电磁场与电磁波课件完整版

1、 刘岚刘岚 黄秋元等黄秋元等 编著编著 电子工业出版社电子工业出版社普通高等学校电气信息类专业基础课类教材武汉理工大学信息工程学院 黄秋元电磁场与电磁波电磁场与电磁波理论基础理论基础通信技术研究所：http:/ 三、磁场理论发展简史三、磁场理论发展简史 四、电磁场与电磁波基础理论主要研究对象四、电磁场与电磁波基础理论主要研究对象五、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l随着信息时代飞速发展，尤其是电子计算机运行速度和通信传输速率的不断增加，系统的工作频率或运行速度不断攀升。带来的问题是什么？l在通信系统中，不管是有线还

2、是无线、数字还是模拟，其信号在信道的传输事实上都是电磁波的传播。l移动通信、卫星通信、无线宽带等无线通信应用越来越广泛，离不开电磁场与电磁波的理论l电子工艺技术的不断发展，高速器件（或叫快速上升沿的器件）不断的广泛应用，导致哪些问题的出现？l电路设计人员需要用“场”来解释电路与系统的居多问题l为学习移动通信、微波技术、光纤通信等后续专业课程或从事电磁工程研究做好充分的准备是通信专业本科必须掌握的知识结构之一是通信专业本科必须掌握的知识结构之一。通过本课程的学习，使大家掌握电磁场的基本规律，深刻理解麦克斯通过本课程的学习，使大家掌握电磁场的基本规律，深刻理解麦克斯韦方程组以及电磁场、电磁波的性质

3、；韦方程组以及电磁场、电磁波的性质；熟悉与掌握电磁场问题的数学模型（如波动方程、拉氏方程等）的建熟悉与掌握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；培养大家正确的思维方法和分析问题的能力，立过程以及分析方法；培养大家正确的思维方法和分析问题的能力，使大家对使大家对“场场”与与“路路”这两种既密切相关又相距甚远的理论有深刻这两种既密切相关又相距甚远的理论有深刻的认识，并学会用的认识，并学会用“场场”的观点去分析和计算一些简单、典型电磁问的观点去分析和计算一些简单、典型电磁问题；题；为从事高频与高速电路设计、微波、天线、电子技术、通信和电磁兼为从事高频与高速电路设计、微

4、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容等领域的研究及解决实际问题打下必要的基础电磁场是一个矢量场。不仅要知道场量大小，还要电磁场是一个矢量场。不仅要知道场量大小，还要知道其方向，场是空间分布的，因此涉及到三维或知道其方向，场是空间分布的，因此涉及到三维或四维的矢量微积分四维的矢量微积分 运算。难点之一运算。难点之一电磁场课程是理论性较强的实际问题分析，因此要电磁场课程是理论性较强的实际问题分析，因此要重视物理概念和和表达式的物理意义。难点之二重视物理概念和和表达式的物理意义。难点之二l所学课程的内容不是物理模型，就是数学模型，所做的讲解或分析均是将二者之间

5、的联系l我们认识事物的规律： 物理模型 数学模型 物理模型l本课程从一些实际电磁现象（物理模型）出发，总结出电磁场的基本规律（数学模型）：麦克斯韦方程组，再用这个基本规律解释一些实际的电磁现象（物理模型）。 实际电磁现象实际电磁现象 电磁场（矢量场）电磁场（矢量场） 方程（矢量方程（矢量方程）方程） 解决实际问题解决实际问题l本课程自始至终是把电磁现象用场场的概念来讨论。什么是场呢？场是指能够产生某种物理现象的空间场是指能够产生某种物理现象的空间区域，是一种特殊的物质，具有能量。区域，是一种特殊的物质，具有能量。l场的描述：场的特征是用一个或几个确定的物理量来描述它。场场的描述：场的特征是用一

6、个或几个确定的物理量来描述它。场与物理量呈对应关系。研究场事实上是研究描述场的物理量。与物理量呈对应关系。研究场事实上是研究描述场的物理量。l场的分类场的分类：标量场标量场：若所研究场的物理量是一个标量，即只用数值大小来描述的场,如温度场、压力场、密度场、电位场等。 矢量场矢量场：若所研究场的物理量是一个矢量，即不仅要用数值大小，还要用方向来描述的场，如重力场、速度场、电场、磁场等。静态场静态场：不随时间变化的场，即描述场的物理量是不随时间变化的，如静电场时变场时变场：随时间变化的场，即描述场的物理量是随时间变化的，如时变电磁场、空间温度场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，

7、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研究量子电动力学的研究。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。三、电磁场理论的主要研究领域射频通信电路与高速通信电射频通信电路与高速通信电路的路的PCB设计和系统设计设计和系统设计 电磁场（或电磁波）电磁场（或电磁波）作为能量的一种形式作为能量的一种形式，是，是当今世界最重要的能源，其当今世界最重要的能源，其研究领域涉及电磁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电磁

8、波作为信息传输的载体，成为当今人类，成为当今人类社会发布和获取信息的主要手段，社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领主要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。 电磁波电磁波作为探测未知世界的一种重要手段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。 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

9、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。1818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。有活力

10、的，而不是僵死的。他认为电就是宇他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，他年，他发现电流以力发现电流以力作用于磁针。作用于磁针。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过电流的导线的垂直线方向相互垂直，并定量建立，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、热是相法拉第在

11、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，后，法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，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。时；导线圈中就产生电流。这表明，电与磁之间存这表明，电与磁之间存在着密切的联系。在着密切的联系。 麦克斯韦麦克斯韦深入研究并探讨了电与磁之间发生作深入研究并探讨了电

12、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，引进位基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引进位移电流的概念。移电流的概念。 这个概念的核心思想是这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生：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。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，称为现象的基本规律，称为麦克斯韦方程组，是经麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。典电磁学的基本方程。3 3电磁场理论的应用和发展电磁场理论的应

13、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，收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，言，这一重要的实验导致了后来无线电报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。 无线电报无线电报 18951895年，意大利马可尼成功地进行了年，意大利马可尼成功地进行了2.52.5公里距离的无线公里距离的无

14、线电报传送实验。电报传送实验。 18961896年，波波夫进行了约年，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公里距离的试验成功。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，获得了马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了19091909年的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。波时期。 有线电话有线电话 18761876年

15、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周年博览会上展示了他所发明他所发明 的有线电话。此后的有线电话。此后, ,有线电话便迅速普及开来。有线电话便迅速普及开来。 广播广播 19061906年，美国费森登用年，美国费森登用5050千赫频率发电机作发射机，用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。了他从波士顿播出的音乐。 19191919年，第一个定时播发年，第一个定时播发 语言和音乐的无线电广播电语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。台

16、在英国建成。 次年次年 ，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。，在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视的设想，年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设想， 19271927年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西至大西 洋中的船上。洋中的船上。 兹沃霄金在兹沃霄金在19231923和和19241924年相继发明了摄像管和显像管。年相继发明了摄像管和显像管。 19311931年，他组装成世界上第一个全电子电视系统年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。雷达雷达（Radio De

17、tection 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戒雷达最先投入了运行。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。有效地警戒了来自德国的轰炸机。 19381938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。制雷达。 19401940年，多腔磁控管

18、的发明，微波雷达的研制成为可年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。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的年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明发明, ,使雷达更加完善。使雷达更加完善。 在整个第二次世界大战期间在整个第二次世界大战期间, ,雷达成了电磁场理论最活雷达成了电磁场理论最活跃的部分。跃的部分。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的试验卫星。这是第一颗用于

19、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、非三大洲的通信和电视转播。欧、非三大洲的通信和电视转播。 19651965年年, ,第一颗商用定点同步卫星投入运行。第一颗商用定点同步卫星投入运行。 19691969年年, , 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星点同步通信卫星, ,卫星地球站已遍布世界各国，这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。些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。 卫星通信经历卫星通信经历1010年的发展，终趋于成熟年的发展

20、，终趋于成熟。 卫星定位技术卫星定位技术 19571957年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入年卫星发射成功后，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。目标的定位和导航。 19581958年底，美国开始研究实施这一计划，于年底，美国开始研究实施这一计划，于19641964年研究成功子午仪卫星导航系统。年研究成功子午仪卫星导航系统。 19731973年美国提出了由年美国提出了由2424颗卫星组成的实用系统颗卫星组成的实用系统新方案，即新方案，即GPSGPS计划。它是英文计划。它是英文Navigation Naviga

21、tion Satellite Timing and Ranging /Global Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System Positioning System 的字头缩写的字头缩写NAVSTAR/GPSNAVSTAR/GPS的的简称，其含义是利用导航卫星进行测时和测距。简称，其含义是利用导航卫星进行测时和测距。 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颗颗在轨备用卫星组成。在轨备用卫星组成。l目前，我国常见的无线广域通信网络主要有CDMA、GPRS、CDPD等网络

22、制式类型 l无线局域网：LMDS、MMDS、Wi-Fi、WiMAX、3G 、UWB、Bluetooth 等等研究电、磁相互作用的基本规律、以及电磁与研究电、磁相互作用的基本规律、以及电磁与物质作用的基本规律物质作用的基本规律电磁场系统的计算方法，仿真技术电磁场系统的计算方法，仿真技术分析工程技术应用中的电磁场理论问题分析工程技术应用中的电磁场理论问题当今世界，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

23、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

24、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，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。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MMDSA型微波天线MMDSC型微波天线对数周期天线描述了一些新的面积阵列元件，这些元件要求采用微孔工艺实现信号的有效传输。左侧是384个引脚焊料球、0.8mm间距的uBGA器件，右侧是1247个引脚焊

25、料柱、1.0mm间距的CCGA（Ceramic Column Grid Array）器件 l在传统的在传统的PCB设计流程中，依次由电路设计、版图设设计流程中，依次由电路设计、版图设计、计、PCB制作、测量调试等步骤组成。其设计流程是制作、测量调试等步骤组成。其设计流程是单循环的单循环的 ：电路电路设计设计版图版图设计设计PCB制作制作测量测量调试调试设计设计定稿定稿修改修改设计设计多次重复多次重复l传统电路设计只能依赖设计人员的经验：传统电路设计只能依赖设计人员的经验：在实际在实际PCB板设计过程板设计过程中，由于对信号缺乏有效的信号传输特性分析方法和手段，电路中，由于对信号缺乏有效的信号传

26、输特性分析方法和手段，电路的设计一般只能根据元器件厂家和专家建议及过去的设计经验来的设计一般只能根据元器件厂家和专家建议及过去的设计经验来进行。所以进行。所以对于一个新的设计项目而言，通常都很难根据具体情对于一个新的设计项目而言，通常都很难根据具体情形作出信号拓扑结构和元器件的参数等因素的正确选择形作出信号拓扑结构和元器件的参数等因素的正确选择。 l传统的传统的PCB版图设计阶段，同样因为很难对版图设计阶段，同样因为很难对PCB板的板的元器件布局和信号布线所产生的信号性能变化作出实元器件布局和信号布线所产生的信号性能变化作出实时分析和评估，所以时分析和评估，所以版图设计的好坏更加依赖于设计版图

27、设计的好坏更加依赖于设计人员的经验。人员的经验。在在PCB板制作阶段，由于各板制作阶段，由于各PCB板及元板及元器件生产厂家的工艺不完全相同，所以器件生产厂家的工艺不完全相同，所以PCB板和元器板和元器件的参数一般都有较大的公差范围，使得件的参数一般都有较大的公差范围，使得PCB板的性板的性能更加难以控制。能更加难以控制。l传统的设计方法事实上是一种传统的设计方法事实上是一种问题补救法问题补救法：致命弱点是流程中没有控制点，设计过程不可控；致命弱点是流程中没有控制点，设计过程不可控；设计进度、设计质量过分依赖于设计人员的经验；设计进度、设计质量过分依赖于设计人员的经验；设计结果不可预测，无法保

28、证设计质量；设计结果不可预测，无法保证设计质量；容易出现设计反复，设计周期长。容易出现设计反复，设计周期长。l这种方法与电子产品、通信产品竞争激烈、新这种方法与电子产品、通信产品竞争激烈、新产品上市的时间要求越来越短的特点相冲突产品上市的时间要求越来越短的特点相冲突l因此因此传统设计方法不适合高速通信系统的设计。传统设计方法不适合高速通信系统的设计。事实上，越是在产品开发的后期，解决问题的事实上，越是在产品开发的后期，解决问题的手段则越高。手段则越高。l随着电路速率与频率的提高，电路与随着电路速率与频率的提高，电路与PCB板设计必须板设计必须考虑信号完整性问题，进入了考虑信号完整性问题，进入了

29、仿真一体化设计阶段仿真一体化设计阶段l要解决信号完整性问题，人们越来越依赖于采用基于要解决信号完整性问题，人们越来越依赖于采用基于信号仿真的一体化设计流程（如下图）信号仿真的一体化设计流程（如下图）l其基本思想为利用仿真技术，在产品设计早期尽可能其基本思想为利用仿真技术，在产品设计早期尽可能多的利用多的利用EDA技术，对原理图和技术，对原理图和PCB板图进行板图进行多点控多点控制的设计过程。制的设计过程。lPCB板设计中利用解决信号完整性问题，提出满足信板设计中利用解决信号完整性问题，提出满足信号完整性要求、时序要求、号完整性要求、时序要求、EMC/EMI要求，并满足加要求，并满足加工制造与测

30、试的总体方案和设计准则，工制造与测试的总体方案和设计准则，最大限度地降最大限度地降低产品成本，缩短研发周期。低产品成本，缩短研发周期。矩形波导圆波导平行双线同轴线微带线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

31、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