第12篇电磁场与微波技术

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1、1 第 12 篇电磁场与微波技术12.1 电磁波的概念1）定义从科学的角度来说，电磁波是能量存在的一种形式，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。 正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“ 朋友 ” 。2）电磁波的产生1864 年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他预言了电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887 年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后， 人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波， 而且发现了更多形式的电磁波，它们的性质完全相同，只是

2、波长和频率有很大的差别。电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可以说是一体两面，变化的电会产生磁，变化的磁也会产生电。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播则形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。3）电磁波的性质电磁波频率低时，主要借助有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时既可以在自由空间内传播，也可以束缚在有形的导电体内传递。电磁波在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全

3、部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到太阳光的光与热，其实光波也是电磁波。在空间中电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。电磁波振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，电磁波本身携带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。电磁波的速度等于光速c（3 108米/秒） 。在空间传播的电磁波，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长 ，电磁每秒钟变化的次数便是频率f。三者之间的关系为c=f。电

4、磁波通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等。电磁波的传播有多种形式， 有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减越少，且越容易绕过障碍物继续传播。4）电磁波谱按照波长或频率的顺序把各种电磁波排列起来，就是电磁波谱，如表12.1-1 所示。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们分别是工频电磁波、无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线及 射线。其中低频无线电的波长相对来说最长，宇宙射线的波长相对来说最短。传真（电视）用的波长是36 米；雷达用的波长更短，3 米到几厘米，甚至毫米以下。5）电磁辐射2 广义的电磁辐射通常是对电磁波的频谱而言的。狭义的

5、电磁辐射是指电器设备所产生的辐射波，通常是指红外线以下部分。表 12.1-1 电磁波谱无线电波3000 米 0.3 毫米红外线0.3 毫米 0.75 微米可见光0.7 微米 0.4 微米紫外线0.4 微米 10 毫微米X 射线10 毫微米 0.1 毫微米 射线0.1 毫微米 0.001毫微米宇宙射线小于 0.001 毫微米电磁辐射是传递能量的一种方式，辐射种类可分为三种：（1）横电磁波（TEM 波） ；（2）横电波（ TE 波） ；（3）横磁波（ TM 波） 。6）电磁辐射对人体的影响电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和积累效应等。热效应：人体内70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后

6、相互磨擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常工作。非热效应： 人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏，人体正常循环机能会遭受破坏。累积效应： 热效应和非热效应作用于人体后，在人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久而久之会成为永久性病态，甚至危及生命。 对于长期接触电磁波辐射的群体，即使功率很小， 频率很低， 也会诱发想不到的病变，应引起警惕！各国科学家经过长期研究证明：长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、血

7、压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等；男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等症状。随着人们生活水平的日益提高，电视、电脑、微波炉、电热毯、电冰箱.等家用电器越来越普及， 电磁波辐射对人体的伤害越来越严重。但由于电磁波辐射是看不见，摸不着， 感觉不到的， 且其伤害是缓慢、隐性的， 所以尚未引起人们的广泛注意。比如电热毯是使用最广与人体接触最近、接触时间最长， 且对人体危害最严重的家用电器。现在人们使用的绝大多数电热毯电磁波辐射强度超过安全值20100 倍，对人体健康的伤害极为严重。千千万万的电热毯用户仍在遭受着电热毯电磁波的伤害，应引起人们的注意！7）电磁辐射的强度与国家标准

8、（1）电磁辐射的强度通信基站越建越多，手机信号覆盖越来越广，人们疑虑通信基站发射的电磁波对人体有害。由电磁辐射概念可知，电磁辐射其实是一种能量，它对环境的影响程度主要取决于能量的强弱，用来表征其强度大小的物理量主要有：功率：辐射功率越大，辐射出来的电、磁场强度越高，反之则小，单位是瓦（W） 。功率密度：指单位时间、单位面积内所接收或发射的高频电磁能量，单位是瓦/平方米（ W/m2） ，在高频电磁辐射环境评估时功率密度常用MW/cm2表示。电场强度： 用来表示空间各处电场的强弱和方向的物理量，距离带电体越近的地方电场越强，越远的地方电场越弱。电场强度的单位是伏/米（ V/m） ，在输电线和高压电

9、器设备3 附近的工频电场强度通常用kV/m 表示。磁场强度：用来表示空间各处磁场的强弱与方向的物理量，单位是安/米（ A/m） 。磁感应强度： 表示通过单位面积里的磁通量，用于描述磁场能量的强度，单位是特斯拉或高斯（ T 或 Gs） 。如何衡量电磁辐射对人体作用的大小呢?电磁辐射能量要大到什么程度才会对人体产生伤害呢 ?我们先来了解一下“SAR ” 这个名词， SAR 的中文意思是 “ 比吸收率 ” ， SAR 定义为生物体每单位质量所吸收的电磁辐射功率，即吸收计量率，它的单位是W/kg 。SAR 的测定： SAR 值测量系统由人体模型、测量仪表、探针、机械臂等组成。测量时，在人体模型内部倒入

10、专用测试液体，液体的电磁性与人体的一致；将发射源紧贴模型放置，设置好发射源的发射功率，由机械臂带动探针在液体内运动，自动测量场强E，由以下公式可计算出SAR 的值：SAR=E（ /p）12.1-1其中， E 为场强， 为介电常数，p 为液体密度。国际上， FCC、ICNIRP （国际非电离性照射保护委员会）、IEEE 等机构先后制定了电磁辐射对人体作用的衡量技术标准。目前通用标准有两个，一个是欧洲使用的2W/kg ，另一个是美国使用的1.6W/kg 。欧洲采用的测试标准测量单位是10 克，美国采用的测试标准测量单位为1 克。现代生活在给我们带来方便的同时也带来了更多的风险，无线网络就是其中一个

11、例子。8）电磁波是传递信息的有效载体目前被广泛应用的无线通信、广播、电视等， 都是应用电磁波实现信息传递的典型例子，它可使信息的传输可以在瞬间完成，例如电视的直播可以使人们在千里之外观察到事件发生的全过程， 可以在几秒中内实现货币的汇兑，声音和图像的发送及自控技术的结合可以实现远距离的会诊和手术， 移动通信实现了无处不能的通信，人们再也不需要点燃烽火台来报警，电子信息技术已经在改变并继续改变着人类的生活方式和文明的进程。12.2 微波的概念及特点1）概念在无线电频谱中，将300MHz-3000GHz 的电磁波称为微波。即波长为1m0.1mm 的电磁波称为微波。无线电电磁波的波谱如表12.2-1

12、 所示。（1）单位转换63912151811011010110110110M H zH zG H zM H zH zTH zH zPH zH zEH zH z（ 已 用 ， 计 算 机 主 频 ）=（2）频率与波长的关系mm ffc1)(1038 12.2-1波长变化：m1。如mmmmGHzf1.010 10103103,30004938微波频率变化范围很宽，提供了广泛的应用领域。微波频宽是普通无线电波（长、中、短波的总和）频率的近一万倍。倍数n 的计算如下式：4 10000 3001030003003000330030030003MMMGHzMMGn 普通无线电波波段微波波段12.2-2例如

13、一个电视频道频宽约为8MHz ，用普通无线电波段可传5.37 8M300 n个频道，用微波可传375000 8103000830003MGn万个频道。既然微波频段范围这么宽广，而普通无线电波范围的应用又那么拥挤，因此无线电技术发展方向必将是从普通无线电波的应用向微波应用发展，这也是实用电波的频率越来越高的原因。微波技术是很多新技术的生长点，如宇航、射电天文、波谱学等。为什么要把m1的无线电波专门加以研究且形成一个独立学科呢？为了更好的研究微波应用领域，以下讨论微波的特点。表 12.2-1 无线电电磁波的波谱波段波长主要用途长波30000-3000 米电报通讯中波3000-200 米无线电广播中

14、短波200-50 米电报通讯、无线电广播短波50-10 米电报通讯、无线电广播超短波（米波）10-1 米无线电广播、电视、导航微波分米波1-0.1 米电视、雷达、导航厘米波0.1-0.01 米电视、雷达、导航毫米波0.1-0.01 米雷达、导航、其他专门用途长波：频率为100kHz 300kHz，波长处于3km1km 之间。中波：频率为300kHz 3MHz，波长处于1km 100km 之间。短波：频率为3MHz30MHz ，波长处于100m10m 之间。超短波：频率为30MHz300MHz ，波长处于10m1m 之间。微波：频率为300MHz300GHz，波长处于1m 1mm。2）特点（1）

15、微波的波长很短（mmm1.01.0至） 。微波波长可与地球上的物体尺寸相比（属于同一数量级）或小得多，这一特点是极为难能可贵的，由此可引出微波有如下特性：似声性。微波波长与物体尺寸可以比拟时，具有似声性（声波波长大于或略大于物体） 。似声性的应用有：a)做为号角天线，相当于声学中的喇叭（广播：声音扩散面大）；b)做为波导管，相当于声学中的传声筒（直筒）；c)做成谐振腔：相当于声学中的共鸣器（谐振腔与LC 谐振回路像比拟） ；d)做成开槽天线：相当于声学中的笛或萧（可用于漏泄通信、电磁测量）。似声性应用举例如表12.2-2 所示。表 12.2-2 似声性应用举例微波元件声学中的器件号角天线喇叭波

16、导管传声筒谐振腔共鸣器开槽天线（漏泄通信）笛或萧似光性。当微波波长比物体尺寸小得多时，具有似光性。5 似光性主要应用有：a）直线传播：微波中继通信（如电视、通信），无线电定位（GPS）的应用等。b）折射、反射、绕射。聚焦性。 微波具有方向性强的特点，能量集中于某一方向，实现远距离通信，可制作方向性很高的抛物面天线，且具有保密性强、抗干扰能力强等优点；可制作凸透镜、 探照灯等；（2）微波的振荡周期短（T为s810至s1210由s fT12810101可知微波振荡周期短。由于周期短，就必须考虑电子渡越时间 Ta。例如 NPN 型晶体管中电子渡越情况如图12.2-1 所示。图 12.2-1 NPN 型三极管电子渡越时间是指电子由器件的一个电极（如E 极）传输到另一个电极（如C 极）所 需要的时间， 记为aT。这里以 NPN 型半导体三极管为例说明电子渡越时间对放大信号的影响。对交流信号而言在图12.2-1 中：在 T1 期间 E 极发射的电子向C 极运动，若渡越时间aTT1，则：若 E 结正偏0ci