《微波工程》第一章：电磁理论

第1章 电磁理论

  简要回顾微波工程的历史和重要应用，然后综述电磁理论的基本课题。

1.1 微波工程简介

  微波(microwave) 指频率在 300MHz(3x10⁸Hz)到 300GHz(3x10¹¹Hz)、对应的电波长在 $\lambda=c/f=1m$ 和 $\lambda=1mm$ 之间的交变电流信号。波长在毫米量级的信号，称为毫米波(millimeterwaves)。

  常规电路理论是麦克斯韦方程所描述的范围较宽的电磁理论的近似或特定使用，一般情况下，电路理论的集总电路元件近似在微波频段是不成立的，因此一般不能直接应用于求解微波网络问题(微波频率高/波长短)。

  微波元件常常是分布元件，因为器件的尺度与微波波长同一数量级，其中电压或电流的相位在器件的物理尺寸内有明显变化。 在极低频率下，波长足够长，在贯穿一个元件的线度范围内，其相位也没有明显的变化。

  频率的另一个极端被确定为光工程，波长比元件的尺寸短得多。 此时， 麦克斯韦方程可以简化为几何光学，光学系统可以用几何光学的理论来设计。这些技术也可以应用于毫米波系统，称为准光学。

  微波工程中，人们通常从麦克斯韦方程及它的解开始，然而麦克斯韦方程包含了作为空间坐标函数的矢量场量的矢量微分或积分的运算，从而增加了数学上的复杂性。

  场理论的解通常给出了空间中每一点的电磁场的完整描述，比绝大多数实际应用中所需的信息多得多。一般情况下，我们更关心终端的量，例如功率、阻抗、电压和电流等常用电路理论概念表达的量。正是这种复杂性给微波工程增加了挑战性，而本书的目标是试图将场理论的解简化为可以用更简单的电路理论来表达结果。

1.1.1 微波工程的应用

  尽管微波能量的高频率和短波长让微波元件与系统的分析与设计变得困难，但同时也为微波系统的应用提供了很大的便利。 比如以下这些例子：
  1) 天线增益与天线的电尺寸成比例。
  2) 在频率较高时可以实现更大的带宽（携带信息的容量）。
  3) 微波信号按视线传播，而不会像较低频率信号那样进入电离层时传输路径会弯曲。
  4) 雷达目标的反射面积（雷达散射截面）总是与目标的电尺寸成比例。
  5) 各种分子，原子和原子核的谐振都发生在微波频率下，使得微波在基础科学领域、遥感、医学诊断和治疗及加热方法等方面具有独特的应用。

  当今，微波技术的主要应用是通信、雷达、环境遥感和医学系统。 微波技术的首次应用可能是在20世纪70年代首次提出的蜂窝电话系统中。