电磁场与微波技术.docx

科技文献综述竞赛论文题目：无形科学-电磁场与微波技术 姓 名： 陈超 专 业： 电子科学与技术 指导教师： 葛幸 申报日期： 2012.10.23摘要电子和信息领域内所有重大技术进展几乎都离不开电磁场与微波技术的突破。在通信、雷达、激光和光纤、遥感、卫星、微电子、高能技术、生物和医疗等高新技术领域中，电磁场与微波技术都起着关键的作用，它的应用领域蕴含在国民经济、国防建设和人民生活的各个方面。同时，电磁场和微波技术也随着当代物理、数学、技术学科的不断进步而得到日新月异的发展。关键字：电磁场，微波技术，应用无形的科学电磁场与微波技术目录1.前言22.研究方向23.基本理论与分析方法3 3.1 电磁场理论3 3.1.1矢量分析3 3.1.2静电场3 3.1.3恒定电场4 3.1.4静磁场43.1.5时变电磁场53.2 微波技术理论7 3.2.1传输线理论7 3.2.2集成传输系统 9 3.2.3微波谐凯腔9 3.2.4微波网络基础9 3.2.5微波无源元件 114.发展前景121. 前言电子和信息领域内所有重大技术进展几乎都离不开电磁场与微波技术的突破。在通信、雷达、激光和光纤、遥感、卫星、微电子、高能技术、生物和医疗等高新技术领域中，电磁场与微波技术都起着关键的作用，它的应用领域蕴含在国民经济、国防建设和人民生活的各个方面。同时，电磁场和微波技术也随着当代物理、数学、技术学科的不断进步而得到日新月异的发展。2. 研究方向1.计算电磁学及其应用：设计、研究、开发高精度、高效率电磁计算算法；研究高效精确电磁计算算法在目标特性、微波成像及遥感、电磁环境预测、天线分析和设计等方面的应用。2.微波/毫米波电路设计理论与技术：研究有源元器件与电路模型、与微电子、微机械工艺相关的材料器件等模型的建立及参数提取；研究低相噪频率源技术，微波/毫米波单片集成电路设计，基于微机械（MEMS）的微波/毫米波开关、移相器和滤波器设计。3.电磁波与物质的相互作用：研究电磁散射和逆散射算法，军事装备目标特性测试技术，隐身目标测试技术，目标散射中心三维成像技术；研究轻质、宽频、自适应智能隐身材料。4.微波/毫米波系统理论与集成应用技术：设计、研究、开发特殊环境下的微波/毫米波系统；研究微波/毫米波测试技术；研究天线设计理论与技术。3.基本理论与分析方法3.1 电磁场理论3.1.1矢量分析向量微积分(Vector calculus)或向量分析(Vector Analysis)是数学的分支，关心拥有两个维度或以上的向量的多元实分析。它有一套方程式及难题处理技巧，对物理学及工程学特别有帮助。我们考虑到向量场时把向量联系到空间里的每一个点，考虑到标量场时把标量连系到空间里的每一个点。例如：游泳池的水温是标量场；游泳池的水流是向量场。基本定理：梯度定理，高斯散量定理，斯托克斯定3.1.2静电场由静止电荷(相对于观察者静止的电荷)激发的电场静电感应一个带电的物体靠近另一个导体时，导体的电荷分别发生明显的变化，物理学中把这种现象叫做静电感应。 如果电场中存在导体，在电场力的作用下出现静电感应现象,使原 来中和的正、负电荷分离,出现在导体表面上。这些电荷称为感应电荷。总的电场是感应电荷与自由电荷共同作用结果。达到平衡时，导体内部的场强处处为零,导体是一个等势体，导体表面是等势面，感应电荷都分布在导体外表面，导体表面的电场方向处处与导体表面垂直。静电感应现象有一些应用，但也可能造成危害。 3.1.3恒定电场恒定电场是电源两极上带的电荷和导体或其他电学元件上堆积的电荷共同激发而形成的，其特点是电场线处处沿着到导体方向，由于电荷的分布是稳定的，（即达到动平衡状态），由这种稳定分布的电荷形成的电场称为恒定电场，它具有和静电场相同的性质，因此会对处在其中的电荷有力的作用，也就会推动自由电荷发生定向移动形成电流，但自由电荷不会一直加速，会不断的与不动的粒子发生频发的碰撞（形成电阻的微观本质）受到不动的粒子对他运动的阻碍作用，自由电荷做的是平均匀速率不变的运动。3.1.4静磁场静止不产生变化的磁场基本定理：静磁场唯一性定理 我们假设磁场空间为一封闭曲面S所包围。如果S有限，则给定S面上的法向磁感应强度BSn，且满足的条件，以与高斯定理一致；如果S无限，则要求BS趋于0。其次，设磁介质各向同性，磁导率已知但允许出现非均匀性，以及在不同磁介质界面出出现间断。最后，设导体中传导电流的分布已知。在这种情况下，静磁场将被唯一确定，这就是静磁场的唯一性定理。下面用反证法来证明唯一性定理。设对给定的传导电流分布、磁导率分布和S面上的边界条件的静磁场解不唯一，不妨设有两个，其磁感应强度和磁场强度分别为B1、H1和B2、H2。令B=B2-B1，H=H2-H1，则B和H对应传导电流为零、S面上BSn=0或BS趋于0。对于S面有限即BSn=0的情况，磁感应线或H线不可能起止于S面上，而只能在S内闭合。故可推断S内必有传导电流，而这与B对应零传导电流的前提发生矛盾。于是，结论只能是S内处处有B=0，即B1=B2，唯一性定理得证。对于S面无限即BS趋于0的情况，磁感应线（或H线）或在有限空间内闭合，或起止于无穷远处。前者不可能发生，理由同上。后者可用该H线和无穷远共同组成一闭合回路，沿该回路的积分不等于0，同样导致有传导电流从中穿过的结论，与前提发生矛盾。因此，只可能B=0，B1=B2，即唯一性定理成立。3.1.5时变电磁场随时间变化着的电磁场。时变电磁场与静态的电场和磁场有显著的差别，出现一些由于时变而产生的效应。电场和磁场的关系M.法拉第提出的电磁感应定律表明，磁场的变化要产生电场。这个电场与来源于库仑定律的电场不同，它可以推动电流在闭合导体回路中流动，即其环路积分可以不为零，成为感应电动势。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用。时变场中的大块导体内将产生涡流及趋肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是这些现象的直接应用。 继法拉第电磁感应定律之后，J.C.麦克斯韦提出了位移电流概念。电位移来源于电介质中的带电粒子在电场中受到电场力的作用。这些带电粒子虽然不能自由流动，但要发生原子尺度上的微小位移。麦克斯韦将这个名词推广到真空中的电场，并且认为；电位移随时间变化也要产生磁场，因而称一面积上电通量的时间变化率为位移电流,而电位移矢量D的时间导数（即D/t）为位移电流密度。它在安培环路定律中，除传导电流之外补充了位移电流的作用，从而总结出完整的电磁方程组，即著名的麦克斯韦方程组，描述了电磁场的分布变化规律。 电磁场的几种情形和应用电磁辐射麦克斯韦方程表明，不仅磁场的变化要产生电场，而且电场的变化也要产生磁场。时变场在这种相互作用下,产生电磁辐射,即为电磁波。这种电磁波从场源处以光速向周围传播，在空间各处按照距场源的远近有相应的时间滞后现象。电磁波还有一个重要特点，它的场矢量中有与场源至观察点间的距离成反比的分量。这些分量在空间传播时的衰减远较恒定场为小。按照坡印廷定理，电磁波在传播中携有能量，可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。 似稳电磁场时变场中不同于静态场的上述一些现象，其显著程度都与频率的高低及设备的尺寸紧密相关。按照实际需要，在容许的近似范围内，对时变场的部分过程可以当作恒定场处理，称之为似稳电磁场或准静态场。这种方法使分析工作大为简化，在电工技术中是行之有效的方法，已为人们所广泛采用。 交变电磁场与瞬变电磁场 时变电磁场还可以进一步分为周期变化的交变电磁场及非周期性变化的瞬变电磁场。对它们的研究在目的上和方法上有一些各自的特点。交变电磁场在单一频率的正弦式变化下，可采用复数表示以化简计算，在电力技术及连续波分析中应用甚多。瞬变电磁场又称脉冲电磁场，覆盖的频率很宽，介质或传输系统呈现出色散特性，往往需要采取频域、或时序展开等方法进行分析。 3.2 微波技术理论3.2.1传输线理论在信号完整性和电源完整性，工程师必须理解传输线理论基础，这里给出简单的传输线理论，并随后引出关于特性阻抗的概念。 传输线指的是能够传输电信号的连接器。 在低频时候，例如一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的，不需要考虑波动效应，我们可以把它看成短路。 而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在100MHz或者几个GHz，工作的波长和连接器的尺寸可以相互比拟，在连接器上面信号已经有明显的波动效应，这时必须考虑传输线效应。在PCB设计者常见的传输线有微带线(microstrip)、带线(stripline)、电缆(cable)、连接器(connector)等等。 对于简单的传输TEM模式的单线传输线，例如微带线，可以等效成如下简单的结构： 上图中RLGC为单位长度的电参数，其中RG值与导体损耗，介质损耗，辐射损耗相关，LC和物理横截面尺寸相关；等效的RLGC参数一般情况下都是频率的函数。 在一些特殊情况下（低频或者频带相对比较窄等）RLGC近似看作是常数。取长度dz，传输线方程： 或者写成时谐条件下频率域方程 可以看出，上面方程是关于v或者i相互独立、无耦合的二阶椭圆微分方程，其解可以表达成简单的指数函数(或者三角函数)的组合。 对于多线传输网络，需要耦合传输线理论进行分析。 3.2.2集成传输系统 3.2.3微波谐凯腔 3.2.4微波网络基础各类电子系统中用于检测、传输、处理信息或能量的微波电路。微波网络理论主要研究微波电路的分析和设计方法，它与电磁场理论（见电磁场基本定理）同为微波领域中的主要理论基础。复杂的微波网络由许多简单的微波网络所组成，后者有不同的分类方法。 如按网络外接的传输线端口数可分为一端口、二端口、多端口的微波网络；按电路元件的性质可分为有源和无源的微波网络、线性和非线性的微波网络、可逆和非可逆的微波网络等。 无源微波网络属于二端口网络的有微波滤波器、模式变换器（用于将波导中的一种电磁波模式变换成另一种）、极化变换器（用于改变波导中电磁波的极化性质）、移相器、铁氧体和隔离器等。属于三端口网络的有功率分配器、铁氧体 Y形环形器等。属于四端口网络的有微波混合接头、定向耦合器和定向滤波器等。 用于微波多路通信的多工器属于多端口网络，其功能是把一个宽频带信道分割成若干窄频带信道，使信号分别从不同的端口输出。多工器可由多个定向滤波器连接而成，或由带通滤波器及匹配双T电桥组合而成。 有源微波网络典型的二端口网络是微波晶体管放大器，采用双极型晶体管或场效应晶体管可构成低噪声放大器、功率放大器、宽带放大器和窄频带放大器。典型的三端口网络是微波混频器，常用肖特基势垒二极管作混频管，为了降低混频器噪声还可用二只混频管组成平衡混频器。用于低噪声放大的参量放大器也是一种三端口网络,其典型结构由一个三端口Y形环行器和一个二端口反射式放大器组成。信号自环行器的一个端口输入，经接于第二端口的反射式放大器放大后，由环行器的第三端口输出。反射式放大器具有信号端口和泵源端口，输入信号经变容管的非线性电容吸取泵源功率而获得增益。 微波网络分析主要包括外特性分析、灵敏度分析和容差分析。外特性分析： 求出输入端口的激励与输出端口的响应两者之间的函数关系。频域分析法和时域分析法分别适用于分析微波网络的稳态特性和瞬态特性。时域分析的基本方法有拉普拉斯变换法、伴随网络法和状态变量法等。灵敏度分析：目的是获得微波网络中各元件值或参量值的变化对网络外特性的影响，主要是分析散射参量的灵敏度，常用直接法和伴随网络法进行分析。容差分析：是微波网络计算机辅助设计的一项重要内容。对于已完成设计的网络，还须定量计算各元件参