1.3 微波问题的分析方法

微波的研究方法与低频波段的研究方法不同。在低频波段(普通无线电波段),由于电路系统内传输线(导线)的几何长度l远小于所传输的电磁波的波长λ(即l/λ很小),因此称为“短线”;而且,系统内元器件的几何尺寸也远小于波长λ。这样,波在传输过程中的相位滞后效应可以忽略,而且一般也不计趋肤效应和辐射效应的影响,电压和电流也都有确定的定义。因此,在稳定状态下,系统内各处的电压或电流可近似地认为是同时只随时间变化的量,而与空间位置无关;电场能量和磁场能量分别集总于电容和电感内,电磁场的能量只消耗于电阻上,而对于连接元(器)件的导线,则可近似地认为其既无电容和电感,也不消耗能量(即没有串联电阻和并联电导)。这就是通常所说的集总参数电路的情况。研究集总参数电路的问题,采用的方法是低频中的电路理论,一般来说,无须采用电磁场的方法求解。

在微波波段,由于电路系统内传输线的几何长度l大于所传输的电磁波的波长λ,或者可与波长λ相比拟,因此称为“长线”;而且,系统内元(器)件的几何尺寸也大于波长λ,或者可与波长λ相比拟。这样,波在传输过程中的相位滞后、趋肤效应和辐射效应等都不能忽略,而且一般而言,电压和电流也不再具有明确的物理意义。因此,系统内各点的电场或磁场随时间的变化不是同步的,即它们不仅是时间的函数,而且还是空间位置的函数;系统内的电场和磁场均呈分布状态,而非“集总”状态,因此,与电场能量相联系的电容和与磁场能量相联系的电感,以及与能量损耗相联系的电阻和电导也都呈分布而非“集总”状态;而且,传输线本身的电容、电感、串联电阻和并联电导效应均不能被忽略。这样,就构成了所谓的分布参数系统(分布参数电路)。研究分布参数系统的问题,一般而言,不能采用低频波段中的电路理论,而应采用电磁场理论,即在一定边界和初始条件下求电磁场波动方程的解,从而得出场量随时间和空间的变化规律,研究波的各种特性。

对于微波频段的问题,我们通常分别采用“路”和“场”的方法去求解,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,它比我们在绝大多数实际应用中所需的信息多得多。典型地,我们更关心终端的量,如功率、阻抗、电压和电流这些常用电路理论概念表达的量。这样,在一定的条件下,我们把本质上属于“场”的问题等效为“路”的问题来处理,就可使问题能比较容易得到解决。

微波技术所研究的内容,概括地讲,就是微波的产生、传输、变换(包括放大、调制)、检测、发射和测量,以及与此对应的微波器件和设备的设计等。

本书主要讨论微波的传输问题,即传输线问题,这是研究微波技术中其他问题的基础,传输线的概念几乎贯穿于本书的各个章节。此外,本书还讨论了微波网络基础、微波谐振器、常用微波元器件的基本工作原理与应用。