第五篇金属波导.ppt

第8章 金属波导 8-1 沿均匀波导系统传播的波的一般分析 在前述假设条件下，任意横截面波导的电磁场满足亥姆霍兹方程 二.传播模式及其传播特性 波动方程是二阶偏微分方程，满足该方程的解的个数应是无穷多的。它们既可单独出现，又同时出现。这种能够在波导中单独存在的电磁场分布，就称为波导中的波型或模式，简称为波或模。通常按是否存在纵向场将其分为三类： TEM模、TM模、TE模 TEM波（横电磁波）——Ez=0，Hz=0 TM波（横磁波）——Hz=0，但Ez≠0， TE波（横电波）——Ez=0，但Hz≠0 1、TEM波及其存在的条件 2、TM波及TE波其存在的条件 ③截止波长λc （3）传播速度 ②群速vg 群速（能速）就是电磁波所携带的能量沿波导纵轴方向（z轴）的传播速度。 （4）波阻抗 从上面的讨论可以看出，与TEM波不同，TM波和TE波的传播特性参数都是频率的函数，称为色散波。当然这种色散不同于导电媒质引起的色散。波导中的色散是由波导的边界条件引起的，故称之为几何色散。 讨论的几个问题： 1. 波导系统的几种假设 2. 用亥姆霍兹方程把波导中的场的横向分量用纵向分量表示出来 3.依据纵向分量的存在与否，对波导当中的波进行分类，分为TEM波、TM波、TE波 4. TEM波、TM波和TE波在波导当中的传播特性 8－2矩形波导 波导的横截面为矩形，宽边尺寸为a，窄边尺寸为b，材料为良导体（铜，内表面渡银，可视其为理想导体），内为空气或填充介质。 矩形波导内不可能存在TEM波。 矩形波导的传播模式是TM波和TE波。 一、矩形波导中的TM波 设波的传播方向为＋z轴方向，TM波的磁场纵向分量为Hz=0，故可通过求解Ez的亥姆霍兹方程并利用矩形波导的边界条件得到Ez，进而得出其全场分量。 TM波的其余场分量 可见，矩形波导的截止频率截止波长不仅与波导尺寸a、b有关，还与模指数m、n有关。当a、b一定时，随着频率的改变，矩形波导可以单模传播，也可以多模传播。 二、矩形波导中的TE波 设波的传播方向为＋z轴方向，TE波的磁场纵向分量为Ez=0，此时其余场分量为： （二）TE10模的传播参数 （2）传播速度 ②群速vg 群速（能速）就是电磁波所携带的能量沿波导纵轴方向（z轴）的传播速度。 2、TE10 模的管壁电流 在金属波导的内部，由于介质是无损耗，所以不存在传导电流。但是，当电磁波在金属波导内传播时，其金属壁上将会因感应而产生高频电流，此电流就是金属波导的传导电流。由于电磁波的频率很高，波导管又是用良导体制成，强烈的趋肤效应使得电磁的穿透能力极小。故可视为理想导体管壁上形成了表面电流，又称管壁电流。 了解波导的管壁电流分布，不仅是研究波导传播时的功率损耗（由导体引起的损耗），而且也有助于在波导上开槽或开孔以达到某种目的。例如，顺着电流线开槽不会影响其内部电场的分布，可作为波导测量线；而横着电流线开槽将使其内部的场辐射出来，可做成辐射器（横天线或者缝隙天线）。 8.4矩形波导中功率 (一)传输功率 在行波状态下,传输的平均功率可由波导横截面上的坡印亭矢量的积分求得,即 当传输TE10模时,Ex=0 上面功率容量的计算公式是在行波状态下导出的,实际传输线上总有反射波。在行驻波状态下,矩形波导传输TE10模的功率容量为 传输功率与波长的关系： 3―7 圆波导 波导截面为圆形的波导称为圆波导。它具有损耗较小和双极化的特性,常用于天线馈线中,也可作较远距离的传输线,并广泛用作微波谐振腔。 ?8.5 波导的激励与耦合 波导的激励(enouraging)—在波导中产生导行模。微波源在波导内壁的有限空间辐射，产生所需的模式 波导的耦合(coupling)—从波导特定模式场中提取能量。 激励与耦合的场结构要和原波导中场结构相同 本节要点： 1.电激励(electrical encouragement) 将同轴线内的导体延伸一小段沿电场方向插入矩形波导内构成探针激励，由于这种激励类似于电偶极子的辐射，故称电激励。通常置于所要激励模式的电场最强处 2. 磁激励(magnetic encouragement) 将同轴线的内导体延伸一小段后弯成环形，将其端部焊在外导体上，然后插入波导中所需激励模式的磁场最强处，并使小环法线平行于磁力线，由于这种激励类似于磁偶极子辐射，故称为磁激励。 可连接一短路活塞以提高耦合功率。 耦合环不容易和波导紧耦合， 而且匹配困难，频带较窄， 最大耦合功率也比探针激励 小，在实际中常用探针激励。 3. 电流激励(current encouragement) 在两个波导的公共壁上开孔或缝，使一部分能量辐射到另一波导去，以此