微波工程基礎(chǔ)第1章

1、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences微波工程基礎(chǔ)微波工程基礎(chǔ)主講人：羅積潤主講人：羅積潤電話：電話：58887223，Email:上課時間：星期一晚上上課時間：星期一晚上19:0021:40（三學(xué)時）（三學(xué)時）預(yù)修課程：大學(xué)物理，學(xué)過電動力學(xué)或電磁場理論更好預(yù)修課程：大學(xué)物理，學(xué)過電動力學(xué)或電磁場理論更好教學(xué)目的：從工程應(yīng)用角度入手，強調(diào)學(xué)生對教學(xué)目的：從工程應(yīng)用角度入手，強調(diào)學(xué)生對概念的理概念的理解和應(yīng)用解和應(yīng)用。既重視從事物理、化學(xué)、材料和生物方面學(xué)。既重視從事物理、化學(xué)、材料

2、和生物方面學(xué)生的入門，又有兼顧致力于無線電學(xué)科領(lǐng)域?qū)W生對微波生的入門，又有兼顧致力于無線電學(xué)科領(lǐng)域?qū)W生對微波技術(shù)方面知識的提升。技術(shù)方面知識的提升。 學(xué)時安排：學(xué)時安排：16周共周共48學(xué)時學(xué)時, 講課講課14周周, 復(fù)習(xí)一周復(fù)習(xí)一周,考試一周考試一周中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences教學(xué)方式：課堂講授和提問討論相結(jié)合教學(xué)方式：課堂講授和提問討論相結(jié)合 講授：強調(diào)概念理解和應(yīng)用講授：強調(diào)概念理解和應(yīng)用,既重視初學(xué)者的入既重視初學(xué)者的入 門，又兼顧知識層面的提升門，又兼顧知識層面的

3、提升 討論的問題緊密與講授內(nèi)容結(jié)合討論的問題緊密與講授內(nèi)容結(jié)合 習(xí)題多作為課前的討論主題習(xí)題多作為課前的討論主題 作業(yè)每次交一組（全班分為四組）作業(yè)每次交一組（全班分為四組）考試方式：考試方式：閉卷閉卷參考書：參考書：1、David M. Pozar著，張肇儀等譯，著，張肇儀等譯，微波工程微波工程，電，電子工業(yè)出版社，子工業(yè)出版社，2006年年3月第一次印刷。月第一次印刷。2、李宗謙，佘京兆，高葆新，、李宗謙，佘京兆，高葆新，微波工程基礎(chǔ)微波工程基礎(chǔ)，清，清華大學(xué)出版社，華大學(xué)出版社，2004中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chi

4、nese Academy of Sciences參考書（續(xù)）：參考書（續(xù)）：3、顧茂章，張克潛，、顧茂章，張克潛，微波技術(shù)微波技術(shù)，清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社，19894、張克潛、張克潛, 李德杰李德杰, 微波與光電子學(xué)中的電磁理微波與光電子學(xué)中的電磁理論論,電子電子工業(yè)出版社工業(yè)出版社, 2001 5、S。Y。利奧著，。利奧著，微波器件與電路微波器件與電路，科學(xué)出版，科學(xué)出版社，社，1987 6、楊祥林等編著，、楊祥林等編著，微波器件原理微波器件原理，電子工業(yè)出版，電子工業(yè)出版社，社，1994中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics,

5、Chinese Academy of Sciences第一章第一章 緒論緒論1.1 1.1 微波的基本概念微波的基本概念電磁頻譜電磁頻譜微波的頻率范圍微波的頻率范圍穿透金屬穿透金屬直線傳播直線傳播廣播電視廣播電視THz波波中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of SciencesRFTHz中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences“微波微波”介于普通無線電波（長波、中波、短波、超短介于普通無線電波

6、（長波、中波、短波、超短波）與紅外線之間的電磁波波）與紅外線之間的電磁波波長與電路或元器件尺寸可比擬波長與電路或元器件尺寸可比擬分米、厘米、分米、厘米、毫米毫米電路電路電磁電磁場解（集中參數(shù)場解（集中參數(shù)分布參數(shù)）分布參數(shù)）國內(nèi)外對微波定義的區(qū)別：國內(nèi)外對微波定義的區(qū)別： 中國（中國（1米米1毫米毫米） 美國（微波美國（微波30厘米厘米0.3毫米毫米) )中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences1.2 1.2 微波的特點微波的特點 波長短波長短易于實現(xiàn)定向發(fā)射易于實現(xiàn)定向發(fā)射 雷達雷達

7、利用無線電波的反射測定目標(biāo)的位置利用無線電波的反射測定目標(biāo)的位置 波束寬度波束寬度目標(biāo)的方向目標(biāo)的方向 拋物面天線電磁波發(fā)射波束角拋物面天線電磁波發(fā)射波束角: D和和 分別是拋物面的直徑和波長分別是拋物面的直徑和波長5 波束角波束角(可以相當(dāng)精確定位可以相當(dāng)精確定位)微波微波 =3cm, D=84cm短波短波 =10m（波長最短）（波長最短）,D=280m(困難困難) )/140D中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences頻率高（絕對帶寬大）、信息容量大頻率高（絕對帶寬大）、信息容量大信

8、道信道傳遞某種信息所必須的頻帶寬度傳遞某種信息所必須的頻帶寬度( (中中心頻率百分之幾心頻率百分之幾) )人耳能聽到的聲音頻率范圍約人耳能聽到的聲音頻率范圍約20-20000Hz 聽懂語言聽懂語言300-3400Hz(電話電話:3000Hz信道信道) 相當(dāng)逼真?zhèn)鬟f語言和音樂相當(dāng)逼真?zhèn)鬟f語言和音樂6-15kHz頻帶頻帶(廣播廣播)傳送圖象和聲音我國傳送圖象和聲音我國8MHz頻帶頻帶(電視電視) 多路通訊多路通訊信道中心頻率必須是被傳遞信息信道中心頻率必須是被傳遞信息頻帶寬度的幾十甚至上百倍頻帶寬度的幾十甚至上百倍 電子渡越電子渡越(極間飛躍極間飛躍)時間時間10-9秒秒、趨膚效應(yīng)、趨膚效應(yīng)( (

9、滲透減小滲透減小) )、輻射效應(yīng)、輻射效應(yīng)( (導(dǎo)線間距導(dǎo)線間距波長波長) )中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences 能穿透電離層能穿透電離層 視距傳播視距傳播傳輸距離依賴于天線高度傳輸距離依賴于天線高度 長波：長波：沿地球彎曲表面?zhèn)鞑ィǖ夭▊鞑パ氐厍驈澢砻鎮(zhèn)鞑ィǖ夭▊鞑?距離遠）距離遠） 中波過渡到短波，地波衰減增大中波過渡到短波，地波衰減增大 短波：短波：60-300公里電離層的折射（天波傳播公里電離層的折射（天波傳播-不穩(wěn)定）不穩(wěn)定） 超短波和微波：視距超短波和微波：視距內(nèi)沿

10、直線傳播（空間波內(nèi)沿直線傳播（空間波穿透電離穿透電離層）層） 限制作用范圍到所需區(qū)域限制作用范圍到所需區(qū)域( (控制天線作用距離控制天線作用距離) )，減少干擾減少干擾 中繼通信中繼通信( (視距視距) )、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星通信( (穿透穿透) )、天文觀測、天文觀測( (窗窗口口) )中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences 量子特性量子特性低功率電平下明顯低功率電平下明顯 波粒二象性波粒二象性h =6.626 10-34是普郎克常數(shù)，是普郎克常數(shù)，f 是頻率。是頻率。微波頻率量子能量

11、范圍：微波頻率量子能量范圍：10-510-2電子伏電子伏 超低溫、低電平量子特性成為決定過程本質(zhì)超低溫、低電平量子特性成為決定過程本質(zhì)的主要因素的主要因素順磁物質(zhì)在磁場作用下的許多順磁物質(zhì)在磁場作用下的許多能級差能級差, ,一些大分子振動和轉(zhuǎn)動造成的能級一些大分子振動和轉(zhuǎn)動造成的能級超精細結(jié)構(gòu)，接近絕對零度時每個自由度具超精細結(jié)構(gòu)，接近絕對零度時每個自由度具有的能量，都落在微波量子的能量范圍內(nèi)有的能量，都落在微波量子的能量范圍內(nèi)hfE 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences1.3 1

12、.3 微波的應(yīng)用微波的應(yīng)用 軍事應(yīng)用：軍事應(yīng)用： 雷達雷達目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、火炮瞄準(zhǔn)、測目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)、火炮瞄準(zhǔn)、測量（成像）、預(yù)警量（成像）、預(yù)警通訊通訊點對點、保密、空間（三個互為點對點、保密、空間（三個互為120 位于外層空間的同步衛(wèi)星可實現(xiàn)全球通訊）位于外層空間的同步衛(wèi)星可實現(xiàn)全球通訊）電子對抗電子對抗干擾和抗干擾干擾和抗干擾 微波武器微波武器微波炮、微波彈、微波武器平臺微波炮、微波彈、微波武器平臺(集雷達偵察和火控制導(dǎo)、超強干擾和定向能集雷達偵察和火控制導(dǎo)、超強干擾和定向能攻擊于一體多功能電子對抗平臺攻擊于一體多功能電子對抗平臺) ) 中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究

13、所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences 民用民用 雷達雷達氣象、導(dǎo)航、汽車防撞、遙感氣象、導(dǎo)航、汽車防撞、遙感- -動態(tài)動態(tài)信息信息 通訊通訊中繼通信、多路通信、衛(wèi)星通信、中繼通信、多路通信、衛(wèi)星通信、 廣播電視廣播電視 微波加熱應(yīng)用微波加熱應(yīng)用食物制作（微波爐）、材食物制作（微波爐）、材料烘干（干燥機）、消毒（牛奶、醫(yī)用）、料烘干（干燥機）、消毒（牛奶、醫(yī)用）、微波治療（癌癥、前列腺疾病和理療等）微波治療（癌癥、前列腺疾病和理療等）中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics

14、, Chinese Academy of Sciences 科學(xué)研究：科學(xué)研究：加速器加速器核醫(yī)學(xué)、對撞機、潔凈能源等核醫(yī)學(xué)、對撞機、潔凈能源等 等離子體加熱等離子體加熱核聚變能源核聚變能源 射電天文觀測（射電天文觀測（20世紀(jì)六十年代天文學(xué)世紀(jì)六十年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)四大發(fā)現(xiàn)類星體、中子星、類星體、中子星、2.7K背景背景輻射輻射(1978年諾貝爾物理學(xué)獎）和星際有年諾貝爾物理學(xué)獎）和星際有機分子都是以微波作為主要觀測手段機分子都是以微波作為主要觀測手段) 微波與物質(zhì)相互作用微波與物質(zhì)相互作用 材料的微波處理材料的微波處理燒結(jié)、合成、改性燒結(jié)、合成、改性 微波化學(xué)微波化學(xué)加速反應(yīng)過程加速反應(yīng)過

15、程 微波生物效應(yīng)微波生物效應(yīng)改變生物成長過程改變生物成長過程中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences1.41.4微波工程研究的主要內(nèi)容微波工程研究的主要內(nèi)容 集中參數(shù)電路失效集中參數(shù)電路失效分布參數(shù)影響嚴重分布參數(shù)影響嚴重 波長與電路尺寸可比擬波長與電路尺寸可比擬渡越時間，非屏蔽渡越時間，非屏蔽電路輻射損耗電路輻射損耗 分布參數(shù)與頻率之間的復(fù)雜關(guān)系分布參數(shù)與頻率之間的復(fù)雜關(guān)系 渡越時間、電極間的距離、輸出功率、噪聲渡越時間、電極間的距離、輸出功率、噪聲性能之間的相互制約性能之間的相互制

16、約 無損耗傳輸無損耗傳輸波導(dǎo)波導(dǎo)電壓、電流概念失效電壓、電流概念失效 場場 模式的激勵、耦合、過渡、變換、傳輸和傳模式的激勵、耦合、過渡、變換、傳輸和傳播、振蕩、放大、發(fā)射播、振蕩、放大、發(fā)射( (接收接收) )中國科學(xué)院電子學(xué)研究所中國科學(xué)院電子學(xué)研究所Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences 微波工程專家和技術(shù)人員應(yīng)該具備如下基礎(chǔ)：微波工程專家和技術(shù)人員應(yīng)該具備如下基礎(chǔ)： 電磁場理論（基礎(chǔ)知識）電磁場理論（基礎(chǔ)知識） 傳輸線和波導(dǎo)場解（傳輸模式和方式）傳輸線和波導(dǎo)場解（傳輸模式和方式） 微波電路微波電路( (場和路的等效場和路的等效) ) 微波元件（激勵、耦合、衰減、過渡、變換）微