微波技术与天线第一章课件

,本课的基本内容,第一部分绪论,第二部分传输线理论,第三部分微波网络基础,第四部分常用的微波器件,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300MHz3000GHz，(对应空气中波长是1m0.1mm)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）。,图1-1,一、微波的概念,图1-2电磁波谱,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(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),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11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)。,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,(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。,Maxwell方程组的物理意义,图1-8,Maxwell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。让我们写出单色波频域的Maxwell方程,信号只有具有较高的频率，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,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。,和构成一对矛盾，在时域中,(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。波动性不仅与有关，还与媒质有关。,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,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