電磁場與微波技術(shù)

關(guān)于電磁場與微波技術(shù)第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月一、課程簡介二、電磁場理論的主要研究領(lǐng)域三、磁場理論發(fā)展簡史四、電磁場理論的主要研究對象五、課程體系六、教材與參考書目七、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求

緒論第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月一、課程簡介

本課程將在“大學(xué)物理（電磁學(xué)）”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究宏觀電磁現(xiàn)象和電磁過程的基本規(guī)律及其分析計算方法。通過課程的學(xué)習(xí)，掌握基本的宏觀電磁理論，具備分析和解決基本的電磁場工程問題的能力。第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

是高等學(xué)校電子信息類及電氣信息類專業(yè)本科生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，課程涵蓋的內(nèi)容是合格的電子、電氣信息類專業(yè)本科學(xué)生所應(yīng)具備的知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分。近代科學(xué)的發(fā)展表明，電磁場與電磁波基本理論又是一些交叉學(xué)科的生長點和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對完善自身素質(zhì)，增強(qiáng)適應(yīng)能力和創(chuàng)造能力長遠(yuǎn)地發(fā)揮作用。

電磁場理論與微波技術(shù)第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁場與電磁波是通信專業(yè)本科學(xué)生必須具備的知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電磁場的基本規(guī)律，深刻理解麥克斯韋方程組和電磁場、電磁波的性質(zhì)；熟悉一些重要的電磁場問題的數(shù)學(xué)模型（如波動方程、拉氏方程等）的建立過程以及分析方法；培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方法和分析問題的能力，使學(xué)生對"場"與"路"這兩種既密切相關(guān)又相距甚遠(yuǎn)的理論有深刻的認(rèn)識，并學(xué)會用"場"的觀點去觀察、分析和計算一些簡單、典型的場的問題；為從事微波、天線、電子技術(shù)、通信和電磁兼容等領(lǐng)域的研究及解決實際問題打下必要的基礎(chǔ)電磁場與電磁波是電子信息科學(xué)與技術(shù)、通信專業(yè)后續(xù)課程，如：《無線通信原理與應(yīng)用》、《現(xiàn)代通信技術(shù)》、《電磁工程EMC》、《通信原理》和《微波技術(shù)》以及研究生有關(guān)的課程如：《高等電磁理論》、《電磁場數(shù)值方法》、《電磁場高頻方法》和《電磁波傳播理論》的重要基礎(chǔ)。第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月作為理論物理學(xué)的一個重要研究分支，主要致力于統(tǒng)一場理論和微觀量子電動力學(xué)的研究。電磁場的重要研究領(lǐng)域作為無線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，集中于三大類應(yīng)用問題的研究。二、電磁場理論的主要研究領(lǐng)域第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月?

電磁場（或電磁波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源，其研究領(lǐng)域涉及電磁能量的產(chǎn)生、儲存、變換、傳輸和綜合利用。?電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域為信息的產(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲存、處理、再現(xiàn)和綜合利用。?電磁波作為探測未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域為電磁波與目標(biāo)的相互作用特性、目標(biāo)特征的獲取與重建、探測新技術(shù)等。

三大類應(yīng)用問題：第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月三、磁場理論發(fā)展簡史

1．電磁場理論的早期研究

電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來現(xiàn)象，也最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻(xiàn)最大的有來頓、富蘭克林、伏打等科學(xué)家。

19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是由于這些研究（特別是伏打1799年發(fā)明了電池），為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月18世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家謝林認(rèn)為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認(rèn)為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂；電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特是謝林的信徒，他從1807年開始研究電磁之間的關(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。2．電磁場理論的建立第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直，并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式。法拉第在謝林的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識到，電可以對磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁捧插入導(dǎo)體線圈時；導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間發(fā)生作用的問題，發(fā)展了場的概念。在法拉第實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引進(jìn)位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；與變化著的磁場產(chǎn)生電場相對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上提出了一套偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3．電磁場理論的應(yīng)用和發(fā)展

1887年，德國科學(xué)家赫茲用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，用另一個帶隙的環(huán)狀天線接收，證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展時代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最引人注目的學(xué)科之一。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

無線電報

1895年，意大利馬可尼成功地進(jìn)行了2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年，波波夫進(jìn)行了約250米距離的類似試驗,1899年,無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎金物理學(xué)獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期。有線電話

1876年,美國A.G.貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來。第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

廣播

1906年，美國費森登用50千赫頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年，第一個定時播發(fā)語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成。次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺。電視

1884年，德國尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想，1927年，英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金在1923和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)。第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月雷達(dá)（RadioDetectionandRanging）二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為主要進(jìn)攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機(jī)的裝置。1936年，英國的瓦特設(shè)計的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行。有效地警戒了來自德國的轟炸機(jī)。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達(dá)的研制成為可能。1944年，能夠自動跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運(yùn)動目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明,使雷達(dá)更加完善。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達(dá)成了電磁場理論最活躍的部分。第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星通信技術(shù)

1958年,美國發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功,這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。1964年,借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國，這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

衛(wèi)星定位技術(shù)

1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們試圖將雷達(dá)引入衛(wèi)星，實現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。1958年底，美國開始研究實施這一計劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國提出了由24顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案，即GPS計劃。它是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的字頭縮寫NAVSTAR/GPS的簡稱，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距。1990年最終的GPS方案是由21

顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁場的基本屬性及其運(yùn)動規(guī)律波與物質(zhì)的相互作用及信息的提取電磁場系統(tǒng)的計算方法，仿真技術(shù)工程技術(shù)應(yīng)用中的電磁場理論問題四、電磁場理論的主要研究對象

當(dāng)今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達(dá)、廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控遙測，都是通過電磁波傳遞信息來進(jìn)行工作的。因此以宏觀電磁理論為基礎(chǔ)，電磁信息的傳輸和轉(zhuǎn)換為核心的電磁場與電磁波工程技術(shù)將充分發(fā)揮其重要作用。下面以無線電通信系統(tǒng)為例來說明第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射機(jī)末級回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去；到了接收端，電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流，再經(jīng)饋線將高頻振蕩電流送到接收機(jī)輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個過程中，經(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。

接收機(jī)接收天線饋線下行波發(fā)射機(jī)發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月傳輸導(dǎo)行電磁波發(fā)射天線接收天線傳播入射、反射、透射、繞射傳輸導(dǎo)行電磁波第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月中、短波發(fā)射天線微波接力天線天線第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月卡塞格侖天線第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月MMDS—A型微波天線MMDS—C型微波天線第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月對數(shù)周期天線第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月矩形波導(dǎo)圓波導(dǎo)平行雙線同軸線微帶線傳輸線第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、電氣系統(tǒng)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。運(yùn)行中的電子、電氣設(shè)備大多伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，使得高密度、寬頻譜的電磁信息充滿整個人類的生存空間，構(gòu)成極其復(fù)雜的電磁環(huán)境，出現(xiàn)了電磁干擾和電磁污染。使電子系統(tǒng)受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人類生存受到威脅。人們面臨的一個新問題就是如何提高電子系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下正常運(yùn)行的能力，如何改善人類生存環(huán)境。在這樣的背景下提出了電磁兼容的概念，逐漸形成了一門新學(xué)科——電磁兼容性（ElectromagneticCompatibility,簡寫為EMC）。電子系統(tǒng)的電磁兼容性的分析、計算、試驗都要用到大量的電磁場理論知識，應(yīng)用到電路的基礎(chǔ)知識，甚至生物醫(yī)學(xué)知識?？梢哉f，電磁兼容學(xué)科是電磁場學(xué)科和其他相關(guān)學(xué)科相結(jié)合而形成的新學(xué)科。電磁兼容第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

生物電磁學(xué)也是與電磁場相關(guān)聯(lián)的一門新學(xué)科，它研究電磁場與生物系統(tǒng)的相互作用、相互影響的關(guān)系，電磁場與電磁波無疑是其討論的理論依據(jù)。生物電磁學(xué)第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

電磁場理論與微波技術(shù)

靜態(tài)場（10＋6＋10）靜電場靜電場問題分析（第二章）靜電場邊值問題解法（第三章）穩(wěn)恒磁場分析（第四章）時變場（6＋10＋6）時變場與maxwell方程（第五章）平面電磁波（第六章）電磁波的輻射（第七章）微波基礎(chǔ)（8＋6＋4）傳輸線理論（第八章）波導(dǎo)與諧振腔（第九章）微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（第十章）五、本課程知識體系

矢量分析（1＋5）第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月難點分析和處理問題的方法

——數(shù)學(xué)處理過程矢量分析第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月【1】電磁場與電磁波（3版）.謝處方饒克謹(jǐn)編，高等教育出版社，1999?！?】微波技術(shù)與天線.盛振華編著，出版社：西安電子科技大學(xué)出版社1995年11月出版。【3】電磁場理論基礎(chǔ).主編：王薔等出版社：清華大學(xué)出版社2001年2月出版。【4】電磁場理論.畢德顯，出版社：電子工業(yè)出版社?！?】電動力學(xué)(第二版）.郭碩鴻，高等教育出版社，1997?！?】ElectromagnetismwithApplication.JD.Kraus，（FifthEdition），清華