教案 第一章 绪论

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自由空间中的。我们通常根据电磁波的特性把它划分为不同的频段。 表 1.1 无线电频段的划分 频段 甚低频 低频 中频 高频 甚高频 特高频 超高频 极高频 VLF Very Low Frequency LF Low Frequency MF Medium Frequency HF High Frequency VHF Very High Frequency UHF Ultra High Frequency SHF Super High Frequency EHF Extreme High Frequency SEHF Super Extreme High 超极高频 Frequency 微波技术最早随第二次世界大战雷达技术的使用发展起来的，那时出于军事的考虑，对实际使用的
图 1.2 电场与磁场在传播过程中的相互转化 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 Faraday 起到关键的作用。 Oersted 首先发现电可转化为磁(即线圈等效为磁铁)，但是磁向电转化的研究却遇到了挫折。而 Faraday 坚信磁也 可以转化为电。 经过无数次失败， Faraday 终于在 10 年后利用耦合线圈成功的进行了磁向电转化的实验。
第一章 绪论
微波工程是机电工程的一个分支，它研究波长相当于系统物理尺寸的无线电波的传输、控制、探测 和产生。 大致可以把 300MHz-3000GHz (对应空气中波长 λ =1m-0.1mm )这一频段的电磁波称之为微波，毫米 波是微波中的一部分，它介于 10 ∼ 0.03mm 之间。微波介于超短波和红外光波之间。
微波技术的发展历史，是以电磁波的发现开始的。有关电磁波的概念最早是法拉第（Michael Faraday, 《有关射线振动的思考》 。他 1791-1867）在 1846 年在伦敦皇家协会的一次讲座上提出的，他的题目是： 在演讲中包含了磁场通过横向振动传播的思想。后来，麦克斯韦（James Clerk Maxwell, 1831-1879）完 善了这一思想。麦克斯韦基本上是一个理论家，他将法拉弟在实验中得到的思想变为数学关第，结果得 到了用以描述电磁基本定律的四个关系式，我们现在称之为了 Maxwell 方程组。现在，这一方程组与牛 顿力学三定律，量子理论和相对论一起构成了现代人类对物理世界认识的基础。Maxwell 方程组是非常
图 1.1 微波在电磁波频谱中的位置
电磁波波长与频率之间的关系为 f λ = c = 3 ×108 m / s 其中频率 f 以赫兹（Hertz）为单位，波长 λ 以米为单位， c 是光速。这个关系是在真空（自由空间） 成立的，在介质中，波长 λ 将缩短。除非本书中其它地方特别说明，都假定频率和波长之间的关系是在
300GHz-3THz
0.1-1mm
频率采用代号来表示，这些代号由于与器件的适用频率相关，所以一直沿用下来。 表 1.2 波段 L LS S C XC X Ku K Ka Q 雷达波段的划分 频率 1.12-1.7GHz 1.7-2.6GHz 2.6-3.95GHz 3.95-5.85GHz 5.85-8.2 GHz 8.2-12.4 GHz 12.4-18 GHz 18-26.5 GHz 26.5-40 GHz 33-50 GHz 3 cm 10 cm 5 cm 波长
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基本的方程，它不象牛顿定律在粒子速度接近光速时那样需要进行修正。 赫兹（Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894）在 1886 到 1888 年间的实验证实了麦克斯韦的预见。赫 兹有在约 10cm 波长的振荡电火使分离的导体环产生了相同的振荡。这是最早的类似微波实验。最早在 微波频谱范围进行实验研究的是由马可尼（Guglielmo Marconi, 1874-1937）在 20 世纪进行的。马可尼建 造了抛物面天线（parabolic antenna） ，使用 550MHz 的电磁享演示无线电报通讯。人们把马可尼看做第一 个“微波工程师” ，这是因为这些划世纪的实验展示了更高频率的应用。 在关波导的深入研究是由 George C. Southworth 在 1930 年间完成的。在早期的实验中，他还观察到 了驻波并证实与实验设备尺寸有关。1933 年 Southworth 和他的同事们在 AT&T 通过 6m 长的波导发射并 接收到了电报信号。 其后，在微波技术领域的另一个重要进展是在 1937 年研制出了产生连续微波的源，称为速调管 （Klystron） 。这种微波真空管是由 Sperry Gyroscop Company 资助，在 Stanford 由 Russell，Sigurd Varian 和 William Hansen 发明的。它们的目的是希望研制出用于飞机在恶劣天气情况下的着陆设备。同时，一 些公司（如 AT&T，ITT，Marconi）则资助用于通信系统的微波研究。 由于这些在二战前的研究，无线电探测与定位－雷达（radar）激励人们对微波研究迅速增加。大多 数现在使用的微波器件都是在二战期间在英国、美国和战争实验室里研制的。关于这段时间微波技术的 发展历史，在由 MIT Radiation Laboratory 成员所撰写的 28 卷文件中有详细的叙述。
图 1.5 波在时空中的传播 微波优于其它电磁波波谱的原因在于它的短波长相干辐射和宽的可用频谱。短波长相干导致高定向 性和人辨力。在长波情况下，要实现相同的定向性和分辨力需要非常大尺寸的天线。这里，分辨力定义 为天线区分两个不同反射物体的能力。相反，红外波谱在可能获得更高的定向性的分辨力。但很多红外 光源在是单色的（发射单一相干频率） ，且红外频谱除了少数窄的“窗口”或小衰减区域外，在大气中传 播时会受到严重的衰减。因此，对一些应用领域，微波能实现超过其它频谱的最好的系统性能。它具有 高定向性，高分辨力，和低大气衰减的特点。 另一个微波的主要优点是宽的可用通信频谱范围。例如，频率范围 10cm 到 1cm 间的载波为
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1.2 微波的基本特性
我们先来观查麦克斯韦方程组所蕴的物理意义，Maxwell 方程组中独立方程主要表现为前面二个， 即
⎧ ∂D ⎪∇ × H = ∂ t + J ⎪ ⎨ ⎪∇ × E = − ∂ B ⎪ ∂t ⎩
这两个方程左边物理量为磁场强度(或电场强度)，而右边物理量则为电场强度(或磁场强度)。这中间 的等号深刻揭示了电场强度与磁场强度的相互转化，相互依赖，相互对立，共存于统一的电磁波中。正 是由于电场强度不断转换为磁场强度，而磁场强度又不断转成为电场强度，才会发生能量交换和贮存。
(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
U M E F G R
40-60 GHz 50-75 GHz 60-90 GHz 90-140 GHz 140-220 GHz 220-325 GHz
通常所讲的微波是波长为 λ = 1m ∼ 0.1mm 的电磁波，对应的频率为 f = 300 MHz ∼ 3000GHz 。
1.1 微波技术的早期研究
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成。但是做为开始，一本面向新微波工程师的书籍，应当首先介绍当前所需的微波器件设计技术。现代 先进微波技术利用半导体器件来进行微波信号的产生、控制、放大、以及检测等等。比效先进的系统已 经采用微波集成电路（MIC） 。射频（RF）信号的处理可在传输线结构的电路中进行，这种结构采用高 介电常数材料基片（为减小尺寸）和横电磁波（TEM）传输线，如微带线。当前的发展趋势是向更高频 率（10GHz 或更高）以使电路更加小型化。现在的 MIC 技术是采用氧化铝基片而将电路芯片置于其上， 今后的技术是采用单片结构，在这种结构中传输线和器件都在砷化镓基片上制备出来。为进行这种电路 的设计和分析，其计算模型需要十分精确，以使其后改动和修正最小。微波单片集成电路（MMIC）是 从常规微波集成电路（MIC）发展起来的，因此，深入学习常规微波集成电路是为准备今后的微波工作 的开端。
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这一实验不仅证实了电磁转换，而且知道了只有变化的磁磁场才能转换为电。 ．．．．．．
图 1.3 回路中的电磁振荡
图 1.4 单摆
还需要提到：电磁转换为电磁波理论的建立奠定了基础，但不一定是必然的。例如电磁振荡也是典 型的电磁转换，却不是波。 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。 研究 Maxwell 方程两边的运算，从物理上看，运算反映一种作用(Action)。方程的左边是空间的运算
1.4 现代微波技术发展概况
为在有限的容量内编写本书，其内容须在读者应当了解的知识和已经了解的知识之间进行平衡。大 量有关微波的书籍都是从麦克斯韦方程开始，然后进入马拉松式的数学推导。其实微波技术比这些要有
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趣得多，物理概念对微波来说更重要且更有意义。我们认为数学推导应放在需要的时候再进行。本书编 写从更加吸引人的微波系统应用开始。 现代微波技术和计算理论使我们能对微波电路在计算机上进行深入细致的分析。我们可以在“纸” 上（实际上是在计算机内存中）建立电路，对其在任意所需的频率范围进行激励并调整其温度变化、介 质参数、材料尺寸等，以对其性能进行确定。计算机可以计及许多在微波技术中比较复杂的因素，如不 连续性引起的波型畸变、随频率变化的波速、以及会对整个系统产生影响的小衰减的积累等。当计算机 模型达到今人满意的性能，就可以设计实验模型并进行测试。实验测试可以利用计算机控制的网络分析 仪进行， 如果存在实验模型与计算模型不一致的地方， 可再利用计算机进行仿真计算并进行必要的调整。 在现代计算机和计算软件出现之前，这一过程十分缓慢并且多依赖经验进行。当前所使用的数学概念直 到 50 年代才出现。那时无法将离散器件与传输线放在同一个公式或方程中。现在我们很容易用 ABCD 矩阵来处理这些不同的器件， 同时用 S 参数来进行测量。 利用矩阵方程处理这两种不同器件的数学方法， 为今天利用计算机解决大多数微波分析与设计问题奠定的基础。 计算机的另一个优点是其可处理和存储大量的数据。 因此当使用象 SUPER-COMPACT@这样的大型 计算软件时，大量的查表数据已存在文件中并根据需要进行调用。 那么当今微波工程和研究人员需要知道哪些知识来从事他们的工作呢？不可替代的是他们需要学习 所有的微波基础知识。最重要的是找出系统设计最初所要追求的设计目标。通常情况下，最初的作者对 系统给出的整体论述比其它人更完整。理解系统设计思想的过程通常需要反复的查找文献的文献才能完