华中科技大学微波绪论改20130220.ppt
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1、微 波 技 术 基 础 华中科技大学电信系 陈柯 Email: 绪论 0.1 电磁波的实质与发展历程 0.2 微波在电磁波谱中的位置 0.3 微波的特点 0.4 微波的应用 0.1电磁波的实质与发展历程 一.电磁波的产生与实质 波的产生是由物质的各部分振动造成的;如: 水波:是由于水分子的上下振动引起的 声波:是由于空气分子的来回振动引起的 电磁波是由电磁场的振动产生的(即电场和磁 场的方向、大小的循环变化); 注:电磁波由于其“不可捉摸”而显得十分抽象; 0.1电磁波的实质与发展历程 电场:是由带电物体(多余电子或失去电子)产生的; 磁场:是由于电荷的运动产生的; 电磁波实质是不断变化着的电
2、场和磁场在空间中 的传播; 0.1 电磁波的产生及实质 下图是导体周围某一确定时刻空间各点电磁场强度变化的 图形(此犹如我们在某一瞬间拍摄下来的水面上各点水波的 凹凸起伏图形一样)。 电磁场理论的学科内涵 电磁场 理论的 科学内 涵和应 用领域 无线电技术的理论基础: 电磁场与物质相互作用 信息传输新器件和系统 信息获取新方法和技术 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 一.电磁波的发展历程 n电、磁现象是大自然最重要的自然现象,也是 最早被科学家们关心和研究的物理现象。 n19世纪以前,电、磁现象作为两个独立的物理 现象被广泛的关注和研究。正是由于这些研究为 电磁学理论的建立奠定了基础。 n
3、其中贡献最大的有富兰克林、伏打、安培、法 拉第、高斯等科学家。 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 n1864年,麦克斯韦提出位移电流的新假设,用严谨 的数学方式揭示了电场与磁场的内在联系, 以及它们 所遵循的规侓-麦克斯韦方程,从而建立了系统而完 整的电磁场理论。-经典电磁理论。 n1868年,麦克斯韦从他所建立的偏微分方程中推出 电磁波来,科学的预言了电磁波的存在。 麦克斯韦 (1831-1879) 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 1855年:开始致力于电磁学的研究 1864年:电磁场的动力学理论 1873年:电磁通论著作完成 1873年: 经典宏观电磁场理论建立 人类探索、开发和
4、利用电磁波的历史回顾 n麦克斯韦预言电磁波的存在,但却没有能通过 亲手实验证实他的预言。1887年德国科学家赫兹 透过闪烁的火花,第一次证实电磁波的存在。此后 过了 不到7年时间,电磁波开始实际应用到通信领 域。从此开始了电磁场和电磁波理论的应用与发展 时代。 赫兹 (1857-1894) 赫 兹 实 验 频率的单位Hz 即以他的姓氏 命名。 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 n20岁的马可尼偶然读到赫兹论述电磁波实验的 文章,从而把兴趣全部转移到利用电磁波进行通 信的实验上,立志实现无线电通信。1901年,他 试验成功了在加拿大的纽芬兰与英国的昆沃尔之 间、横跨大西洋3000公里的越洋无
5、线电通信。从 而使无线电技术的发展成为20世纪的热门话题。 开辟了人类应用无线电的新纪元。 n马可尼成为1909年 的诺贝尔奖得主 马可尼 (1874-1937) 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 无线电报(telegraph) 1895年,马可尼进行了2.5公里无线电报传送 1896年,波波夫进行了250米的电报传送试验 1899年, 跨越英吉利海峡电报传送试验成功 1901年,跨越大西洋的3200公里的试验成功 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 有线电话 (telephone) 1876年, 美国科学家贝 尔在美国建国100周年 博览会上展示了他所发 明的有线电话。 人类探索、开发
6、和利用电磁波的历史回顾 广播 (broadcasting ) 1906年,美国费森登用50 KHz的发电机作发射机, 用微音器接入天线实现调 制,使大西洋航船上的报 务员听到了广播播出的音乐。1919年第一个 定时的无线电广播电台在英国建成 人类探索、开发和利用电磁波的历史回顾 电视 (television video ) 1884年,德国尼普科夫提出机 械扫描电视的设想,1927年, 英国贝尔德成功用电话线路把 图像从伦敦传至大西洋中的船上。兹沃霄金在 1923年和1924年相继发明了摄像管和显像管。 1931年,世界上第一个全电子电视系统出现。 n在发现电磁波不到6年,利用 电磁波的技术,
7、如雨后春笋般相 继问世。 n无线电报(1894年) n无线电广播(1906年) n无线电导航(1911年) n无线电话(1916年) n短波通信(1921年) n无线电传真(1923年) n电视(1929年) n微波通信(1933年) n雷达(1935年) n遥控、遥感、卫星通信、移动通信 、射电天文学它们使整个世界面貌 发生了深刻的变化。 0.2 微波在电磁波谱中的位置 一、电磁波谱 电磁场的振动有快有慢,因此电磁波的频率有 高有低,电磁波的频率十分宽广。根据不同频段 (或波段)电磁波的不同特性和不同的适用场合 ,可以将电磁波划分成几个大的类别范围,即电 磁波的频谱。 0.2 微波在电磁波谱
8、中的位置 图0-3 电磁波谱 0.2 微波在电磁波谱中的位置 微波波段的划分 长期以来,人们对微波范围内的电磁波又进行了进一 步的频率范围划分,并给予了相应的波段代号 波段代号波段代号频率范围/GHz频率范围/GHz UHF 0.3 1.12 Ka 26.5 40 L 1.121.7 Q 33 50 LS 1.7 2.6 U 40 60 S 2.6 3.95 M 50 75 C 3.955.85 E 60 90 XC 5.858.2 F 90 140 波段代号波段代号频率范围/GH频率范围/GH UHF 0.3 1.12 Ka 26.5 40 L 11.7 Q 33 50 LS 1.7 2.6
9、 U 40 60 S 2.6 3.95 M 50 75 C 3.955.85 E 60 90 XC 5.858.2 F 90 140 微 波 波 段 的 划 分 微 波 波 段 的 划 分 0.2 微波在电磁波谱中的位置 THz波是指频率在(0.1-10)THz(波长为300030微米)范 围内的电磁波,THz=1012Hz。由波谱图可见,它在长波段与 毫米波(亚毫米波)相重合,而在短波段,与红外线相重合 下。长期以来,由于缺乏较为理想的THz源和相关检测系统, 致使在电磁波谱中形成一段发展相对落后的“THz空白”( THz Gap) ,是有待开发利用的最后一个电磁窗口。 0.2 微波在电磁波
10、谱中的位置 另外,其它波段的波长为:红外线0.75mm 0.76um(远、中、近红外线的范围分别为0.75mm 15um,151.5um,1.50.76um;远红外线波 段的一部分与亚毫米波段相重叠);紫外线(0.39 0.005um);X射线(0.00510-8um);y射线(10- 8um以下)。 0.2 微波在电磁波谱中的位置 顾名思义“微波”是波长极短,频率极高的 电磁波。在电磁波谱中是介于普通无线电波与红 外线之间的波段。 因此,波长的长与短、频率的高与低都是相 对的,在微波波段内部又可划分为分米波、厘米 波、毫米波和亚毫米波. 不同频率的电磁波,其传播特性不同,适用 场合也不同:
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