第」章 做波概急Q Microwave Concep 对电磁场与微波专业,《微波技术》是一门最重要 的基础课程。 究竟什么是微波?这是我们关心的首要问题。 从现象看,如果把电磁波按波长咸频率)划分,则 大致可以把300MHz3000GHz,(对应空气中浪长 λ是1m0.1mm)这一频段的电磁波称之为微波。 纵观“左邻右舍”它处于超短浪和红外光浪之间。 300MHZ 3000GHZ 超短波 Microwave 红外光图11
第1章 微波概念 Microwave Concept 对电磁场与微波专业，《微波技术》是一门最重要 的基础课程。 究竟什么是微波？这是我们关心的首要问题。 从现象看，如果把电磁波按波长(或频率)划分，则 大致可以把300MHz—3000GHz，(对应空气中波长 λ是1m —0.1mm)这一频段的电磁波称之为微波。 纵观“左邻右舍”它处于超短波和红外光波之间。 超短波 红外光 图 1-1
Maxwel程组的物理意义 作为注记:对于任何浪,浪长和频率与波速相关 v=/f (1-1) 因此,只用一个波长λ(或频率不能确定是何种 浪。例如,可以注意到声波也有浪长,这样就可构 成声浪与微波的相互作用。把微浪浪段单独列出来 必然有它的独特原因,也必然构成它独特的研究方 法。这正是本讲要解决的主要问题
一、Maxwell方程组的物理意义 作为注记：对于任何波，波长和频率与波速相关 因此，只用一个波长λ(或频率f)不能确定是何种 波。例如，可以注意到声波也有波长，这样就可构 成声波与微波的相互作用。把微波波段单独列出来， 必然有它的独特原因，也必然构成它独特的研究方 法。这正是本讲要解决的主要问题。 (1-1) v = f
Maxwel程组的物理意义 从理论上讲,一切电磁波(包括光波)在宏观媒质 中都服从 Maxwel程组。因此,深入研究和考察 它,将有助于了解电磁的深入含义。 人类首次实现的 Hertz电磁浪试验,从现在的眼 光来看,只是一个极近距离上的电火花收发实验 全不足为奇。然而,当时却轰动了学术界。人们不得 不坐下来认真思索:电磁波这个东西没有“脚”是怎 么走过去的。用学术性的语言则可以说是如何实现超 距作用的
从理论上讲，一切电磁波(包括光波)在宏观媒质 中都服从Maxwell方程组。因此，深入研究和考察 它，将有助于了解电磁波动的深入含义。 人类首次实现的Hertz电磁波试验，从现在的眼 光来看，只是一个极近距离上的电火花收发实验，完 全不足为奇。然而，当时却轰动了学术界。人们不得 不坐下来认真思索：电磁波这个东西没有“脚”是怎 么走过去的。用学术性的语言则可以说是如何实现超 距作用的。 一、Maxwell方程组的物理意义
Maxwel程组的物理意义 于是,历史选择了 Maxwell,一批年青的学者总结 出电磁运动规律,即 Maxwe方程组。同时,提出了 Newton力学所没有的崭新概念——( Field的概念) Maxwell方程组中独立方程主要表现为前面二个, 即 V×B=2+7 (1-2) at V×E 0B (1-3) a
于是，历史选择了Maxwell，一批年青的学者总结 出电磁运动规律，即Maxwell方程组。同时，提出了 Newton力学所没有的崭新概念——场(Field的概念)。 Maxwell方程组中独立方程主要表现为前面二个， 即 一、Maxwell方程组的物理意义 = − = + t B E J t D H (1-2) (1-3)
Maxwel程组的物理意义 这里,首先让我们来探讨一下上面方程内含的学: 1.这两个方程左边物理量为磁(或电),而右边物理量 则为电(或磁)。这中间的等号深刻揭示了电与磁的相互 转化,相互依赖,相互对立,共存于统一的电磁浪中。 正是由于电不断转换为磁,而磁又不断转成为电,才 会发生能量交换和贮存。 H 图1-2
这里，首先让我们来探讨一下上面方程内含的哲学思想: 1. 这两个方程左边物理量为磁(或电)，而右边物理量 则为电(或磁)。这中间的等号深刻揭示了电与磁的相互 转化，相互依赖，相互对立，共存于统一的电磁波中。 正是由于电不断转换为磁，而磁又不断转成为电，才 会发生能量交换和贮存。 一、Maxwell方程组的物理意义 图 1-2
Maxwel程组的物理意义 值得指出:人类对于电磁的相互转化在认识上走了很 多弯路。其中 Faraday起到关键的作用。 Oersted首先 发现电可转化为磁(即线圈等效为磁铁),而 Faraday坚 信磁也可以转化为电。但是无数次实验均以失败而告 终。只是在10年无效工作后,沮丧的 Faraday!鬼使神 差地把磁铁一拔,奇迹岀现了,连接线圈的电流计指 针出现了晃动。 图1-3 图14 电磁振荡 ○单摆
值得指出：人类对于电磁的相互转化在认识上走了很 多弯路。其中Faraday起到关键的作用。Oersted首先 发现电可转化为磁(即线圈等效为磁铁)，而Faraday坚 信磁也可以转化为电。但是无数次实验均以失败而告 终。只是在10年无效工作后，沮丧的Faraday鬼使神 差地把磁铁一拔，奇迹出现了，连接线圈的电流计指 针出现了晃动。 电磁振荡 单摆 一、Maxwell方程组的物理意义 图 1-4 图 1-3
Maxwel程组的物理意义 这一实验不仅证实了电磁转换,而且知道了只有 动磁才能转换为电。 还需要提到:电磁转换为电磁浪的出现提供了可 能,但不一定是现实。例如电磁振荡也是典型的电 磁转换。而没有引起波( WAve)。 作为力学类比,电磁转换犹如单摆问题中的动能 与势能的转化
这一实验不仅证实了电磁转换，而且知道了只有 动磁才能转换为电。 还需要提到：电磁转换为电磁波的出现提供了可 能，但不一定是现实。例如电磁振荡也是典型的电 磁转换。而没有引起波(Wave)。 作为力学类比，电磁转换犹如单摆问题中的动能 与势能的转化。 一、Maxwell方程组的物理意义
Maxwel程组的物理意义 2.进一步研究 Maxwel)程两边的运算,从物理 上看,运算反映一种作用( Action)方程的左边是 空间的运算(旋度);方程的右边是时间的运算(导数) 中间用等号连接。它深刻揭示了电(或磁)场任一地点 的变化会转化成磁(电场时间的变化;反过来,场 的时间变化也会转化成地点变化。正是这种空间和 时间的相互变化构成了浪动的外在形式。用通俗的 句话来说,即一个地点出现过的事物,过了一段 时间又在另一地点出现了
一、Maxwell方程组的物理意义 2. 进一步研究Maxwell方程两边的运算，从物理 上看，运算反映一种作用(Action)。方程的左边是 空间的运算(旋度)；方程的右边是时间的运算(导数)， 中间用等号连接。它深刻揭示了电(或磁)场任一地点 的变化会转化成磁(或电)场时间的变化；反过来，场 的时间变化也会转化成地点变化。正是这种空间和 时间的相互变化构成了波动的外在形式。用通俗的 一句话来说，即一个地点出现过的事物，过了一段 时间又在另一地点出现了
Maxwel程组的物理意义 t 0 Wa ave 图1-5
z Wave t 0 一、Maxwell方程组的物理意义 图 1-5
Maxwel程组的物理意义 3. Maxwell方程还指出:电磁转化有一个重要条件, 即频率ω。让我们写出单色浪频域的 Maxwe程 VXH=jOEE+J (1-4) V×E=-iouH (1-5) 只有较或者说任何形式的信号高频分量都包含很少 高的ω,才能确保电磁的有效转换,直流情况没有 转换。可以这样说,在高频时封闭电路才有可能变 成开放电路。不过很有意思的是频率愈高,越难出 功率,这也是一个有趣的矛盾
一、Maxwell方程组的物理意义 3. Maxwell方程还指出：电磁转化有一个重要条件， 即频率ω。让我们写出单色波频域的Maxwell方程 = + = − H j E J E j H 只有较或者说任何形式的信号高频分量都包含很少 高的ω，才能确保电磁的有效转换，直流情况没有 转换。可以这样说，在高频时封闭电路才有可能变 成开放电路。不过很有意思的是频率愈高，越难出 功率，这也是一个有趣的矛盾。 (1-4) (1-5)