電磁場與微波技術

關于電磁場與微波技術一、課程簡介二、電磁場理論的主要研究領域三、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、學習的目的、方法及其要求

緒論第2頁,共32頁，2024年2月25日，星期天一、課程簡介

本課程將在“大學物理（電磁學）”的基礎上，進一步研究宏觀電磁現象和電磁過程的基本規(guī)律及其分析計算方法。通過課程的學習，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,共32頁，2024年2月25日，星期天

是高等學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基礎課，課程涵蓋的內容是合格的電子、電氣信息類專業(yè)本科學生所應具備的知識結構的重要組成部分。近代科學的發(fā)展表明，電磁場與電磁波基本理論又是一些交叉學科的生長點和新興邊緣學科發(fā)展的基礎，而且對完善自身素質，增強適應能力和創(chuàng)造能力長遠地發(fā)揮作用。

電磁場理論與微波技術第4頁,共32頁，2024年2月25日，星期天電磁場與電磁波是通信專業(yè)本科學生必須具備的知識結構的重要組成部分之一。通過本課程的學習，使學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；熟悉一些重要的電磁場問題的數學模型（如波動方程、拉氏方程等）的建立過程以及分析方法；培養(yǎng)學生正確的思維方法和分析問題的能力，使學生對"場"與"路"這兩種既密切相關又相距甚遠的理論有深刻的認識，并學會用"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、通信和電磁兼容等領域的研究及解決實際問題打下必要的基礎電磁場與電磁波是電子信息科學與技術、通信專業(yè)后續(xù)課程，如：《無線通信原理與應用》、《現代通信技術》、《電磁工程EMC》、《通信原理》和《微波技術》以及研究生有關的課程如：《高等電磁理論》、《電磁場數值方法》、《電磁場高頻方法》和《電磁波傳播理論》的重要基礎。第5頁,共32頁，2024年2月25日，星期天作為理論物理學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的研究。電磁場的重要研究領域作為無線電技術的理論基礎，集中于三大類應用問題的研究。二、電磁場理論的主要研究領域第6頁,共32頁，2024年2月25日，星期天?

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

三大類應用問題：第7頁,共32頁，2024年2月25日，星期天三、磁場理論發(fā)展簡史

1．電磁場理論的早期研究

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

19世紀以前，電、磁現象作為兩個獨立的物理現象，沒有發(fā)現電與磁的聯(lián)系。但是由于這些研究（特別是伏打1799年發(fā)明了電池），為電磁學理論的建立奠定了基礎。第8頁,共32頁，2024年2月25日，星期天18世紀末期，德國哲學家謝林認為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認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系。1820年，他發(fā)現電流以力作用于磁針。2．電磁場理論的建立第9頁,共32頁，2024年2月25日，星期天安培發(fā)現作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直，并定量建立了若干數學公式。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，電可以對磁產生作用，磁也一定能夠對電產生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發(fā)現，當磁捧插入導體線圈時；導線圈中就產生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。第10頁,共32頁，2024年2月25日，星期天

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上，總結了宏觀電磁現象的規(guī)律，引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場；與變化著的磁場產生電場相對應。在此基礎上提出了一套偏微分方程來表達電磁現象的基本規(guī)律，稱為麥克斯韋方程組，是經典電磁學的基本方程。第11頁,共32頁，2024年2月25日，星期天3．電磁場理論的應用和發(fā)展

1887年，德國科學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，證實了麥克斯韋關于電磁波存在的預言，這一重要的實驗導致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應用與發(fā)展時代，并且發(fā)展成為當代最引人注目的學科之一。第12頁,共32頁，2024年2月25日，星期天

無線電報

1895年，意大利馬可尼成功地進行了2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年，波波夫進行了約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域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎金物理學獎。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,共32頁，2024年2月25日，星期天

廣播

1906年，美國費森登用50千赫頻率發(fā)電機作發(fā)射機，用微音器接入天線實現調制，使大西洋航船上的報務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械掃描電視的設想，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,共32頁，2024年2月25日，星期天雷達（RadioDetectionandRanging）二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機成為主要進攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。1936年，英國的瓦特設計的警戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達的研制成為可能。1944年，能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運動目標的顯示技術的發(fā)明,使雷達更加完善。在整個第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達成了電磁場理論最活躍的部分。第15頁,共32頁，2024年2月25日，星期天衛(wèi)星通信技術

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)星首次實現了美、歐、非三大洲的通信和電視轉播。1965年,第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。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)的通信網接通。衛(wèi)星通信經歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。第16頁,共32頁，2024年2月25日，星期天

衛(wèi)星定位技術

1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們試圖將雷達引入衛(wèi)星，實現以衛(wèi)星為基地對地球表面及近地空間目標的定位和導航。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，其含義是利用導航衛(wèi)星進行測時和測距。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,共32頁，2024年2月25日，星期天電磁場的基本屬性及其運動規(guī)律波與物質的相互作用及信息的提取電磁場系統(tǒng)的計算方法，仿真技術工程技術應用中的電磁場理論問題四、電磁場理論的主要研究對象

當今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達、廣播、電視，還是導航、遙控遙測，都是通過電磁波傳遞信息來進行工作的。因此以宏觀電磁理論為基礎，電磁信息的傳輸和轉換為核心的電磁場與電磁波工程技術將充分發(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,共32頁，2024年2月25日，星期天發(fā)射機末級回路產生的高頻振蕩電流經過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉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，再經饋線將高頻振蕩電流送到接收機輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個過程中，經歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。

接收機接收天線饋線下行波發(fā)射機發(fā)射天線饋線導行波第19頁,共32頁，2024年2月25日，星期天傳輸導行電磁波發(fā)射天線接收天線傳播入射、反射、透射、繞射傳輸導行電磁波第20頁,共32頁，2024年2月25日，星期天中、短波發(fā)射天線微波接力天線天線第21頁,共32頁，2024年2月25日，星期天卡塞格侖天線第22頁,共32頁，2024年2月25日，星期天MMDS—A型微波天線MMDS—C型微波天線第23頁,共32頁，2024年2月25日，星期天對數周期天線第24頁,共32頁，2024年2月25日，星期天矩形波導圓波導平行雙線同軸線微帶線傳輸線第25頁,共32頁，2024年2月25日，星期天隨著現代科學技術的發(fā)展，電子、電氣系統(tǒng)獲得越來越廣泛的應用。運行中的電子、電氣設備大多伴隨著電磁能量的轉換，使得高密度、寬頻譜的電磁信息充滿整個人類的生存空間，構成極其復雜的電磁環(huán)境，出現了電磁干擾和電磁污染。使電子系統(tǒng)受到嚴峻的挑戰(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)在復雜電磁環(huán)境下正常運行的能力，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，應用到電路的基礎知識，甚至生物醫(yī)學知識?？梢哉f，電磁兼容學科是電磁場學科和其他相關學科相結合而形成的新學科。電磁兼容第26頁,共32頁，2024年2月25日，星期天

生物電磁學也是與電磁場相關聯(lián)的一門新學科，它研究電磁場與生物系統(tǒng)的相互作用、相互影響的關系，電磁場與電磁波無疑是其討論的理論依據。生物電磁學第27頁,共32頁，2024年2月25日，星期天

電磁場理論與微波技術

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（8＋6＋4）傳輸線理論（第八章）波導與諧振腔（第九章）微波網絡基礎（第十章）五、本課程知識體系

矢量分析（1＋5）第28頁,共32頁，2024年2月25日，星期天難點分析和處理問題的方法

——數學處理過程矢量分析第29頁,共32頁，2024年2月25日，星期天【1】電磁場與電磁波（3版）.謝處方