微波理论及应用PPT教案

1、微波理论及应用微波理论及应用第1页/共49页一、什么是微波？一、什么是微波？二、微波理论的主要应用二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容四、课程内容五、参考书目五、参考书目第2页/共49页一、什么是微波？一、什么是微波？二、微波理论的主要应用二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容四、课程内容五、参考书目五、参考书目第3页/共49页频段2 音频（VF)） 8 基低频（VLF） 4 低 频 （LF） 5 中 频（MF） 6高 频（HF） 7 甚高频（VHF ） 8 特高频（UHF

2、） 9超高频（SHF） 10极高频（EHF） 11121314 超长波（VLW） 长波（LW） 中波（MW） 超短波（VSW）（米波）分米波厘米波毫米波 3Hz 30Hz 300Hz 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz105km 104km 103km 102km 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 100 10 1 （公里） （米） （厘米）（毫米） （微米） 无无 线线 电电 电电 磁磁 频频 谱谱 表表 1 1 短波（SW） 音 频雷达频率微波微波频

3、段频段红外视 频1.1 微波的频率范围微波的频率范围第4页/共49页无无 线线 电电 电电 磁磁 频频 谱谱 表表 2第5页/共49页雷雷 达达 电电 磁磁 频频 谱谱 表表第6页/共49页雷雷 达达 电电 磁磁 频频 谱谱 表表第7页/共49页常常 用用 移移 动动 通通 信信 电电 磁磁 频频 谱谱 表表第8页/共49页1.2 微波的基本特性微波的基本特性似光性似光性?第9页/共49页 微波照射某些物体时,能够深入物体的内部。微波（特别是厘米波段）信号能穿透电离层，成为人们探测外层空间的宇宙窗口； 能够穿透云雾、 植被、 积雪和地表层,具有全天候的工作能力,是遥感技术的重要手段； 能够穿透

4、生物组织,是医学透热疗法的重要方法； 能穿透等离子体，是等离子体诊断、 研究的重要手段。穿透性穿透性?第10页/共49页非电离性非电离性第11页/共49页信息性信息性第12页/共49页色散传输特性色散传输特性 电波传播大气窗口 36GHz(8mm), 94GHz(3.2mm) 电波传播衰减峰 22GHz(15mm), 60GHz(5mm)1022366094110200.010.1110100大气衰减 d B / kmGHzH2OH2OO2O2第13页/共49页一、什么是微波？一、什么是微波？二、微波理论的主要应用二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史三、电磁场理论及工程的发展

5、简史 四、课程内容四、课程内容五、参考书目五、参考书目第14页/共49页第15页/共49页 典型应用介绍典型应用介绍无线通信系统无线通信系统雷达探测与隐身雷达探测与隐身遥感与遥测遥感与遥测卫星导航卫星导航电磁设计软件开发电磁设计软件开发射频识别射频识别能源勘探能源勘探医学影像医学影像第16页/共49页一、什么是微波？一、什么是微波？二、微波理论的主要应用二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容四、课程内容五、参考书目五、参考书目第17页/共49页三、电磁场理论及工程发展简史三、电磁场理论及工程发展简史1 1电磁场理论的早期研究电磁场理论

6、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。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。 1919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17991799年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。第18页/共49页2 2电磁场理论的建立电

7、磁场理论的建立 18 18世纪末期，德国哲学家世纪末期，德国哲学家谢林谢林认为，宇认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他认为电就宙是有活力的，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、光是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光、热是相互联系的。、热是相互联系的。 奥斯特奥斯特是谢林的信徒，他从是谢林的信徒，他从18071807年开始年开始研究电磁之间的关系。研究电磁之间的关系。18201820年，他发现电流年，他发现电流以力作用于磁针。以力作用于磁针。第19页/共49页 安培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。

8、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。奥斯特在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特18201820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。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。18211821年他开始探索磁生电的实验。年他开始探索磁生电的实验。18311831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。年

9、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。第20页/共49页 麦克斯韦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。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

10、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。第21页/共49页3 3电磁场理论的工程应用和发展电磁场理论的工程应用和发展 18871887年，德国科学家年，德国科学家赫兹赫兹用火花隙激用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线励一个环状天线，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

11、最引人注目的学科之代，并且发展成为当代最引人注目的学科之一。一。第22页/共49页无线电报无线电报 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公里距离的无线电报传送实验。公里距离的无线电报传送实验。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。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了公里距离的试验成功。马可尼以其在无线

12、电报等领域的成就，获得了19091909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。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。有线电话有线电话 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的有线电话。此后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。有线电话便迅速普及开来。第23页/共49页广播广播 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。千赫频

13、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。19191919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。，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至大西洋中的船上。兹沃霄金在年，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1923192

14、3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。第24页/共49页雷达雷达（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。英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。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。19361936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。年，英国的

15、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。19381938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。19401940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。年，多腔磁控管的发明，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的发明年，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

16、的部分。雷达成了电磁场理论最活跃的部分。第25页/共49页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，这是第一颗用于通信的试验卫星。卫星成功，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点同步通信卫星大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步

17、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1010年的发展，终趋于成熟年的发展，终趋于成熟。第26页/共49页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。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。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

18、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新方案，即颗卫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Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System Navigation Satellite Timing and Ranging /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进行测时和测距。的简称，其含义是利用导航卫星进行

19、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。第27页/共49页 全全 球球 定定 位位 系系 统统 Global Positioning System(GPS)第28页/共49页一、什么是微波？一、什么是微波？二、微波理论的主要应用二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容四、课程内容五、参考书目五、参考书目第29页/共49页接收机接收天线馈线下行波发射机发射天线馈线导行波1. 微波系统的基本组成微波系统的基本组成第30页/共49页2

20、. 课程内容及安排课程内容及安排电磁理论基础电磁理论基础 9 学时学时微波电路及元件微波电路及元件 21学时学时电波传播与天线电波传播与天线 9 学时学时计算电磁方法及软件介绍计算电磁方法及软件介绍 3 学时学时研究进展综述研究进展综述 3 学时学时微波系统及应用微波系统及应用 3 学时学时第31页/共49页一、什么是微波？一、什么是微波？二、微波理论的主要应用二、微波理论的主要应用 三、电磁波理论及工程的发展简史三、电磁波理论及工程的发展简史 四、课程内容四、课程内容五、参考书目五、参考书目第32页/共49页 1 Robert R. Yang 等等. Electromagnetic Fiel

21、ds and Waves. 2 谢处方谢处方,饶克谨饶克谨. 电磁场与电磁波电磁场与电磁波. 第三版第三版. 北京北京: 高等教育出版高等教育出版社社 3 Balanis. Advanced Engineering Electromagnetics. Wiley 出版出版 4 傅君眉傅君眉, 冯恩信冯恩信. 高等电磁理论高等电磁理论. 西安西安: 西安交通大学出版社西安交通大学出版社, 2000 5 Pozar， Microwave Engineering， the 3rd Edition 6 黄香馥等，黄香馥等， 微波固体电路微波固体电路 7 林为干林为干, 微波网络微波网络 8 R. Lu

22、dwig, P. Bretchko, 射频电路设计射频电路设计-理论与应用理论与应用 9 中国传播研究所中国传播研究所,电波传播电波传播 10 西电西电/成电成电, 天线原理天线原理 11 汪茂光等汪茂光等, 阵列天线分析与综合阵列天线分析与综合 12 林昌禄主编林昌禄主编, 天线工程手册天线工程手册 13 J. Salehi著著, 叶芝慧、赵新胜译，叶芝慧、赵新胜译，通信系统工程通信系统工程 14 M.I. Skolnic, 雷达手册雷达手册 15 W. C. Chew,聂在平、柳清伙译聂在平、柳清伙译, 非均匀介质中的场与波非均匀介质中的场与波 第33页/共49页第一章第一章 电磁理论基础

23、电磁理论基础1.1 矢矢量分析量分析1.2 麦克斯韦方程及边界条件麦克斯韦方程及边界条件1.3 基本波函数基本波函数1.4 均匀及平面分层介质中的电磁波均匀及平面分层介质中的电磁波1.5 积分方程与格林函数积分方程与格林函数第34页/共49页1. 矢量和标量矢量和标量 标量：有标量：有大小大小，无，无方向方向的量。如：电荷，电流，能量，的量。如：电荷，电流，能量，高度，质量等。高度，质量等。 矢量：即有矢量：即有大小大小，又有，又有方向方向的量。如：电场，磁场，力，的量。如：电场，磁场，力，速度等。速度等。AAAAaAaAaAAAA幅度幅度, 单位矢量单位矢量第35页/共49页2. 矢量加法和

24、减法矢量加法和减法BAC1). 平行四边形平行四边形法则法则: 矢量和矢量和C是以是以A和和B为边组成的平行四边形为边组成的平行四边形的对角线。的对角线。2). 首尾首尾法则法则: 将将A的未端与的未端与B的始端相连，则的始端相连，则C由由A的始端指向的始端指向B的未端。的未端。第36页/共49页BAC矢量矢量相减相减可以表示成下列矢量可以表示成下列矢量相加相加的特殊形式：的特殊形式：BaBBABAB)( , )(第37页/共49页矢量运算遵从矢量运算遵从结合率结合率和和交换率交换率：CBACBAABBA)()(3. 矢量的乘运算矢量的乘运算3.1 与标量相乘与标量相乘 ()()AAkAakAkAkaA第38页/共49页3.2 矢量的矢量的内积内积运算运算 ABABBAcos两个矢量求内积，则两个矢量求内积，则 (1) 不大于两矢量的模的乘积不大于两矢量的模的乘积; (2) 即可以即可以是正，也可以是负，取决于两个矢量的夹角是否大于是正，也可以是负，取决于两个矢量的夹角是否大于 /2 ; (3) 等等于一个矢量的模与另一个矢量在该矢量