微波理论及应用-经典.ppt

微波理论及应用,物理与机电学院电子科学系 2011.09.19,刘颜回,有事联系我,Email: ,电话:地点: 物理馆 415#,考核方式,作业： 23次，15% 项目/论文综述：1次（23人/组），15% 考勤：4次（随机抽查），10% 考试：1次 ，60%,一、什么是微波？ 二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容 五、参考书目,绪 论,一、什么是微波？ 二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容 五、参考书目,绪 论,1.1 微波的频率范围,无 线 电 电 磁 频 谱 表 2,雷 达 电 磁 频 谱 表,雷 达 电 磁 频 谱 表,常 用 移 动 通 信 电 磁 频 谱 表,微波能像光线一样在空气或其他媒体中沿直线以光速传播,在不同的媒体界面上存在入射和反射现象。这是因为微波的波长很短,比地球上的一般物体（如舰船、 飞机、 火箭、 导弹、 汽车、 房屋等）的几何尺寸小的多或在同一个数量级。 当微波照射到这些物体上时将产生明显的反射,对于某些物体将会产生镜面反射。因此,可以制成尺寸、 体积合适的天线,用来传输信息,实现通信；可接收物体所引起的回波或其他物体发射的微弱信号,用来确定物体的方向、距离和特征,实现雷达探测。,1.2 微波的基本特性,似光性?, 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?,非电离性,一般情况下, 微波的量子能量还不够大,不足以改变物质分子的内部结构或破坏物质分子的键结构。由物理学可知,在外加电磁场周期力的作用下,物质内分子、 原子和原子核会产生多种共振现象,其中,许多共振频率就处于微波频段。这就为研究物质内部结构提供了强有力的实验手段,从而形成了一门独立的分支学科微波波谱学。,微波频带比普通的中波、 短波和超短波的频带要宽几千倍以上,这就意味着微波可以携带的信息量要比普通无线电波可能携带的信息量大的多。因此,现代生活中的移动通信、 多路通信、 图像传输、 卫星通信等设备全都使用微波作为传送手段。 微波信号还可提供相位信息、 极化信息、 多普勒频移信息等。这些特性可以被广泛应用于目标探测、 目标特征分析、 遥测遥控、 遥感等领域。,信息性,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),一、什么是微波？ 二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容 五、参考书目,绪 论, 微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能量的产生、储存、变换、传输和综合利用。 微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，主要研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用。 微波作为探测未知世界的一种重要手段，主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、目标特征的获取与重建、探测新技术等。如：遥感、遥测、遥控 、无损电磁探伤等。,微波理论的主要应用,典型应用介绍,无线通信系统 雷达探测与隐身 遥感与遥测 卫星导航 电磁设计软件开发 射频识别 能源勘探 医学影像,一、什么是微波？ 二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容 五、参考书目,绪 论,三、电磁场理论及工程发展简史,1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。 19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1799年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。,2电磁场理论的建立,18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 是宇宙的活力，是宇宙的灵魂；电、磁、光 、热是相互联系的。 奥斯特是谢林的信徒，他从1807年开始 研究电磁之间的关系。1820年，他发现电流 以力作用于磁针。,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。 法拉第在谢林的影响下，相信电、磁、光、热是相互联系的。奥斯特1820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。1821年他开始探索磁生电的实验。1831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。,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。,3电磁场理论的工程应用和发展 1887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学科之一。,无线电报 1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年，波波夫进行了约250米距离的类似试验, 1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200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1909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 1876年,美国A.G.贝尔在美国建国100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。,广播 1906年，美国费森登用50千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。1919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。 电视 1884年，德国尼普科夫提出机械扫描电视的设想，1927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1923和1924年相继发明了摄像管和显像管。1931年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。,雷达（Radio 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。1936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。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945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,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。,卫星通信技术 1958年, 美国发射低轨的“斯科尔” 卫星成功，这是第一颗用于通信的试验卫星。1964年,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。1965年,第一颗商用定点同步卫星投入运行。1969年, 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定点同步通信卫星,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10年的发展，终趋于成熟。,卫星定位技术 1957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。1958年底，美国开始研究实施这一计划，于1964年研究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统新方案，即GPS计划。它是英文Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字头缩写NAVSTAR/GPS的简称，其含义是利用导航卫星进行测时和测距。1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。,全 球 定 位 系 统 Global Positioning System(GPS),一、什么是微波？ 二、微波理论的主要应用 三、电磁场理论及工程的发展简史 四、课程内容 五、参考书目,绪 论,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,2. 课程内容及安排,电磁理论基础 9 学时 微波电路及元件 21学时 电波传播与天线 9 学时 计算电磁方法及软件介绍 3 学时 研究进展综述 3 学时 微波系统及应用 3 学时,一、什么是微波？ 二、微波理论的主要应用 三、电磁波理论及工程的发展简史 四、课程内容 五、参考书目,绪 论,主要参考书,1 Robert R. Yang 等. Electromagnetic Fields and Waves. 2 谢处方,饶克谨. 电磁场与电磁波. 第三版. 北京: 高等教育出版社 3 Balanis. Advanced Engineering Electromagnetics. Wiley 出版 4 傅君眉, 冯恩信. 高等电磁理论. 西安: 西安交通大学出版社, 2000 5 Pozar， Microwave Engineering， the 3rd Edition 6 黄香馥等， 微波固体电路 7 林为干, 微波网络 8 R. Ludwig, P. Bretchko, 射频电路设计-理论与应用 9 中国传播研究所,电波传播 10 西电/成电, 天线原理 11 汪茂光等, 阵列天线分析与综合 12 林昌禄主编, 天线工程手册 13 J. Salehi著, 叶芝慧、赵新胜译，通信系统工程 14 M.I. Skolnic, 雷达手册 15 W. C. Chew,聂在平、柳清伙译, 非均匀介质中的场与波,第一章 电磁理论基础,1.1 矢量分析 1.2 麦克斯韦方程及边界条件 1.3 基本波函数 1.4 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,1. 矢量和标量,标量：有大小，无方向的量。如：电荷，电流，能量，高度，质量等。,矢量：即有大小，又有方向的量。如：电场，磁场，力，速度等。,幅度, 单位矢量,2. 矢量加法和减法,1). 平行四边形法则: 矢量和C是以A和B为边组成的平行四边形的对角线。,2). 首尾法则: 将A的未端与B的始端相连，则C由A的始端指向B的未端。,矢量相减可以表示成下列矢量相加的特殊形式：,矢量运算遵从结合率和交换率：,3. 矢量的乘运算,3.1 与标量相乘,3.2 矢量的内积运算,两个矢量求内积，则 (1) 不大于两矢量的模的乘积; (2) 即可以是正，也可以是负，取决于两个矢量的夹角是否大于/2 ; (3) 等于一个矢量的模与另一个矢量在该矢量上的投影的乘积; (4) 当两矢量垂直时，内积为0.,两个相等矢量的内积:,矢量内积服从分配率和结合率.,Question:,3.3 矢量叉乘,矢量A与B叉乘的结果是得到矢量C，C的方向为按右手