Ch01微波技术 课件

一、Maxwell方程组的物理意义
4. 在Maxwell方程中还存在另一对矛盾对抗，即 Maxwell方程中还存在另一对矛盾对抗， 方程中还存在另一对矛盾对抗 v v ∂D v ∇× H = +J ∂t 方程(1-2)右边两项，而方程(1-3)右边一项，这就 方程(1-2)右边两项，而方程(1-3)右边一项， (1 右边两项 (1 右边一项 构成了Maxwell方程本质的不对称性。 Maxwell方程本质的不对称性 构成了Maxwell方程本质的不对称性。尽管为了找 v 的存在， 其对称性而一直在探索磁流 M 的存在，但到目前 为止始终未果。另外， 为止始终未果。另外， r r 构成一对矛盾， ∂D ∂t 和 J 构成一对矛盾，在时域中 v v ∂D v (1-6) (1+ J = ( jωε +σ )E ∂t
超短波
红外光
图 1-1
一、Maxwell方程组的物理意义
对于任何波，波长和频率与波速相关 对于任何波， v c λ= =
f f
(1-1) (1-
因此，只用一个波长λ( λ(或频率 因此，只用一个波长λ(或频率f)不能确定是 何种波。例如，在某些情况下， 何种波。例如，在某些情况下，声波也有与微波相 近的波长，这样就可构成声波与微波的相互作用。 近的波长，这样就可构成声波与微波的相互作用。 把微波波段单独列出来，必然有它的独特原因， 把微波波段单独列出来，必然有它的独特原因，也 必然构成它独特的研究方法。 必然构成它独特的研究方法。
图 1-6
波在导体中的衰减
二、波动的客观性和主观性
现象是客观存在的， 现象是客观存在的，客观存在的事物一定能表现 出来吗?未必。它的表现与观察者及环境有关。 出来吗?未必。它的表现与观察者及环境有关。 地球是一个圆球(严格地说是似椭圆球) 地球是一个圆球 ( 严格地说是似椭圆球 ) 。 但直至 哥伦布发现新大陆才算最后解决。 哥伦布发现新大陆才算最后解决。因为人与地球上的 尺寸比太微小了。现在， 尺寸比太微小了。现在，宇航员通过航天飞机清晰地 看到了地球。 看到了地球。 太大的物体不好研究，同样， 太大的物体不好研究，同样，太小的物体也不好 研究。 研究。只有和我们人类尺寸相当的物体才比较容易研 究。
课程特点
I.T.人才应具备的基本知识： I.T.人才应具备的基本知识： 人才应具备的基本知识 计算机技术、路技术、 计算机技术、路技术、波技术 等 学习方法 1. 数学与概念相结合； 数学与概念相结合； 2. 理论与实践相结合； 理论与实践相结合； 3. 方法与思想相结合。 方法与思想相结合。
第1章
绕地球一圈只有三个波长。 绕地球一圈只有三个波长。
图1-7 波长长的情况
图1-8 波长短的情况
二、波动的客观性和主观性
光波是Newton Huygens的著 Newton和 ［例2］光波是Newton和Huygens的著 名争论。Newton一方强调光的粒子性 一方强调光的粒子性， 名争论。Newton一方强调光的粒子性， 事实上对于日常所见的物体， 事实上对于日常所见的物体，光确实 表现为粒子直线性。但是， 表现为粒子直线性。但是，随着显微 镜的发展，要观察极小物体时， 镜的发展，要观察极小物体时，即所 观察的物体大小与波长可比拟时， 观察的物体大小与波长可比拟时，无 法观察成功。 法观察成功。这是因为光学显微镜的 基础是光以直线传播的——于是人类 基础是光以直线传播的 于是人类 发明了电子显微镜。 发明了电子显微镜。
图 1-4 图 1-3
电磁振荡
单摆
一、Maxwell方程组的物理意义
这一实验不仅证实了电磁转换， 这一实验不仅证实了电磁转换，而且知道了只 有动磁才能转换为电。 有动磁才能转换为电。 还需要提到： 电磁转换为电磁波的出现提供了 还需要提到 ： 可能， 但不一定是现实。 可能 ， 但不一定是现实 。 例如电磁振荡也是典型的 电磁转换。而没有引起波(Wave)。 电磁转换。而没有引起波(Wave)。 作为力学类比， 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。 能与势能的转化。
一、Maxwell方程组的物理意义
所以，也可以说是 σ 和 ωε 之间的矛盾，这一对矛盾主 所以， 之间的矛盾， 要反映媒质情况。 称为良导体， 要反映媒质情况。当 σ ωε 称为良导体，这种情况下 波动性降为次要矛盾，其情况是波长缩短，波速减慢， 波动性降为次要矛盾 ， 其情况是波长缩短 ， 波速减慢 ， 且迅速衰减。波一进入导体会“短命夭折” 且迅速衰减 。 波一进入导体会 “ 短命夭折 ” ， 这一问 题将在波导理论中作详尽讨论。波动性不仅与ω有关， 题将在波导理论中作详尽讨论 。 波动性不仅与 ω 有关 ， 还与媒质有关。 还与媒质有关。 例如：微波炉， 例如：微波炉，潜艇通信
一、Maxwell方程组的物理意义
从理论上讲， 一切电磁波( 包括光波) 从理论上讲 ， 一切电磁波 ( 包括光波 ) 在宏观媒 质中都服从Maxwell方程组。因此， Maxwell方程组 质中都服从 Maxwell方程组。 因此 ，深入研究和考察 将有助于了解电磁波动的深入含义。 波动的深入含义 它，将有助于了解电磁波动的深入含义。 人类首次实现的Hertz 电磁波试验 人类首次实现的 Hertz电磁波试验 ， 从现在的 Hertz 电磁波试验， 眼光来看， 只是一个极近距离上的电火花收发实验， 眼光来看 ， 只是一个极近距离上的电火花收发实验 ， 完全不足为奇。 然而， 当时却轰动了学术界。 完全不足为奇 。 然而 ， 当时却轰动了学术界 。 人们 不得不坐下来认真思索： 电磁波这个东西没有“ 不得不坐下来认真思索 ： 电磁波这个东西没有 “ 脚 ” 是怎么走过去的。 是怎么走过去的 。 用学术性的语言则可以说是如何 实现超距作用的。 实现超距作用的。
微波概念
Microwave Concept
对电磁场与微波专业，《微波技术》是一门最重 对电磁场与微波专业， 微波技术》 要的基础课程。究竟什么是微波？ 要的基础课程。究竟什么是微波？这是我们关心的首 要问题。 要问题。 如果把电磁波按波长(或频率)划分， 如果把电磁波按波长(或频率)划分，则大致可以 MHz—3000 GHz， 对应空气中波长λ 把300 MHz 3000 GHz，(对应空气中波长λ是1 m — mm)这一频段的电磁波称之为微波 纵观“ 这一频段的电磁波称之为微波。 0.1 mm)这一频段的电磁波称之为微波。纵观“左邻 右舍”它处于超短波和红外光波之间。 右舍”它处于超短波和红外光波之间。
微波技术基础
Fundamentals of Microwave Technology
华侨大学
张海
自我介绍
张 海 信息学院 电子工程系 机电信息实验大楼 B625 Email: zhanghai02@hqu.edu.cn
xjtuzhanghai@ xjtuzhanghai@163.com
参考书目
1.David M.Pozar著,张肇仪 等译《微波工程》, M.Pozar著 等译《微波工程》 电子工业出版社,2006. 电子工业出版社,2006. 2.梁昌洪 2.梁昌洪 谢拥军 官伯然著, 《简明微波》,高等 官伯然著, 简明微波》 教育出版社,2006. 教育出版社,2006. 3.唐汉著 3.唐汉著,《微波原理》,南京大学出版社,1990. 唐汉著, 微波原理》 南京大学出版社,1990.
图 1-2
一、Maxwell方程组的物理意义
值得指出：人类对于电磁的相互转化在认识上走了很 值得指出： 多弯路。其中Faraday起到关键的作用。Oersted首先 Faraday起到关键的作用 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) Faraday坚 发现电可转化为磁(即线圈等效为磁铁)，而Faraday坚 信磁也可以转化为电。 信磁也可以转化为电。但是无数次实验均以失败而告 只是在10年无效工作后，沮丧的Faraday 10年无效工作后 Faraday鬼使神差 终。只是在10年无效工作后，沮丧的Faraday鬼使神差 地把磁铁一拔，奇迹出现了，连接线圈的电流计指针 地把磁铁一拔，奇迹出现了， 出现了晃动。 出现了晃动。
二、波动的客观性和主观性
50周市电 要做1∶1示波器看相位90 周市电， 1∶1示波器看相位90° ［例1］50周市电，要做1∶1示波器看相位90°变化 1/4波长 示波器幅面要约1500km。 波长， 1500km 的1/4波长，示波器幅面要约1500km。因为
c 3×108 λ= = = 6×106 m = 6000km f 50
一、Maxwell方程组的物理意义
于是，历史选择了Maxwell，一批年青的学者总结 于是，历史选择了 ， 出电磁运动规律， 方程组。 出电磁运动规律，即Maxwell方程组。同时，提出了 方程组 同时， Newton力学所没有的崭新概念 力学所没有的崭新概念——场 (Field的概念 。 的概念)。 力学所没有的崭新概念 场 的概念 Maxwell方程组中独立方程主要表现为前面二个， 方程组中独立方程主要表现为前面二个， 方程组中独立方程主要表现为前面二个 即
一、Maxwell方程组的物理意义
图 1-5
Baidu Nhomakorabea
一、Maxwell方程组的物理意义
Maxwell方程还指出 电磁转化有一个重要条件， 方程还指出： 3. Maxwell方程还指出：电磁转化有一个重要条件， 即频率ω 让我们写出单色波频域的Maxwell Maxwell方程 即频率ω。让我们写出单色波频域的Maxwell方程 v v v ∇× H = jωε E + J (1(1-4) v v (1(1-5) ∇× E = − jωµH 任何形式信号的高频分量包含角频率ω 任何形式信号的高频分量包含角频率ω，才能确保 电磁的有效转换，直流情况没有转换。 电磁的有效转换，直流情况没有转换。 频率越高，波动性越强， 频率越高，波动性越强，越容易产生电磁之间的 转化。但是，不容易产生高功率。（特例： 。（特例 转化。但是，不容易产生高功率。（特例：高功率 微波技术、微波武器、高功率激光等） 微波技术、微波武器、高功率激光等）
一、Maxwell方程组的物理意义
进一步研究Maxwell方程两边的运算， Maxwell方程两边的运算 2. 进一步研究Maxwell方程两边的运算，从物 理上看，运算反映一种作用(Action)。 理上看，运算反映一种作用(Action)。方程的左边 是空间的运算(旋度) 方程的右边是时间的运算( 是空间的运算(旋度)；方程的右边是时间的运算(导 中间用等号连接。它深刻揭示了电(或磁) 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； 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。 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。 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， 用通俗的一句话来说，即一个地点出现过的事物， 过了一段时间又在另一地点出现了。 过了一段时间又在另一地点出现了。
v v ∂D v ∇× H = ∂ t + J v v ∇× E = − ∂ B ∂t
(1(1-2) (1(1-3)
一、Maxwell方程组的物理意义
这里，首先让我们来探讨一下上面方程内含的哲学思想: 这里，首先让我们来探讨一下上面方程内含的哲学思想: 1. 这两个方程左边物理量为磁(或电)，而右边物理量 这两个方程左边物理量为磁(或电) 则为电(或磁) 则为电(或磁)。这中间的等号深刻揭示了电与磁的相 互转化，相互依赖，相互对立， 互转化，相互依赖，相互对立，共存于统一的电磁波 正是由于电不断转换为磁，而磁又不断转成为电， 中。正是由于电不断转换为磁，而磁又不断转成为电， 才会发生能量交换和贮存。 才会发生能量交换和贮存。
二、波动的客观性和主观性
身高是人类的特征尺寸之一， 身高是人类的特征尺寸之一，正常人身高在 1.5—2.0米之间；而人类的一跟头发丝直径约为 1.5 2.0米之间； 2.0米之间 0.1毫米 它是人体特征尺寸的下限。 毫米， 0.1毫米，它是人体特征尺寸的下限。这正好包括 在微波波长的范围之内。所以， 在微波波长的范围之内。所以，微波可以被人类主 观认识。 观认识。 虽然，波动性是客观存在。但是， 虽然，波动性是客观存在。但是，观察波动性 却与主观和仪器有关，与尺寸有关，与时间有关。 却与主观和仪器有关，与尺寸有关，与时间有关。