电磁场理论与微波技术.ppt

* *绪论 1 华中师范大学物理学院电信系 电磁场理论与微波技术 主讲：杨河林 * *绪论 2 一、课程简介 二、电磁场理论的主要研究领域 三、磁场理论发展简史 四、电磁场理论的主要研究对象 五、课程体系 六、教材与参考书目 七、学习的目的、方法及其要求 绪 论 * *绪论 3 一、课程简介 本课程将在“大学物理（电磁学）”的 基础上，进一步研究宏观电磁现象和电 磁过程的基本规律及其分析计算方法。 通过课程的学习，掌握基本的宏观电磁 理论，具备分析和解决基本的电磁场工 程问题的能力。 * *绪论 4 是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科生必 修的一门技术基础课，课程涵盖的内容是合格的电 子、电气信息类专业本科学生所应具备的知识结构 的重要组成部分。近代科学的发展表明，电磁场与 电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点和新兴 边缘学科发展的基础，而且对完善自身素质，增强 适应能力和创造能力长远地发挥作用。 电磁场理论与微波技术 * *绪论 5 电磁场与电磁波 是通信专业本科学生必须具备的知识结构的重要组成部分 之一。通过本课程的学习，使学生掌握电磁场的基本规律 ，深刻理解麦克斯韦方程组和电磁场、电磁波的性质；熟 悉一些重要的电磁场问题的数学模型（如波动方程、拉氏 方程等）的建立过程以及分析方法；培养学生正确的思维 方法和分析问题的能力，使学生对“场“与“路“这两种既密 切相关又相距甚远的理论有深刻的认识，并学会用“场“的 观点去观察、分析和计算一些简单、典型的场的问题；为 从事微波、天线、电子技术、通信和电磁兼容等领域的研 究及解决实际问题打下必要的基础 电磁场与电磁波是电子信息科学与技术、通信专业后续课 程，如：无线通信原理与应用、现代通信技术、 电磁工程EMC、通信原理和微波技术以及研究 生有关的课程如：高等电磁理论、电磁场数值方法 、电磁场高频方法和电磁波传播理论的重要基 础。 * *绪论 6 作为理论物理学的一 个 重要研究分支，主要 致 力于统一场理论和微 观 量子电动力学的研究 。 电磁 场的 重要 研究 领域 作为无线电技术的理 论基础，集中于三大 类应用问题的研究。 二、电磁场理论的主要研究领域 * *绪论 7 电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式，是 当今世界最重要的能源，其研究领域涉及电磁 能量的产生、储存、变换、传输和综合利用。 电磁波作为信息传输的载体，成为当今人类 社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领 域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、 处 理、再现和综合利用。 电磁波作为探测未知世界的一种重要手段， 主 要研究领域为电磁波与目标的相互作用 特性、 目标特征的获取与重建、探测新技 术等。 三大类应用问题： * *绪论 8 三、磁场理论发展简史 1电磁场理论的早期研究 电、磁现象是大自然最重要的往来现象，也最早 被科学家们关心和研究的物理现象，其中贡献最 大的有来顿、富兰克林、伏打等科学家。 19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现 象，没有发现电与磁的联系。但是由于这些研究 （特别是伏打1799年发明了电池），为电磁学理 论的建立奠定了基础。 * *绪论 9 18世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙 是 有活力的，而不是僵死的。他认为电就是 宇 宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、 热 是相互联系的。 奥斯特是谢林的信徒，他从1807年开始研 究 电磁之间的关系。1820年，他发现电流以 力 作用于磁针。 2电磁场理论的建立 * *绪论 10 安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到 通 过电流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量建 立 了若干数学公式。 法拉第在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是 相 互联系的。奥斯特1820年发现电流以力作用于磁 针 后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用 ， 磁也一定能够对电产生影响。1821年他开始探索 磁 生电的实验。1831年他发现，当磁捧插入导体线 圈 时；导线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间 存 在着密切的联系。 * *绪论 11 麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间 发生作用的问题，发展了场的概念。在 法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁 现象的规律，引进位移电流的概念。这 个概念的核心思想是：变化着的电场能 产生磁场；与变化着的磁场产生电场相 对应。在此基础上提出了一套偏微分方 程来表达电磁现象的基本规律，称为麦 克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方 程。 * *绪论 12 3电磁场理论的应用和发展 1887年，德国科学家赫兹用火花隙激励 一个环状天线，用另一个带隙的环状天线 接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的 预言，这一重要的实验导致了后来无线电 报的发明。从此开始了电磁场理论应用与 发展时代，并且发展成为当代最引人注目 的学科之一。 * *绪论 13 无线电报 1895年，意大利马可尼成功地进 行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1896 年，波波夫进行了约250米距离的类似试验, 1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成 功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的 试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的 成就，获得了1909年的诺贝尔奖金物理学奖 。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期 。 有线电话 1876年,美国A.G.贝尔在美国建国 100周年博览会上展示了他所发明 的有线电 话。此后,有线电话便迅速普及开来。 * *绪论 14 广播 1906年，美国费森登用50千赫频率发 电机作发射机，用微音器接入天线实现调制 ，使大西洋航船上的报务员听到了他从波士 顿播出的音乐。1919年，第一个定时播发 语 言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次 年 ，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广 播电台。 电视 1884年，德国尼普科夫提出机械扫描 电视的设想，1927年，英国贝尔德成功地用 电话线路把图像从伦敦传至大西 洋中的船上 。兹沃霄金在1923和1924年相继发明了摄像 管和显像管。1931年，他组装成世界上第一 个全电子电视系统。 * *绪论 15 雷达（Radio Detection and Ranging） 二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。 英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警 戒飞机的装置。1936年，英国的瓦特设计的警 戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德 国的轰炸机。1938年，美国研制成第一部能指 挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁 控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944 年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945 年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术 的发明,使雷达更加完善。在整个第二次世界 大 战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。 * *绪论 16 卫星通信技术 1958年, 美国发射低轨的“斯科 尔” 卫星成功,这是第一颗用于通信的试验卫星。1964 年,借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、 非 三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定 点同步卫星投入运行。1969年, 大西洋、太平洋 和 印度洋上空均已有定点同步通信卫星,卫星地球站 已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本 地 区的通信网接通。卫星通信经历10年的发展，终 趋 于成熟。 * *绪论 17 卫星定位技术 1957年卫星发射成功后，人们 试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地 球表面及近地空间目标的定位和导航。1958年 底，美国开始研究实施这一计划，于1964年研 究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出 了由24颗卫星组成的实用系统新方案，即GPS计 划。它是英文Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的 字头缩写NAVSTAR/GPS的简称，其含义是利用导 航卫星 进行测时和测距。1990年最终的GPS方案是由 21 颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。 * *绪论 18 电磁场的基本属性及其运动规律波与物质的 相互作用及信息的提取 电磁场系统的计算方法，仿真技术 工程技术应用中的电磁场理论问题 四、电磁场理论的主要研究对象 当今世界，电子信息系统，不论是通信、雷达 、广播、电视，还是导航、遥控遥测，都是通 过电磁波传递信息来进行工作的。因此以宏观 电磁理论为基础，电磁信息的传输和转换为核 心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重 要作用。下面以无线电通信系统为例来说明 * *绪论 19 发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线， 通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁 波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流 送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中 ，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。 接收机 接收天线 馈线 下行波 发射机 发射天线 馈线 导行波 * *绪论 20 传输 导 行 电 磁 波 发射天线接收天线 传播 入射、反射、透射、绕射 传输 导 行 电 磁 波 * *绪论 21 中、短波发射天线微波接力天线 天线 * *绪论 22 卡塞格仑天线 * *绪论 23 MMDSA型微波天线 MMDSC型微波天线 * *绪论 24 对数周期天线 * *绪论 25 矩形波导 圆波导 平行双线 同轴线 微带线 传输线 * *绪论 26 随着现代科学技术的发展，电子、电气系统获得越来越广泛的 应用。运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换， 使得高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间，构 成极其复杂的电磁环境，出现了电磁干扰和电磁污染。使电子 系统受到严峻的挑战，人类生存受到威胁。人们面临的一个新 问题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能力 ，如何改善人类生存环境。 在这样的背景下提出了电磁兼容的概念，逐渐形成了一门新学 科电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,简写 为EMC）。电子系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用 到大量的电磁场理论知识，应用到电路的基础知识，甚至生物 医学知识。可以说，电磁兼容学科是电磁场学科和其他相关学 科相结合而形成的新学科。 电磁兼容 * *绪论 27 生物电磁学也是与电磁场相 关联的一门新学科，它研究电 磁场与生物系统的相互作用、 相互影响的关系，电磁场与电 磁波无疑是其讨论的理论依据 。 生物电磁学 * *绪论 28 电磁场理论与微波技术 静态场 （10610） 静电场 静电场问题分析 （第二章） 静电场边值问题解法（第三章） 稳恒磁场分析（第四章） 时变场 （6106） 时变场与maxwell方程 （第五章） 平面电磁波 （第六章） 电磁波的辐射 （ 第七章） 微波基础 （864） 传输线理论（第八章） 波导与谐振腔（第九章） 微波网络基础（第十章） 五、本课程知识体系 矢量分析 （15） * *绪论 29 难 点 分析和处理问题的方法 数学处理过程 矢量分析 * *绪论 30 【1】电磁场与电磁波（3版）. 谢处方 饶克谨 编，高等教育出 版社，1999。 【2】微波技术与天线 . 盛振华 编著，出版社：西安电子科技大 学出版社 1995年11月出版。 【3】电磁场理论基础 . 主编：王蔷 等 出版社：清华大学出版 社 2001年2月出版。 【4】 电磁场理论. 毕德显，出版社：电子工业出版社。 【5】 电动力学 (第二版）. 郭硕鸿，高等教育出版社，1997。 【6】 Electromagnetism with Application. J D. Kraus，（Fifth Edition），清华大学出版社 ，2001 【7】电磁场与微波技术. 李绪益 主编 ，华南理工大学出版社。 【8】微波原理 . 吴正娴 . 武汉大学出版社 六、教材与主要参考书 * *绪论 31 掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律 掌握宏观电磁场问题的基本求解方法 了解宏观电磁场的主要应用领域及其原 理 训练分析问题、归纳问题的科学方法 培养用数学解决实际问题的能力 独立完成作业，做好课堂笔记 选读一至二本教学参考书 七、学习的目的、方法及其要求 * *绪论 32 6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A- x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfN8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z- w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z- w*t!qYmVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRg4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A- x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOd5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&tXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A- w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjScL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A- x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*uYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4D1z- w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmeNbK8C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A- x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThQeMbJy(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z- w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9IB+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E