微波工程基础(李宗谦)-绪论

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微波工程基础第5章

第五章谐振腔
§5.3 矩形腔
一段长度为 l 的矩形波导两端用金属片封闭起来就构成了矩形腔，以TE波为例，Hz分量可写成
m H z jkc2 D cos a n jkz z m x cos ye D cos b a n jkz z x cos y e b
第五章谐振腔
§5.2 谐振腔的基本参数
谐振腔的Q值
1 Q0 2
H H ds
S
H H dv

E E dv
'
0 E E dv
' V0
V0
1 1 tan 2 H H dv Q0 s Q0 v
场解法:
(5.12)
一个模式对应一个频率
c c m n p f0 k 2 2 a b l
2
2
2
(5.13)
中国科学院电子学研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science
在 z 0和 z l 处， H z 是法向分量，因此必须有：
H z z 0 0， H z z l 0 D D D H mn / (- jkc2 )， e jkz l e jkz l 0
p sin k z l 0 k z l
p 1, 2,3,
第五章谐振腔
§5.2 谐振腔的基本参数
谐振频率0 1、集中参数法：电场和磁场相对集中，先算L和C，f 0 1/ LC 2、电纳法：先求等效电路， B( f 0 ) 0

微波技术与天线第三版绪论

•例：抛物面天线的发射电磁波波束角：
•其中，D为天线口面直径，为工作波长。
•若要获得
，当
（短波）时，D=280m
•
当
（微波）时，D=84cm
2、频率高，频带宽，信号容量大
•3 •4 •5 •6 •7
五、本课程体系结构
●电路分析法 • ●光学分析法 • ●场分析法
六、分析方法
七、微波技术应用
实验内容安排（8学时）
课程性质与考核方式
• 专业选修课 • 学分：3.5
• 闭卷
• 比例： • 平时成绩 20分
• 卷面成绩 80 分
•第0章绪论
一、本课程与其他课程的关系
二、通信系统分类
■有线通信
■有线通信
有线通信特点
●优点：抗干扰性好，节省费用、使用方便
●缺点：损耗大，不使用转发放大器的通信距离是由指数规律决定的！
微波技术与天线第三版绪论
历史教材
教学参考书
1、《微波技术》顾茂章、张克潜编著，清华大学出版社
2、《微波技术与天线》王新稳等编，电子工业出版社
3、《微波工程基础》李宗谦佘京兆等编清华大学出版社
4、《天线》上、下册 [美] John D.Kraus著章文勋译电子工业出版社
课程学时安排（48学时）
■无线通信
◇无线通信框图
• ◇无线通信损耗
其中为无线电波频率，为接收距离
无线通信特点
三、微波技术及特点
•■微波频率范围
•波长：1m~0.1mm
频率：300M~3000GHz
■微波波段划分
•比如：微波炉的频率为2.45GHz左右, 属于LS波段
四、微波特点
1、波长短，易于实现窄波束定向辐射 ——微波遥感、雷达成像、卫星通信基础

微波技术第一章----绪论last

1.4 微波研究方法
“场”为主；
“场”与“路”相结合
例如波导与电磁谐振腔理论就是典型的场理论，在研究方法上也愈来愈多地与光学技术相结合，例如应用几何光学理论研究反射面天线，透镜天线。用迈克尔逊干涉仪作为通振腔等等。
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第一章绪论
1.5 微波技术研究的主要内容
一、微波传输线理论
它是研究微波在各种传输线（双导线、同轴线、波导、介质波导、微带线和带状线）上传播时的特性。传输线理论(长线理论）；金属波导带状线与微带
1.3 微波技术的发展和应用
第一章绪论一、微波技术的应用
微波应用
雷达
通信
科学研究
生物医学
微波能
二、微波技术的发展
发展方向
工作频段向高频段发展
小型化、宽带化
自动化、智能化
/art/1716/ 返回 20050308/220161_1.html
第一章绪论
地表传播
对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。那些走直线的电波就过不去了。只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。
Ka
Q U M E F G R
26.50～40.00
33.00～50.00 40.00～60.00 50.00～75.00 60.00～90.00 90.00～140.0 140.0～220.0 220.0～325.0

微波工程基础

微波工程基础
微波工程基础是指在微波频段（300 MHz至300 GHz）上进行设计、分析和应用微波电子器件和系统的基本知识和
技能。

微波工程基础涵盖了微波电磁场理论、微波传输线
理论、微波电路设计、微波毫米波器件、微波天线设计、
微波无线通信系统等方面的知识。

微波频段的特点是具有较高的频率和较短的波长，电磁波
在这个频段上具有独特的传输和传播特性。

微波工程基础
研究这些特性，并利用它们设计和开发微波电子器件和系统，如微波集成电路、微波天线和雷达系统等。

微波工程基础需要掌握微波电磁场理论、微波传输线理论、微波电路设计和微波器件的工作原理和设计方法。

此外，
还需要了解微波天线设计的原理和方法，以及微波无线通
信系统的原理和架构。

微波工程基础是电子工程、通信工程和无线电工程等专业中的重要内容，对于从事相关技术和产业研究的人员来说是必备的知识和技能。

微波工程基础第3章

(3.12-3.13)
中国科学院电子学研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences
横电磁波TEM(续前页） (3.16) E (T ) T (T ) H (T ) T (T ), T E T H 0
(3.3)
(3.4)
k k
2 2
2 c
k k
Z ( z ) Z1e j z Z 2e j z e j ( z t )
(3.5)
中国科学院电子学研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences
中国科学院电子学研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences
（1）TEM或准TEM传输线；（2）金属波导；（3）表面波导
中国科学院电子学研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences
中国科学院电子学研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences
§3.1 导波分类
导波：沿传输系统限定方向传输的电磁波能量的传输受传输系统导体或介质边界的约束导波模式：受导波传输系统边界的限制，能够在系统中独立存在且传输的特殊电磁场分布结构一般传输系统：单根或多根互相平行的空心或实心柱状导体或介质组成。电磁波沿柱的纵向方向传播（z轴），垂直z轴方向为横向均匀传输系统：传输系统的横截面形状、尺寸、材料性质不随z轴变化
§3.1.1导波特性(续前页) 是导波的纵向传播常数, (3.3)中 kc 是微分方程在

微波工程基础(李宗谦)-第一章

第一章电磁场概述
10
B
1.5 坡印亭定理
1.5.2 谐变场坡印亭定理
坡印亭矢量的时间平均值
复数形式的坡印亭矢量
2012-6-13
第一章电磁场概述
11
1.5 坡印亭定理
1.5.2 谐变场坡印亭定理
微分形式的复数坡印亭定理
2012-6-13
第一章电磁场概述
12
1.5 坡印亭定理
1.5.2 谐变场坡印亭定理
2012-6-13
第一章电磁场概述
19
1. 9 波动方程
E ( E ) E
2
2 2 ˆ 2 ˆ 2 ˆ E x E x y E y z E z
E j H
H j E J
E j H = E j J
J e1 , J m 1 E 1 , H 1
J e2 , J m 2 E 2 , H 2
2012-6-13
第一章电磁场概述
23
1.11 反作用和互易定理
互易定理的微分形式
2012-6-13
第一章电磁场概述
24
1.11 反作用和互易定理
场2对源1的反作用场1对源2的反作用互易定理的积分形式同频的两组源及其产生的电磁场之间应该满足的关系。如果已知一组源及其产生的电磁场，那么利用互易原理即可获知另一组源及其产生的电磁场之间的关系。互易原理中涉及的两组源的频率必须相同。
1 1 1
ˆ n
E1
H1 H2
E1
2 2 2
2012-6-13
第一章电磁场概述
7
1. 4 边界条件

微波工程基础(李宗谦)-第二章

单位长度上的串联阻抗 Z1 很小，并联导纳 Y1 也很小。完全可以
忽略分布参数的影响，认为传输线本身没有串联阻抗和并联导纳，所有阻抗都集中在电感、电容和电阻等元件中。我们把这样的电路
称为集中参数电路。但是，同样是平行双线，把它用在微波波段时，单位长度上的串联阻抗 Z1 和并联导纳 Y1 则不能忽略不计。这时就必须考虑传输线的分布参数效应，也就是说传输线的每一部分都存在着电感、电容、电阻和漏电导。
2013-8-1
第二章
传输线理论
2
§ 2.1 微波传输线的基本概念
一、微波传输线的用途和种类
表 2.1 微波传输线的种类与用途
类型工作波型名称应用波段
TEM 波传输线
TEM 型波
平行双线同轴线带状线、微带
米波、分米波低频端分米波、厘米波分米波、厘米波
金属波导
TE、TM 型波
2013-8-1
dV I ( R j L) dz dI V (G jC ) dz
第二章传输线理论
电报方程
13
dV I ( R j L) dz dI V (G jC ) dz
d 2V dI ( R j L) 2 dz dz
d 2V ( R j L)(G jC )V dz 2 d 2I ( R j L)(G jC ) I 2 dz
z＋z ) (t t ) C （
z t C
波长：
2013-8-1
g
f

第二章

2
g
传输线理论
16
2.3 阻抗与驻波
一、反射系数
I ( z)

微波工程基础(李宗谦)-第五章1

N型接头发展于1942年，以贝尔实验室P.Neil命名，插座的外直径大约0.625in (1in＝2.54cm)，使用的频率上限范围为11－18GHz，取决于同轴线尺寸大小，结构结实但体积较大。
2012-6-13
第五章
无源微波电路
6
(2) 同轴接头
SMA接头(SubMiniature version A )
截止衰减器通常有20～30dB的起始衰减，最大衰减量可达120dB～160dB。频带宽，量程大，精度高是其优点。
无源微波电路
14
2012-6-13
第五章
3.旋转极化式衰减器模片I：固定极化作用模片II：衰减作用
E 1 E co s
模片III：衰减、固定极化作用
E 1 E 1 co s E co s
1 1 2
2 2 0
由 s s
H
s 2 s 2 s 11 12 13 2 1 2 s13 1 * * s1 1 s1 3 s1 2 s1 3 0
2
1
1 s11 s12 2 1 s 13 2
5.1 引言
无论在哪个频段工作的电子设备, 都需要各种功能的元器件, 既有如电容、电感、电阻、滤波器、分配器、谐振回路等无源元器件, 以实现信号匹配、衰减、隔离、分路、吸收、反射、滤波等; 又有晶体管等有源元器件, 以实现信号产生、放大、调制、变频等。微波系统由馈线、无源微波电路、有源微波电路以及天线组成。各种无源、有源元器件的功能是对微波信号进行必要的处理或变换, 它们是微波系统的重要组成部分，需要研究其功能，结构和特性。对微波元件共同考虑的问题是：工作频带、驻波系数、功率容量、体积和成本等。

微波工程基础(李宗谦)-第三章1

ˆ T Ez z Ez
横向场量与纵向场量关系：
(k 2 k z2 ) HT j z T Ez jk z T H z
同理可得：
(k 2 k z2 ) ET j z T H z jk z T Ez
其中：k
2013-8-1
第三章
导波与波导
6
沿正z方向传播的波：Ez ( x, y, z ) zEz ( x, y)e jkz z
表示推导
亥姆霍兹方程
2 E k E 0 2 2 H k H 0
2
纵向分量方程
2 Ez k 2 Ez 0 2 H z k 2 H z 0
a≥ / 2

4
2013-8-1

4
2
第三章
导波与波导
3.2 规则金属波导的一般理论
y z
3.2.1 直接法求解：（1）时空分离
x o
E ( x, y, z; t ) E ( x, y, z )e jt
（2）纵横分离
ˆ E ( x, y, z ) ET ( x, y, z ) zEz ( x, y, z )
j z T E z 2 2 k kz jk z ET 2 T E z 2 k kz HT
TM 波的波阻抗：TM E k T z HT
HT

kz
z ET
z ET
HT
TM
ET TM z H T
横向电场、横向磁场和传播方向满足右手螺旋关系。 TM波Ez分量满足的边界条件： Ez
z HT
E T HT kz
ET TE z HT

微波工程基础第2章-1

缓变问题：扩散方程
有源扩散方程 E 1 J 2 E t t H 2 H J t
(2.15)
无源扩散方程
E 2 E 0 t H 2 H 0 t
(2.16)
B dl 0 I B 0 J
L
(安培环路定理） (2.4)
( B) 0 J 0
中国科学院电子学研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science
J dS V t dV J t S （稳恒电流无源） J 0 J 0 (J J D ) 0 (2.5) t B 0 ( J J D ) J D ( E ) t 0 E E JD 0 B 0 ( J 0 ) (2.6) t t d d B dl 0 I 0 0 dt E dS H dl I dt D dS L S
B ∇ E t
(2.2)
中国科学院电子学研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science
磁力线封闭磁场无源 B dS 0
S
B 0
(2.3)
安培环路定理和位移电流假说（电产生磁） 0 Idl r dF I1dl1 B, B r 3 (毕奥萨伐尔定律） 4 0 0 J r I i dli ri B r 3 B 4 r 3 dV 4 i i

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基本要求
• 用场和路相结合的方法分析微波工程应用及技术 • 将模型、数值仿真和实验测量分析的方法相结合起来，对场变量进行分析和研究

• 第5章：无源微波电路。讨论了从一端口到六端口的各种无源微波器件与电路，以及谐振腔、非互易器件，最后简单介绍微波滤波器。 • 第6章：天线及微波工程子系统简介。简单介绍了各种应用的天线，如对称振子、阵列、抛物面天线，还介绍了简单微波工程子系统的构成及其工作原理，从而对整个微波技术基础的学习有一个更全面的了解。 • 实验要求: • 本课程安排实验2个,学时数为8,学生通过实验了解一些微波器件的工作原理和使用方法，实验名称如下: 1）微波参数实验系统的构成及其工件原理； 2）电压驻波系数、微波波长、频率的测量；匹配技术。
整个微波频段又可以划分为几段，它们是：
0.1 什么是微波
对于微波频段的划分和命名，国内外有多种方法，下列表格给出了在雷达和制导技术领域划分微波频段的方法及其频段代号：
不同工作频率的微波系统具有不同的技术特性、生产成本和用途。一般说来，微波系统的工作频率越高，其结构尺寸就越小、生产成本也越高；微波通信系统的工作频率越高，其信息容量越大；微波雷达系统的工作频率越高，微波大气传输的方向性和系统分辨力就可能提高。另外，微波的频率越高，其大气传输和传输线传输的损耗就越大。
微波技术基础
课程概况
课程目的
本课程是电子信息科学与技术类专业的专业基础课。微波技术广泛应用于当前的通信与广播电视等方面，如微波通信、微波遥感、雷达、电子对抗、微波电磁兼容等。课程主要研究微波的产生、变换、放大、传输、辐射、传播、散射、接收、检测、测量等方面的内容，为从事这一领域研究的学生提供最基本的入门知识。
寻呼机的工作频率为 300 MHz 左右；
蜂窝移动电话的工作频率为 450 MHz、900 MHz 和 1.8 GHz。 40 ~ 60 GHz 为保密通信频段；26.5 ~ 40 GHz 和 75 ~110 GHz 为雷达、制导系统频段等等。
0.1 什么是微波
根据电磁波频率、波长与速度的关系：f 3108 米/秒可知，微波的波长范围在 1 米至 0.1 毫米之间。可以采用如下的等式进行微波波长和频率之间的换算：波长 (米) 频率 (MHz) = 300 (106米/秒)
波长 (毫米) 频率 (GHz) =300 (106米/秒)
0.1 什么是微波
为了充分利用微波频谱资源，避免相互干扰，国际上对各微波频段的用途都有一些规定。例如：微波炉中磁控管的工作频率为 2.45 GHz； C 波段通讯卫星的工作频率：下行频率为 3.700 ~ 4.200 GHz，上行频率为 5.925 ~ 6.425 GHz。 Ku 波段通讯卫星的工作频率：下行频率为 11.7 ~ 12.2 GHz，上行频率为 14.0 ~ 14.5 GHz。
学时安排
内容第一章电磁场理论概述第二章传输线理论第三章导波与波导第四章微波网络理论第五章无源微波电路第六章天线及微波工程子系统简介实验总计学时数 2 10 10 8 8 2 8 48
0.1 什么是微波
通常，我们将频率为 300 MHz 至 30 GHz 的电磁波称作微波，将 30 GHz 至 300 GHz 的电磁波称作毫米波，相应的电磁波频段称作微波、毫米波频段。将频率在 300 GHz 至 3000 GHz 的电磁波称为亚毫米波。