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微波工程(第3版)(波扎著) | ![]() |
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微波工程(第3版)(波扎著) | ![]() |
通过教育获得的知识,不但是人们对科学事物的积累,而且是人们对事物洞察力的积累。为此,我试图写一本着重于电磁学的基本概念、波传播、网络分析和应用于现代微波工程的设计原理的教科书。然而,我避免采用手册的写法,即在较小的篇幅内罗列大量信息,不做或少做解释;本书中相当多的内容涉及到了专用电路和元件的设计,这很有实用价值并可启发读者积极进行思考。在这些设计的背后,我力图给出分析和逻辑思路,以使读者知道和理解应用基本概念得出有用成果的处理过程。能牢固掌握微波工程的基本概念和原理,并知道怎样把这些内容应用于特定设计对象的工程师,最有可能在有创造性和多产出的事业中胜出。
与更早时期定位于波导和场论相比,现代微波工程中占支配地位的内容是分布电路分析。当今大多数微波工程师从事平面结构元件和集成电路设计,无需直接求助于电磁场分析。当今微波工程师所使用的基本工具是微波CAD(计算机辅助设计)软件和网络分析仪,而微波工程的教学必须对此给出回应,把重点转移到网络分析、平面电路和元件以及有源电路设计方面。微波工程仍总是离不开电磁学(许多较为复杂的CAD软件包要使用严格的电磁场理论求解),而学生仍将从揭示事物的本质中受益(诸如波导模式和通过小孔耦合),但是把重点改变到微波电路分析和设计上来这一点是不容置疑的。
微波与射频(RF)技术已蔓延到了各个方面。在商业等领域,更是如此,其现代应用包括蜂窝电话、个人通信系统、无线局域数据网、车载毫米波防撞雷达、用于广播和电视的直播卫星、全球定位系统(GPS)、射频识别标识(identification tagging)、超宽频带无线通信和雷达系统以及微波环境遥感系统。防卫系统继续大量地依靠微波技术用于无源和有源测向、通信以及武器操控系统。这样的业务发展态势意味着,在可预见的将来,在射频和微波工程方面不存在缺少挑战性的课题;同时对于工程师们,显然需要领悟微波工程的基本原理,同样需要有把这些知识应用于实际感兴趣问题的创造能力。
本书前两版的成功推出是令人感奋的。对于这一版,我们从教师和读者那里努力详尽地获取反馈信息——有关哪些专题应删去和哪些专题应添加的想法。关于去掉某些具体内容几乎没有相一致的意见(看来本书中的几乎每一个论题都有人采用)。然而,赞成把有源电路设计及相关课题的内容进行扩充的意见相当一致。因此,我们已把原来的12章增加到了13章,并在噪声、非线性效应、RF微机电系统(MEMS)、二极管和晶体管器件特性、场效应管(FET)混频器、晶体管振荡器、振荡器相位噪声、倍频器等方面增加了新的内容。对交调产物、动态范围、混频器、天线和接收机设计各小节进行了彻底的重写,增加了很多新的或修改过的例题和习题,其中一些与平面电路与元件的实际设计问题有关。这一版的另一个新特色是在书的结尾列出了部分习题的答案。这一版还去掉了一些论题,包括惟一性定理、法布里-珀罗谐振腔、电子战以及有关波导的一些例题。
插图:
在这个意义上,常规电路理论只是由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。这是因为,一般而言,电路理论的集总电路元件近似在微波频段是不成立的。微波元件常常是分布元件,因为器件的尺度与微波波长为同一数量级,所以其中的电压或电流的相位在器件的物理尺度内有明显的变化。在极低的频率下,其波长足够大,以至于在贯穿一个元件的线度范围内,其相位也没有明显的变化。频率的另一极端被确定为光工程,那里的波长要比元件的尺度短得多。在这种情形下,麦克斯韦方程可以简化为几何光学,而光学系统可以用几何光学的理论来设计。这些技术有时也可应用于毫米波系统,此处它们称为准光学(quasioptical)。
在微波工程中,人们常常以麦克斯韦方程及其解作为开始。然而,正是这些方程引起了数学上的复杂性,因为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。但是,本书的目标之一便是试图将这个场理论的解的复杂度,简化为可以用更简单的电路理论来表达的结果。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,例如功率、阻抗、电压和电流等这些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与回报。
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