微波工程基础.pptx

中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science教学方式：课堂讲授和提问讨论相结合教学方式：课堂讲授和提问讨论相结合讲授：强调概念理解和应用讲授：强调概念理解和应用,既重视初学者的入既重视初学者的入 门，又兼顾知识层面的提升门，又兼顾知识层面的提升讨论的问题紧密与讲授内容结合讨论的问题紧密与讲授内容结合习题多作为课前的讨论主题习题多作为课前的讨论主题作业每次交一组（全班分为四组）作业每次交一组（全班分为四组）考试方式：考试方式：闭卷闭卷参考书：参考书：1、David M.Pozar著，张肇仪等译，著，张肇仪等译，微波工程微波工程，电，电子工业出版社，子工业出版社，2006年年3月第一次印刷。月第一次印刷。2、李宗谦，佘京兆，高葆新，李宗谦，佘京兆，高葆新，微波工程基础微波工程基础，清华，清华大学出版社，大学出版社，20042004中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science参考书（续）：参考书（续）：3 3、顾茂章，张克潜，、顾茂章，张克潜，微波技术微波技术，清华大学出版社，清华大学出版社，198919894、张克潜张克潜,李德杰李德杰,微波与光电子学中的电磁理微波与光电子学中的电磁理论论,电子电子工业出版社工业出版社,2001,2001 5、S。Y。利奥著，。利奥著，微波器件与电路微波器件与电路，科学出版，科学出版社，社，1987 6、杨祥林等编著，、杨祥林等编著，微波器件原理微波器件原理，电子工业出版，电子工业出版社，社，19947、董树义，董树义，微波测量技术微波测量技术，北京理工大学出版社，北京理工大学出版社，19901990中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science第一章第一章 绪论1.1 1.1 微波的基本概念微波的基本概念电磁频谱电磁频谱微波的频率范围微波的频率范围穿透金属穿透金属直线传播直线传播广播电视广播电视THz波波中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of ScienceRFTHz中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science“微波微波”介于普通无线电波（长波、中波、短波、超短介于普通无线电波（长波、中波、短波、超短波）与红外线之间的电磁波波）与红外线之间的电磁波波长与电路或元器件尺寸可比拟波长与电路或元器件尺寸可比拟分米、厘米、分米、厘米、毫米毫米电路电路电磁电磁场解（集中参数场解（集中参数分布参数）分布参数）国内外对微波定义的区别：国内外对微波定义的区别：中国（中国（1米米1毫米毫米）美国（微波美国（微波30厘米厘米0.3毫米毫米)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science1.2 1.2 微波的特点微波的特点 波长短波长短易于实现定向发射易于实现定向发射 雷达雷达利用无线电波的反射测定目标的位置利用无线电波的反射测定目标的位置 波束宽度波束宽度目标的方向目标的方向 抛物面天线电磁波发射波束角抛物面天线电磁波发射波束角:D D和和 分别是抛物面的直径和波长分别是抛物面的直径和波长5 5 波束角波束角(可以相当精确定位可以相当精确定位)微波微波 =3cm,D=84cm=3cm,D=84cm短波短波 =10m=10m（波长最短）（波长最短）,D=280m(,D=280m(困难困难)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science频率高（绝对带宽大）、信息容量大频率高（绝对带宽大）、信息容量大信信道道传传递递某某种种信信息息所所必必须须的的频频带带宽宽度度(中中心心频率百分之几频率百分之几)人耳能听到的声音频率范围约人耳能听到的声音频率范围约20-20000Hz20-20000Hz听懂语言听懂语言300-3400Hz(300-3400Hz(电话电话:3000Hz:3000Hz信道信道)相当逼真传递语言和音乐相当逼真传递语言和音乐6-15kHz6-15kHz频带频带(广播广播)传送图象和声音我国传送图象和声音我国8MHz8MHz频带频带(电视电视)多多路路通通讯讯信信道道中中心心频频率率必必须须是是被被传传递递信信息息频带宽度的几十甚至上百倍频带宽度的几十甚至上百倍电电子子渡渡越越(极极间间飞飞跃跃)时时间间10-9秒秒、趋趋肤肤效效应应(渗透减小渗透减小)、辐射效应、辐射效应(导线间距导线间距波长波长)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science能穿透电离层能穿透电离层 视距传播视距传播传输距离依赖于天线高度传输距离依赖于天线高度 长波：沿地球弯曲表面传播（地波传播长波：沿地球弯曲表面传播（地波传播-距离远）距离远）中波过渡到短波，地波衰减增大中波过渡到短波，地波衰减增大 短波：短波：60-30060-300公里电离层的折射（天波传播公里电离层的折射（天波传播-不稳定）不稳定）超短波和微波：视距内沿直线传播（空间波超短波和微波：视距内沿直线传播（空间波穿透电穿透电离层）离层）限制作用范围到所需区域限制作用范围到所需区域(控制天线作用距离控制天线作用距离)，减少干扰减少干扰 中继通信中继通信(视距视距)、卫星通信、卫星通信(穿透穿透)、天文观测、天文观测(窗窗口口)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science 量子特性量子特性低功率电平下明显低功率电平下明显波粒二象性波粒二象性h=6.626 10-34是普郎克常数，是普郎克常数，f 是频率。是频率。微波频率量子能量范围：微波频率量子能量范围：10-510-2电子伏电子伏超低温、低电平量子特性成为决定过程本质超低温、低电平量子特性成为决定过程本质的主要因素的主要因素顺磁物质在磁场作用下的许多顺磁物质在磁场作用下的许多能级差能级差,一些大分子振动和转动造成的能级一些大分子振动和转动造成的能级超精细结构，接近绝对零度时每个自由度具超精细结构，接近绝对零度时每个自由度具有的能量，都落在微波量子的能量范围内有的能量，都落在微波量子的能量范围内中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science1.3 1.3 微波的应用微波的应用 军事应用：军事应用：雷雷达达目目标标跟跟踪踪、导导弹弹制制导导、火火炮炮瞄瞄准准、测测量（成像）、预警量（成像）、预警通通讯讯点点对对点点、保保密密、空空间间（三三个个互互为为120120 位于外层空间的同步卫星可实现全球通讯）位于外层空间的同步卫星可实现全球通讯）电子对抗电子对抗干扰和抗干扰干扰和抗干扰 微微波波武武器器微微波波炮炮、微微波波弹弹、微微波波武武器器平平台台(集集雷雷达达侦侦察察和和火火控控制制导导、超超强强干干扰扰和和定定向向能能攻击于一体多功能电子对抗平台攻击于一体多功能电子对抗平台)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science 民用民用 雷达雷达气象、导航、汽车防撞、遥感气象、导航、汽车防撞、遥感-动态动态信息信息 通讯通讯中继通信、多路通信、卫星通信、中继通信、多路通信、卫星通信、广播电视广播电视 微波加热应用微波加热应用食物制作（微波炉）、材料食物制作（微波炉）、材料烘干（干燥机）、消毒（牛奶、医用）、微烘干（干燥机）、消毒（牛奶、医用）、微波治疗（癌症、前列腺疾病和理疗等）波治疗（癌症、前列腺疾病和理疗等）中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science 科学研究：科学研究：加速器加速器核医学、对撞机、洁净能源等核医学、对撞机、洁净能源等等离子体加热等离子体加热核聚变能源核聚变能源射射电电天天文文观观测测（2020世世纪纪六六十十年年代代天天文文学学四四大大发发现现类类星星体体、中中子子星星、2.7K2.7K背背景景辐辐射射(1978(1978年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖）和和星星际际有有机分子都是以微波作为主要观测手段机分子都是以微波作为主要观测手段)微波与物质相互作用微波与物质相互作用材料的微波处理材料的微波处理烧结、合成、改性烧结、合成、改性微波化学微波化学加速反应过程加速反应过程微波生物效应微波生物效应改变生物成长过程改变生物成长过程中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science1.41.4微波工程研究的主要内容微波工程研究的主要内容 集中参数电路失效集中参数电路失效分布参数影响严重分布参数影响严重 波波长长与与电电路路尺尺寸寸可可比比拟拟渡渡越越时时间间，非非屏屏蔽蔽电路辐射损耗电路辐射损耗 分布参数与频率之间的复杂关系分布参数与频率之间的复杂关系 渡渡越越时时间间、电电极极间间的的距距离离、输输出出功功率率、噪噪声声性能之间的相互制约性能之间的相互制约 无无损损耗耗传传输输波波导导电电压压、电电流流概概念念失失效效 场场 模模式式的的激激励励、耦耦合合、过过渡渡、变变换换、传传输输和和传传播、振荡、放大、发射播、振荡、放大、发射(接收接收)中国科学院电子学研究所中国科学院电子学研究所Institute of Electronics,Chinese Academy of Science微波工程专家和技术人员应该具备如下基础：微波工程专家和技术人员应该具备如下基础：电磁场理论（基础知识）电磁场理论（基础知识）传输线和波导场解（传输模式和方式）传输线和波导场解（传输模式和方式）微波电路微波电路(场和路的等效场和路的等效)微波元件（激励、耦合、衰减、过渡、变换）微波元件（激励、耦合、衰减、过渡、变换）微波谐振腔（谐振模式）微波谐振腔（谐振模式）快波和慢波（放大）快波和慢波（放大）天线（发射和接收）天线（发射和接收）微波传播（大气传播反射、衰减、穿透）微波传播（大气传播反射、衰减、穿透）微微波波与与物物质质相相互互作作用用（微微波波的的产产生生、粒粒子子加加速速器器、等等离离子子体体加加热热、射射电电天天文文学学、材材料料的的微微波波处处理理、微微波波化化学学、微波生物效应）微波生物效应）微波测量（工程实验手段微波测量（工程实验手段）