微波工程基础课件

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1、微波工程基础微波工程基础微波工程基础电话：，电话：，Email:Email:上课时间：星期五晚上上课时间：星期五晚上19:0021:4019:0021:40（三学时）（三学时）教学目的：从工程应用角度入手，强调学生对教学目的：从工程应用角度入手，强调学生对概念的理概念的理解和应用解和应用。既重视从事物理、化学、材料和生物方面学。既重视从事物理、化学、材料和生物方面学生的入门，又有兼顾致力于无线电学科领域学生对微波生的入门，又有兼顾致力于无线电学科领域学生对微波技术方面知识的提升。技术方面知识的提升。 学时安排：学时安排：16481648学时学时, , 讲课讲课1414周周, , 复习一周复习一

2、周, ,考试一周考试一周微波工程基础教学方式：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, ,既重视初学者的既重视初学者的入入 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 1、David M. PozarDavid M. Pozar著，张肇仪等译，著，张肇仪等译，微波工程微波工程，电子工业出版社，电子工业出版社，200

3、62006年年3 3月第一次印刷。月第一次印刷。2 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，清华大学出版社，华大学出版社，20042004微波工程基础参考书（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 4、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 5、S S。Y Y。利奥著，。利奥著，微波器件与电路微波器件与电路，科学，科学出版出版社，社，1987198

4、7 6 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，电子工业出版业出版社，社，199419947 7、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微波工程基础第一章第一章 绪论绪论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THzTHz波波微波工程基础RFRFTHzTHz微波工程基础“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

5、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 1米米11毫米毫米） 美国（微波美国（微波3030厘米厘米0.30.3毫米毫米) )微波工程基础1.2 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

6、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) )/140D微波工程基础 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 信道信道传递某种信息所必须的频带宽度传递某种信息所必须的频带宽度( (中中心频率百分之几心频率百分之几) )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

7、(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) ) 多路通讯多路通讯信道中心频率必须是被传递信息信道中心频率必须是被传递信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 电子渡越电子渡越( (极间飞跃极间飞跃) )时间时间10-9秒、趋肤秒、趋肤效应效应( (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) )微波工程基础 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

8、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(

9、(窗窗口口) )微波工程基础 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 =h =6.6266.626 1010-34-34是普郎克常数，是普郎克常数，f 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：1010-5-51010-2-2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

10、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hfE 微波工程基础1.3 1.3 微波的应用微波的应用 军事应用：军事应用：雷达雷达目标跟踪、导弹制导、火炮瞄准、测目标跟踪、导弹制导、火炮瞄准、测量（成像）、预警量（成像）、预警通讯通讯点对点、保密、空间（三个互为点对点、保密、空间（三个互为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 微波武器微波武器微波炮、微波弹、微波武器平台微波炮、微波弹、微波武器平台( (集雷达侦察和火控制导、超强干扰和定向能集雷达侦察和火控制导、超强干扰和定向

11、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) ) 微波工程基础 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）、材食物制作（微波炉）、材料烘干（干燥机）、消毒（牛奶、医用）、料烘干（干燥机）、消毒（牛奶、医用）、微波治疗（癌症、前列腺疾病和理疗等）微波治疗（癌症、前列腺疾病和理疗等）微波工程基础 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

12、加热核聚变能源核聚变能源 射电天文观测（射电天文观测（2020世纪六十年代天文学世纪六十年代天文学四大发现四大发现类星体、中子星、类星体、中子星、2.7K2.7K背景背景辐射辐射(1978(1978年诺贝尔物理学奖）和星际有年诺贝尔物理学奖）和星际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微波工程基础1.41.4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

13、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 波长与电路尺寸可比拟波长与电路尺寸可比拟渡越时间，非屏蔽渡越时间，非屏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 渡越时间、电极间的距离、输出功率、噪声渡越时间、电极间的距离、输出功率、噪声性能之间的相互制约性能之间的相互制约 无损耗传输无损耗传输波导波导电压、电流概念失效电压、电流概念失效 场场 模式的激励、耦合、过渡、变换、传输和传模式的激励、耦合、过渡、变换、传输和传播、振荡、放大、发射播、振荡、放大、发射( (接收接收) )微波工程基础 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

14、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） 微波与物质相互作用（微波的产生、微波与物质相互作用（微波的产生、粒子加速器粒子加速器、等、等离子体加热、离子体加热、 射电天文学、材料的微波处理、微波化射电天文学、材料的微波处理、微波化学、微波生物效应）学、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 ）微波工程基础