，如滤波器、阻抗变换器、定向耦合器等。 导波系统按导行波分类 1）横电磁TEM或准TEM传输线,导波的一般特性 导波和导波系统,平行双线频率低 米波,同轴线 分米波、厘米波或毫米波,带状线，功率低 厘米波或毫米波,微带线，功率低 厘米波或毫米波,2）封闭金属波导 3）表面波波导（或称开波导）,导波的一般特性 导波和导波系统,矩形波导,圆波导,脊波导,椭圆波导,介质圆波导,介质带线,镜像线,导模导行波的模式,导波的一般特性 导波和导波系统,电磁场在横向以驻波分布 导模离散性 正交性、对称性、完备性 截止性：每个模式截止频率不一样,规则导行系统 定义：无限长的笔直导行系统，其截面形状和尺寸、媒质分布情况、结构材料及边界条件沿轴向均不变化。,导波的一般特性 导波和导波系统,导波的场分析方法,导波的一般特性,研究方法：场解法,导波的一般特性 导波场分析,导波系统中，求解场就是求解电磁场的矢量波动方程或称矢量亥姆霍兹方程，从而可知道系统中任一点的电磁场。,矢量亥姆霍兹方程,无界媒质中电磁波传播常数,导波的一般特性 导波场分析,导波场的纵向分布和横向分布,采用广义柱坐标系（u，z，），设导波沿z 向（轴向）传播，则：,令,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,再令,分离变量法 基本思想,将（1.2）式代入（1.1）式，有,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,（1.3a）变成：,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,令,式左、式右坐标不相关，因此共同等于一常数,（1.4）,（1.5）,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,坐标系确定后，该 两方程可求解,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,讨论,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,场振幅沿z轴方向无变化；相位沿z变化,场振幅、相位沿z轴方向均有变化,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,(2) 导波场传播、截止条件, 称为传播常数,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,传播方程,从而,(1.15),导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,（1.14）,因此,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,传播、截止条件,（无耗 属理想传输情况）,（1.16）,（1.18）,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,这时传播情况为场的振幅沿z轴方向指数衰减，无相移。没有沿z轴传播的波，称导波的截止状态。,（1.19）,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,传播常数为零，称传播的临界状态，属截止情形,因此,导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布,结论,传播状态的波称传播波或传播模 截止状态的波（场）称截止模或截止场,判断传播波 条 件,导波的一般特性,导波场的横向分量和纵向分量,代入时谐场满足的麦克斯韦方程组中,展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,由、可得：,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,同理，由、可得：,重要结论：,、 说明规则导行系统中，导波场的横向 分量可由纵向分量完全确定,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,再由出发：,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,左,整理得,即,同理，由可得,重要结论：导波的横向场满足矢量亥姆霍兹（Helmholtz） 的方程。它只有在正交坐标系中才能分解为两个标量亥姆霍 兹方程。,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,再由出发,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,整理得,即,重要结论：规则导行系统中导波场的纵向分量满足标量亥 姆霍兹方程 。,同理，由可得,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,横-纵向场关系式,把 ， 代入到横向场、 的表达式中，并 整理得到：,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,横-纵向场关系式,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,（1.2-38）,（1.2-39）,（1.2-40、41）,导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量,或,重要公式！,（同学们下去自己推导、证明一下）,横电磁波（TEM波）： Ez=Hz=0 有纵向场分量的电磁波，这又细分为以下三种类型： (1)横电波（TE波）或磁波(H波) : Ez=0，Hz0 (2)横磁波（TM波）或电波（E波）: Ez0，Hz=0 (3)混合波（EH波或HE波）: Ez0，Hz0,导波的一般特性,导波的分类及各类导波的特性,按导波有无纵向场分量可以分为两大类,导行波分为 , 和 三类 1） 这时 ， ， 。 导行波的传播特性与均匀平面波相同，是TEM波。 2） 由k与kc的不同关系，这种导行波又可分为以下三种状态： ,导波的一般特性 导波的分类,特点:是相速大于平面波速，即大于该媒质中的光速，而群 速则小于该媒质中的光速，同时导波波长大于空间波长。这 是一种快波。 ,临界状态 沿z方向没有波的传播过程，k称为临界波数。,临界角频率,临界频率,临界波长,导波的一般特性 导波的分类,这时场的振幅沿z方向呈指数变化而相位不变，它不再是行波而是衰减场。式中第一项代表沿+z方向衰减的场，第二项代表沿-z方向衰减的场。这种状态称为截止状态或过截止状态。,这种导行波的相速小于无界媒质中的波速，而波长小于无 界媒质中的波长，这是一种慢波,导波的一般特性 导波的分类,导波的特性分析 （1）TEM波场分量,导波的一般特性,考虑算子,（同学们下去推导一下）,（1.3-5a）,（1.3-5b）,导波的一般特性 TEM波的场分量,（1.3-5b）左,TEM波的场分量 , 与传播方向 互相垂直,并按 成右手螺旋关系。,TEM波场沿横向分布的特点 TEM波的场在导波系统横截面上的分布与边界条件相同的二维静场完全一致，求TEM波的横向分布函数，可以采用求静态场完全类似的方法。,导波的一般特性 TEM波的场分量,(具体内容在第二章中介绍),由TEM波场在横平面的分布与静态场相同这一点，可判断具体的导波系统能否传输TEM波。例如空心金属柱面波导，因其横截面内无法建立起静态场（导体表面上存在异性电荷时不可能有静止状态）。并且任意位置电场和磁场方向必须垂直，磁力线必须闭合。所以空心波导中不存在TEM波，而同轴线则可建立起静态场，故可存在TEM波。 因此，TEM波只能存在于多导体构成的导波系统中。,导波的一般特性 TEM波的场分量,空心金属波导不能传输TEM波,导波的一般特性 导波特性分析,（2）TEM波的波阻抗,定义：导模横向电场和横向磁场之比为波阻抗,于是 传播特性 由横-纵场关系可知，当 时，要使等式左端 的场不为零（横场若为零，则TEM波不存在）,则,或,导波的一般特性 导波特性分析,说明TEM波无低频截止，即双线、同轴线等传输线，理论上可以传播任意低频率的电磁波。,导波的一般特性 TEM波的场分量,由传播方程,得,无耗时,此式表明导波中TEM波的传播常数与无界均匀媒质电磁波的传播常数相同。,导波的一般特性 导波的特性分析,（3）相速度和群速度,相速度定义：,导模（或导波）等相位面移动的速度,(1.3-14),（1.3-47）,导波的一般特性 导波的场分量,群速度的解释,（1.3-45）,（1.3-47）,导波的一般特性 导波的特性分析,且,（群速与能速相等，能速定义见p17）,导波的一般特性 导波的特性分析,TEM波,无色散，且,导波的一般特性 导波的特性分析,（4）波长,截止波长,(1.3-52),导波的一般特性 导波的特性分析,三个波长之间的关系,（1.3-57）,（下去自己证明一下）,场分量和波阻抗 （1）TE/TM波的场分量,导波的一般特性 导波的特性分析,（5）TE、TM波的特性分析,组成右螺旋关系,TE波,导波的一般特性 导波的特性分析,TE波波阻抗,(1.3-25),TE波电磁场完整表达式,无耗时,TM波,TM波与TE波处理方法类似，可得,导波的一般特性 导波的特性分析,TM波总场,无耗时,导波的传输功率、能量及衰减 传输功率 设导波系统的横截面为S，则导波的传输功率为：,导波的一般特性,TEM波,（1.4-1）,（1.4-4）,无耗时,导波的一般特性导波的传输功率、能量及衰减,TE/TM波,无耗时,存在纵向场的TE波和TM波，由于它们的横向场可由纵向 场表出，因此传输功率也可由纵向场来表示：,导波的一般特性导波的传输功率、能量及衰减,（证明见p20）,导波的能量 单位长导波系统中传播波的电能和磁能可由能量密度时 均值积分求得。,导波的一般特性导波的传输功率、能量及衰减,TEM波,TE/TM波,导波的一般特性导波的传输功率、能量及衰减,导波的一般特性导波的传输功率、能量及衰减,当传输系统无耗时,即是说，在无耗导波系统中，传播波的电能时均值与磁能时均值彼此相等,（证明请参见p21。利用了复数坡印廷矢量定理）,导波的衰减 引起衰减的原因：1.欧姆损耗 ； 2.介质损耗。 当导波系统有损耗时，正向波的振幅随z按 指数规律变化，传输功率则按 的规律变化。设在z=0处的传输功率为P0，则在z处的传输功率为： （单位长度损耗）,导波的一般特性导波的传输功率