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1、第1章,微波概念,Microwave Concept,对电磁场与微波专业，微波技术是一门最重要的基础课程。究竟什么是微波？这是我们关心的首要问题。从现象看，如果把电磁波按波长(或频率)划分，则大致可以把300MHz3000GHz，(对应空气中波长是1m 0.1mm)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。,图 1-1,一、Maxwell方程组的物理意义,作为注记：对于任何波，波长和频率与波速相关 因此，只用一个波长(或频率f)不能确定是何种波。例如，可以注意到声波也有波长，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，也必然构成它独
2、特的研究方法。这正是本讲要解决的主要问题。,(1-1),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，深入研究和考察它，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，从现在的眼光来看，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。人们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。用学术性的语言则可以说是如何实现超距作用的。,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出电磁运动规律，即Maxwell方程组。同时，提出了Newton力学所没有的崭新概念场
3、(Field的概念)。Maxwell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,(1-2),(1-3),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，共存于统一的电磁波中。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。,一、Maxwell方程组的物理意义,图 1-2,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)，而
4、Faraday坚信磁也可以转化为电。但是无数次实验均以失败而告终。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出现了晃动。,电磁振荡,单摆,一、Maxwell方程组的物理意义,图 1-4,图 1-3,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。还需要提到：电磁转换为电磁波的出现提供了可能，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)。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。,一、Maxwell方程组的物理意义,一、Maxwell方程组的物理意义,2.进一步研究Maxwell方程两边
5、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(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，过了一段时间又在另一地点出现了。,一、Maxwell方程组的物理意义,图 1-5,一、Maxwell方程组的物理意义,3.Maxwell方程还指出：电磁转化有一个重要条件，即频率。让我们写出单色波频域的Maxwell方程,只有较或者说任何形式的信号高频分量都包含
6、很少高的，才能确保电磁的有效转换，直流情况没有转换。可以这样说，在高频时封闭电路才有可能变成开放电路。不过很有意思的是频率愈高，越难出功率，这也是一个有趣的矛盾。,(1-4),(1-5),4.在Maxwell方程中还存在另一对矛盾对抗，即,方程(1-2)右边两项，而方程(1-3)右边一项，这就构成了Maxwell方程本质的不对称性。尽管为了找其对称性而一直在探索磁流 的存在，但到目前为止始终未果。,和 构成一对矛盾，在时域中,(1-6),一、Maxwell方程组的物理意义,所以，也可以说是 和 之间的矛盾，这一对矛盾主要反映媒质情况。当 称为导体，这种情况下波动性降为次要矛盾，其情况是波长缩短
7、，波速减慢，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。波动性不仅与有关，还与媒质有关。,图 1-6 波在导体中的衰减,一、Maxwell方程组的物理意义,二、波动的客观性和主观性,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。地球是一个圆球(严格地说是似椭圆球)。但直至麦哲伦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，宇航员通过航天飞机清晰地看到了地球。Einstein也精辟地说过：如果存在假想的“电影银幕二维人”，这些人类能设想第三维吗?同样，波动性客观存在。但是，观察波动性却与主观和仪器有关，与尺寸有关
8、，与时间有关。,例150周市电，要做11示波器看相位90变化的1/4波长，示波器幅面要从西安到北京(约1500km)。因为,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,例2光波是Newton和Huygens的著名争论。Newton一方强调光的粒子性，事实上对于日常所见的物体，光确实表现为粒子直线性。但是，随着显微镜的发展，要观察极小物体时，即所观察的物体大小与波长可比拟时，无法观察成功。这是因为光学显微镜的基础是光以直线传播的于是人类发明了电子显微镜。,二、波动的客观性和主观性,图1-9,讨论到这里，我们对于微波波段有了进一步认识。任何电
9、磁波的波动性是客观存在。但是，微波波段在人体尺寸的范围内表现出强烈的波动性。1.52.0米是人体的特征尺寸；0.1毫米约一根半头发丝的粗细，是人体尺寸特征的下限。所以，我们在微波波段要用Maxwell方程波动力学加以解决。,二、波动的客观性和主观性,三、场的方法向路的方法转化,上面已经提及，微波问题必须用Maxwell方程加以解决。但是，作为偏微分方程组的Maxwell方程又很难求解。因此，在微波中又探讨第二种研究方法，即路的方法。微波可以用路有它的客观原因。因为不论是低频电路，或者微波，在工程应用中都十分关心能量的传输情况。既然有着共同的方法本质，我们就有可能作进一步的研究。,图 1-10
10、均匀平面波传播,三、场的方法向路的方法转化,例3无限大无源 空间的均匀平面波研究波传输问题。设 只有x分量，只有y分量并不失一般性。波只有可能()z方向，且均匀平面波 不随x，y变化。,均匀无源媒质 均匀平面波,写出Maxwell方程组,上面这两个方程也称为均匀平面波的传播方程。,三、场的方法向路的方法转化,其中，正好是光速，这也是光的电磁学说的重要依据。,再次求导,三、场的方法向路的方法转化,采用时谐形式，即设的时间因子，可得,思考问题：在式(1-7)中哪一项表示向z方向的入射波？哪一项表示向-z方向的反射波？,三、场的方法向路的方法转化,(1-7),联系上因子，电场表示完整为,对于第一项的
11、相位因子我们考虑等相位面,全微分上式,或者,因此第一项表示向z方向的入射波。,三、场的方法向路的方法转化,而第二项等相面表示向-z方向的反射波。讨论上面求解过程说明：波传输方程通解由入射波和反射波构成；波传输速度是光速；波传输的每一种具体情况表现在入射波与反射波比例不同。这比例的具体情况由各个问题的边界媒质情况而定，即所谓边界条件(Boundary Conditions)。,三、场的方法向路的方法转化,例4两种半无限大媒质的反射情况 采用 时谐因子利用z=0的边界条件，电场切向分量和磁场切向分量必须连续，有(1-8)也即,(1-9),三、场的方法向路的方法转化,补充：已经知道电场通解的表达形式
12、代入得到,令，或 称为波阻抗，即,三、场的方法向路的方法转化,图 1-11,三、场的方法向路的方法转化,注意在波中出现了阻抗概念，它与R、L、C的低频阻抗有所不同。(1-11)令为反射系数(1-12),三、场的方法向路的方法转化,三、场的方法向路的方法转化,讨论衡量电磁波的反射和传输，我们引入了反射系数 和波阻抗,波阻抗与媒质特性()相关。换句话说，媒质的变化影响波的传输。注记：在这里应该特别强调，没有反射条件，并不一定是相同的媒质，而只要求,即两者波阻抗相等。这一思想是波(不仅仅是电磁波)研究中的一个飞跃。吃透这一思想的竟是一个著名的科幻小说家凡尔纳，他根据这一原理，首先写出了脍炙人口的隐身
13、人。波阻抗是波研究中的重要特征量。,四、微波特点,1.微波的两重性 微波的两重性指的是对于尺寸大的物体，如建筑物火箭、导弹它显示出粒子的特点即似光性或直线性而对于相对尺寸小的物体，又显示出波动性。2.微波与“左邻右舍”的比较微波的“左邻”是超短波和短波，而它的“右舍”又是红外光波。,3.宇宙“窗口”地球的外层空间由于日光等繁复的原因形成独特的电离层，它对于短波几乎全反射，这就是短波的天波通讯方式。而在微波波段则有若干个可以通过电离层的“宇宙窗口”。因而微波是独特的宇宙通讯手段。,图1-12 宇宙窗口,四、微波特点,4.不少物质的能级跃迁频率恰好落在微波的短波段，因此近年来微波生物医疗和微波催化等领域已是前沿课题。5.计算机的运算次数进入十亿次，其频率也是微波频率。超高速集成电路的互耦也是微波互耦问题因此，微波的研究已进入集成电路和计算机。6.微波研究方法主要有两种：场论的研究方法和网络的研究方法。这也是本门课程要学习的重要方法。其中场论方法的基础是本征模理论。网络方法的基础是广义传输线理论。,四、微波特点,图 1-13 能级跃迁,四、微波特点,
