北京邮电大学-李秀萍-微波课件2013-1

10/3/20131微波工程基础•李秀萍教授•办公室：明光楼816,Tel:[phone]•Email:[e-mail]10/3/20132Outline•绪论•传输线理论•课件邮寄地址：[e-mail]•密码：123engineering10/3/20133HeinrichHertz(1831-1879)(1857-1894)(1831-1879)JamesC.Maxwell(1831-1879)Heaviside，Oliver(1850～1925)•建立了麦克斯韦方程组•创立了经典电动力学•预言了电磁波的存在提出了光的电磁说。•消除了数学复杂性•建立了系统的矢量符号10/3/20134无线通信历史总结19001910192019301940195019601970198019902000电话广播无线电雷达卫星通信卫星遥感手机DBS商用GPSAuto&Highway个人通信系统卫星个人通信系统•单位芯片上集成的晶体管数量•将每年翻一番•全面发展•广泛应用•固体器件、固体集成电路•和固体平面电路,小型化•2年•1965：30;1978：65000•1989：140万;25MHz(i486)•2002：5500万;3.06GHz60GHzwirelesscommunication•ScientistsfromSingapore'sNanyangTechnologicalUniversity(NTU)'sVirtusICDesignCentreofExcellencehaveannouncedanewmicrochipcalledVirtus(namedafterthedesigncenter)thatpromisesupto2Gbpswirelessdatatransfersinmobiledevices.Thiswilltheoreticallyallowuserstotransfer1GBworthofdatainunder5s10/3/20136看不见的微波影响全世界(1)1.微波以及发展•频率很高(300M~300GHz，波长：1m~1mm)•电路理论，微波传输线理论•场理论•空间中每一点的完整描述•电路理论•功率，阻抗，电压和电流等看不见的微波影响全世界(2)12z微波网络理论传输线理论Smith圆图，匹配实际应用：矩形波导，圆波导，同轴线，微带线，谐振腔，功分器，耦合器，滤波器看不见的微波影响全世界(3)2.微波的特点与应用–天线–频率高•带宽大，通信容量高•对元器件有特殊要求–遥感，医学治疗，治疗和加热方法–WLAN，RFID，UWB……3.研究内容(偏重“工程性”)–微波理论、器件–微波试验、仪器10/3/2013910/3/201310波段名称波长范围频率范围频段名称超短波10m~1m30M~300MHz(VHF)分米波1m~10cm300M~3GHz(UHF)厘米波10cm~1cm3G~30GHz(SHF)毫米波1cm~1mm30G-300GHz(EHF)亚毫米波1mm~0.1mm…超极高频微波波段的划分10/3/201311微波波段中的一些“特殊”子波段•L波段(Band)：1G~2GHz•S波段：10厘米波段(2~4GHz)•C波段：5厘米波段(4~8GHz)•X波段：(8-12.4GHz)•Ku波段：2厘米波段(12.4~18GHz)•K波段:(18~26.5GHz)•Ka波段：8毫米波段(26.5~40GHz)10/3/201312课程内容安排课时(小时)内容章节/备注1绪论微波与微波技术第一章14传输线理论(传输线方程)电报方程以及求解端接任意负载时传输线的特性；第三章，课程重点史密斯圆图及其使用阻抗圆图构成及工程阻抗圆图应用实例第四章，课程重点10阻抗匹配：单枝节，双枝节；阻抗变换：小反射理论；匹配变换器第四章，课程重点10微波网络理论微波网络电路参量微波网络波参量二端口网络的工作特性与网络连接信号流图，三端口和四端口网络；第五章，课程重点9矩形波导简介，圆波导、同轴线以及微带传输线，微波谐振器第六章4复习+期末考试10/3/201313•学习：预习、听讲、笔记、复习、作业•教材、参考书•微波技术基础电子工业出版社2013•[e-mail],密码：engineering•DavidM.Pozar“MicroWaveEngineering”•《电磁场与电磁波》•闫润卿等《微波技术基础》第2版北京理工大学•李秀萍《射频与微波工程实践导论》电子工业出版社，2009.1•强调“概念”和“理解”•基本概念•基本方法：场与路学习注意事项Outline传输线理论•长线理论•传输线的等效电路•电报方程电报方程求解5个特征参数端接负载的无耗传输线10/3/20131410/3/201315传输线理论10/3/201316传输线定义•什么是“传输线”：微波传输线是传输微波能量和信息、可用来构成各种微波元件的电磁装置10/3/201317传输线的分类按照传导的模式进行分类(1)TEM波传输线：双导线、同轴线、微带线….(双导体)xyzab0(2)TE/TM波传输线：“金属波导”….(单导体)(3)表面波传输线：“介质波导”(如：光纤)10/3/201318长线理论(一)•电路理论和传输线理论差别：电尺寸(1)直流信号:频率为零，波长“无限长”——“直流分析”“长”/“短”的界定：l(2)低频信号:如交流50Hz，波长在Km量级——“短线”(3)微波频段:传输线长度和波长可以相比拟短线长线Z10/3/201319长线理论(二)•电路理论和传输线理论的区别电尺寸和波长集总参数分布参数“导体的非理想，趋肤效应”——“分布电阻”R“电流”产生磁场——“分布电感”L导体间电压——“分布电容”C导体间非理想介质——“漏电流”——分布“并联电导”G•信号的电流密度沿导体横界面的径向自外而内呈指数下降。当信号幅度降低到导体表面处信号幅度值的1/e或36.8%时的径向临界深度叫趋肤深度或渗透深度，表示为：•求铜和银作为传导媒质，工作频率为1GHz时的趋肤深度–铜σ=5.8×107S/m•2.1um–银σ=6.17×107S/m•2um10/3/2013201Sfμσ10/3/201321•对圆导线，交流阻抗RAC由导线直径为D且厚度等于趋肤深度δs的空心导线的横截面部分决定•该导线的直流阻抗仅为0.3281Ω/um，但是在1GHz它的阻抗为10.5Ω/mm，大出32倍多ACSlRDσDC2(4)lRDσAC6DC(0.010in.0.0254min.)3244(210m)SRDR•D＝0.254mmf=1GHzAlR•＋•＋•＋•＋D10/3/201322ZLSV0zdzz电报方程(一)入手：(1)dzz时，“集总参数”(2)“路”的分析方法ii+di•传输线理论——“长线理论”,场分析和基本电路理论之间的桥梁10/3/201323电报方程(二)R:Ω/mL：H/mG：S/mC：F/mZLSV0zdzzi(z,t)+-+-i(z+dz,t)dzABCDR.dzL.dzG.dzC.dzv(z,t)v(z+dz,t)(,)izttLdz(,)vzdzttCdz10/3/201324电报方程(三)(,)(,)(,)()(,)(,)0(,)()(,)(,)0izttvzdzttvztRdziztLdzvzdztiztGdzvzdztCdzizdzt(,)(,)(,)(,)(,)(,)vztziztzvzdztvztdzizdztiztdz基尔霍夫第一定律10/3/201325电报方程(四)(,)(,)(,)(,)(,)(,)vztiztztiztvztztRiztLGvztC10/3/201326dVzdzdIzdzRjLIzGjCVz电报方程(五)电报方程