电磁场理论与微波技术

1、绪论1华中师范大学物理学院电信系华中师范大学物理学院电信系电磁场理论与微波技术电磁场理论与微波技术主讲：杨河林主讲：杨河林绪论2一、课程简介一、课程简介二、电磁场理论的主要研究领域二、电磁场理论的主要研究领域 三、磁场理论发展简史三、磁场理论发展简史 四、电磁场理论的主要研究对象四、电磁场理论的主要研究对象五、课程体系五、课程体系六、教材与参考书目六、教材与参考书目七、学习的目的、方法及其要求七、学习的目的、方法及其要求 绪 论绪论3一、课程简介 本课程将在本课程将在“大学物理（电磁学）大学物理（电磁学）”的的基础上，进一步研究宏观电磁现象和电基础上，进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律

2、及其分析计算方法。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理论，具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力。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是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科生必必修的一门技术基础课修的一门技术基础课，课程涵盖的内容是合格的电，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

3、叉学科的生长点和新兴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。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

4、型（如波动方程、拉氏方程等）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，使学生对问题的能力，使学生对 场场 与与 路路 这两种既密切相关又相距这两种既密切相关又相距甚远的理论有深刻的认识，并学会用甚远的理论有深刻的认识，并学会用 场场 的观点去观察、分的观点去观察、分析和计算一些简单、典型的场的问题；为从事微波、天线、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

5、下必要的基础下必要的基础 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，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：如：无线通信原理与应用无线通信原理与应用、现代通信技术现代通信技术、电磁电磁工程工程EMCEMC、通信原理通信原理和和微波技术微波技术以及研究生有关的以及研究生有关的课程如：课程如：高等电磁理论高等电磁理论、电磁场数值方法电磁场数值方法、电磁电磁场高频方法场高频方法和和电磁波传播理论电磁波传播理论的重要基础。的重要基础。绪论6作为理论物理学的一个作为理论物理学的一个重要研究分支，主要致重要研究分支，主要致力于统一场理论和微观力于统一场理论和微观量子电动力学的

6、研究量子电动力学的研究。电磁电磁场的场的重要重要研究研究领域领域作为无线电技术的理作为无线电技术的理论基础，集中于三大论基础，集中于三大类应用问题的研究。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。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，主要研究领社会发布和获取信息的主要手段，主要

7、研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处处 理、再现和综合利用。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，电磁波作为探测未知世界的一种重要手段，主主 要研究领域为电磁波与目标的相互作用要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、特性、 目标特征的获取与重建、探测新技目标特征的获取与重建、探测新技术等。术等。 三大类应用问题：三大类应用问题：绪论8三、磁场理论发展简史三、磁场理论发展简史 1 1电磁场理论的早期研究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

8、和研究的物理现象，其中贡献最大的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。有来顿、富兰克林、伏打等科学家。 1919世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现世纪以前，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。但是由于这些研究象，没有发现电与磁的联系。但是由于这些研究 （特别是伏打（特别是伏打17991799年发明了电池），为电磁学理论年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。的建立奠定了基础。绪论91818世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙是世纪末期，德国哲学家谢林认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他认为电就是宇有活力的，而不是僵死的。他

9、认为电就是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。是相互联系的。奥斯特是谢林的信徒，他从奥斯特是谢林的信徒，他从18071807年开始研究年开始研究电磁之间的关系。电磁之间的关系。18201820年，他发现电流以力年，他发现电流以力作用于磁针。作用于磁针。2 2电磁场理论的建立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。了若干数学公式。法拉第在谢林的影响下，相信电、磁、光、

10、热是相法拉第在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特互联系的。奥斯特18201820年发现电流以力作用于磁针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，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。磁也一定能够对电产生影响。18211821年他开始探索磁年他开始探索磁生电的实验。生电的实验。18311831年他发现，当磁捧插入导体线圈年他发现，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。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麦克斯韦

11、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；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。经典电磁学的基本方程。绪论123 3电磁场理论

12、的应用和发展电磁场理论的应用和发展 18871887年，德国科学家赫兹用火花隙激励一年，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展时代，并且发展成为当代最引人注目的学科之一。学科之一。绪论13 无线电报无线电报 18951895年，意大利马可尼成功地进行年，意大利马可尼成功地进行了了2.

13、52.5公里距离的无线电报传送实验。公里距离的无线电报传送实验。18961896年，年，波波夫进行了约波波夫进行了约250250米距离的类似试验米距离的类似试验, 1899, 1899年年, , 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；19011901年，跨越大西洋的年，跨越大西洋的32003200公里距离的试验成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，获功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了得了19091909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报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。的发明，开始了利用电磁波时期。 有线电话有

14、线电话 18761876年年, ,美国美国A.G.A.G.贝尔在美国建国贝尔在美国建国100100周年博览会上展示了他所发明周年博览会上展示了他所发明 的有线电话。的有线电话。此后此后, ,有线电话便迅速普及开来。有线电话便迅速普及开来。绪论14 广播广播 19061906年，美国费森登用年，美国费森登用5050千赫频率发电千赫频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现调制，使机作发射机，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大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。的音乐。19191919年，第一个定时播发年，第一个定时播发 语言和音语言和音乐的无线电广播电

15、台在英国建成。次年乐的无线电广播电台在英国建成。次年 ，在，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。 电视电视 18841884年，德国尼普科夫提出机械扫描电年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设想，视的设想，19271927年，英国贝尔德成功地用电话年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西线路把图像从伦敦传至大西 洋中的船上。兹洋中的船上。兹沃霄金在沃霄金在19231923和和19241924年相继发明了摄像管和显年相继发明了摄像管和显像管。像管。19311931年，他组装成世界上第一个全电子年，他组装成世界上第一个全电子电视系统电视系统。绪

16、论15雷达雷达（Radio Detection and RangingRadio Detection and Ranging）二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。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英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。戒飞机的装置。19361936年，英国的瓦特设计的警年，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戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。国的轰炸机。19381938年，美国研制成第一部能指年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。挥火炮射击的火炮控制雷达。194

17、01940年，多腔磁年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。控管的发明，微波雷达的研制成为可能。19441944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。19451945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明的发明, ,使雷达更加完善。在整个第二次世界大使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间战期间, ,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。雷达成了电磁场理论最活跃的部分。绪论16卫星通信技术卫星通信技术 19581958年年, , 美国发射低轨的美国发射低轨的“斯科尔斯科尔”卫星成功卫星成功, ,这是第一颗用于通信

18、的试验卫星。这是第一颗用于通信的试验卫星。19641964年年, ,借助定点同步通信卫星首次实现了美、借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、非欧、非三大洲的通信和电视转播。三大洲的通信和电视转播。19651965年年, ,第一颗商用定第一颗商用定点同步卫星投入运行。点同步卫星投入运行。19691969年年, , 大西洋、太平洋和大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星印度洋上空均已有定点同步通信卫星, ,卫星地球站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。卫星通信经历区的通信网接通。卫星通信经历1010年的发展，

19、终趋年的发展，终趋于成熟于成熟。绪论17 卫星定位技术卫星定位技术 19571957年卫星发射成功后，人们试年卫星发射成功后，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。面及近地空间目标的定位和导航。19581958年底，美年底，美国开始研究实施这一计划，于国开始研究实施这一计划，于19641964年研究成功子年研究成功子午仪卫星导航系统。午仪卫星导航系统。19731973年美国提出了由年美国提出了由2424颗卫颗卫星组成的实用系统新方案，即星组成的实用系统新方案，即GPSGPS计划。它是英文计划。它是英文Naviga

20、tion Satellite Timing and Ranging Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System /Global Positioning System 的字头缩写的字头缩写NAVSTAR/GPSNAVSTAR/GPS的简称，其含义是利用导航卫星的简称，其含义是利用导航卫星 进行测时和测距。进行测时和测距。19901990年最终的年最终的GPSGPS方案是由方案是由2121 颗工作卫星和颗工作卫星和3 3颗在轨备用卫星组成。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电

21、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互作用及信息的提取电磁场系统的计算方法，仿真技术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、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的电磁场与电磁

22、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，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，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，经历了电磁波的经历了电磁波的传输传输、发射发射、传播传播、

23、接收接收等过程。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传输传输导导行行电电磁磁波波发射天线发射天线接收天线接收天线传播传播入射、反射、透射、绕射入射、反射、透射、绕射传输传输导导行行电电磁磁波波绪论21中、短波发射天线中、短波发射天线微波接力天线微波接力天线天线绪论22卡塞格仑天线绪论23MMDSA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、电气设备大应用。运行中的电子、电

24、气设备大多伴随着电磁能量的转换，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，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。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在这样的背

25、景下提出了电磁兼容的概念，逐渐形成了一门新学科科电磁兼容性电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,Electromagnetic Compatibility,简写简写为为EMCEMC）。）。电子系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用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。科相结合而形成的新学科。电磁兼容绪论27 生物电磁学生物电磁学也是与电磁场相也是与电磁场相关联的一门新学科，它研究电关联的一门新学科，它研究电磁场与生物系统的相互作用、磁场与生物系统的相互作用、相互影响的关系，电磁场与电相互影响的关系，电磁场与电磁波无疑是其讨论的理论依据。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电磁场理论与微波技术 静态场静态场（10610）静电场静电场静电场问题分析静电场问题分析 （第二章）（第二章）静