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* * 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。 图 1-1 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) 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 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 (1-2) (1-3) 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 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 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 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。 一、Maxwell方程组的物理意义 图 1-5 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 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) 4. 在Maxwell方程中还存在另一对矛盾对抗，即 方程(1-2)右边两项，而方程(1-3)右边一项，这就构成了Maxwell方程本质的不对称性。尽管为了找其对称性而一直在探索磁流 的存在，但到目前为止始终未果。 和 构成一对矛盾，在时域中 (1-6) 一、Maxwell方程组的物理意义 所以，也可以说是 和 之间的矛盾，这一对矛盾主要反映媒质情况。当 称为导体，这种情况下波动性降为次要矛盾，其情况是波长缩短，波速减慢，且迅速衰减。波一进入导体会“短命夭折”，这一问题将在波导理论中作详尽讨论。波动