《微波技术总结》PPT课件.ppt

回顾与总结,本书重点内容包括三个部分： 传输线理论 微波网络（第五章） 微波器件（第六章）,传输线理论是微波技术的核心，引入了传输线方程。开尔芬在铺设大西洋海底电缆时，发现了长线效应，电报信号的反射、传输与低频有很大的差别。电压、电流不但是时间的函数，而且是地点的函数，存在反射、损耗增大；也就是当线长与波长可以比拟时，传输线为长线。 长线理论还是一种电路理论、建立方程是利用基尔霍夫定律，存在行波、驻波、行驻波，与低频电路不同。,传输线理论,从简到繁的分析过程 传输线理论：最简单的传输系统、它把截面、不均匀性都忽略了，只讨论传输方向的情况。 导波系统，我们只考虑具体的截面；如矩形波导、圆形波导、同轴线、微带线、带线。不仅考虑一维传播方向的变化，还要考虑横截面的变化 对于微波器件，不仅要考虑横截面的变化，三维的不连续性变化,传输线理论,（1）导波思想,低频封闭的导线 微波低端开放空间 高端封闭空间 图 5-1,导波系统,导波系统,分析问题的方法,低频传输线的能量主要封闭在导线内部。随着频率的提高，能量开放在导线之间的空间(Space)。这是由封闭开放的第一过程。 随着频率的进一步提高，开放空间受干扰，影响太大。又开始用枝节再一次封闭起来，使能量在内部传输。这是由开放封闭的第二过程。 但是这一次所封闭的不是导线内部，而是空间内部。,这种做法使微波能量既在空间传输，又是封闭的。 那是否有可能再开放？ 光纤、介质波导。这个开放比原来又上了一个层次，整个导波系统就是在封闭、开放循环中向上发展。,导波系统,TE10波主要特性,M代表沿宽边出现最大值（驻波的个数。 TE10,1是M，代表x方向变化的个数，0是N，代表y方向变化的个数,（2）矩形波导,导波系统,TE10波主要特性,场结构,图5-2,1、为什么电场两边不能密？ 2、能量是如何传输的,（1）曲折性传输 两个导体板无穷大，距离为a。直接传输无法满足边界条件，只能曲折性传输。,矩形波导只能传输两种波TE、TM波 TE波 H波 横电波 Ez=0； Hz0 TM波 E波 横磁波 Hz=0；Ez0,x,导波系统,（2）相速大于光速 VpC C=dr/dt,相速度：看过去等相位面在波导中走的是dz，实际走了dr Vp=dz/dt（可视相速） dr=dzsin 能速Ve=Csin VpVe=C2（相速再大，能量是守恒的）,dr,dz,导波系统,（3）截止的概念 曲折性传播解释最有力,越大传播越好，当=0时，就不能传播了 因此，曲折传播有个极限，=0 ，sin=0,dr,dz,c=2a，原地踏步,导波系统,（3）截止的概念 电磁波借助于波导的全反射在波导中进行传输 （a）模式不同或者频率不同的电磁波具有不同的角，因而具有不同的相速度和群速度 （b）当=0时，电磁波处于截止状态，电磁波在波导壁之间来回震荡 （c）电磁波频率越高，角越大,导波系统,(4) 高次模 对于矩形波导用作传输线时，TE10波是主模，传输模。其它模式都是高次模。在均匀波导中不出现任何高次模，但是一旦波导中有不均匀性，则在不均匀性周围就有高次模存在。 高次波相当流体中的涡旋。 什么是涡旋？,导波系统,十九世纪，人们在考虑飞机的速度提高不上去？ 涡旋也称旋涡。是指一种半径很小的圆柱在静止流体中旋转引起周围流体作圆周运动的流动现象。 旋涡是飞行器绕流中的重要流动现象，对飞行器的空气动力特性有重要影响。 一般来说，流水形成的涡旋被称做漩涡，大气形成的涡旋则有可能形成热带气旋或者龙卷风。,导波系统,涡旋的产生伴随着机械能的耗损，从而相对物体(飞机、船舶、水轮机、汽轮机）产生流体阻力或降低其机械效率。 但是，另一方面，正是依靠涡旋，才使机翼获得举力。 在水利工程例如泄水口中，为了保护坝基不被急泻而下的水流冲坏，采用消能设备，人为地制造涡旋以消耗水流的动能。这些就是研究涡旋的实际背景。 实际上，我们要消除涡旋，另外产生涡旋，把形成的涡旋消除掉。,导波系统,60、70年代人类研究青蛙，90年代研究鲨鱼,产生涡旋，降低水和空气的阻力,导波系统,昆虫靠漩涡在水上行走,实验表明，能在水面上行走的昆虫是利用其多毛的长足，在水中制造出螺旋状的漩涡，借助漩涡的推动力，以每秒60英寸以上的速度向前行走。 昆虫在水面上行走的动力，主要来自于水表下形成的漩涡。每秒钟走自己身长的150-200倍。,导波系统,图 5-3 流体中的涡旋,a. 谐振窗高次模有利于传输,b. 喇叭高次模造成反射,导波系统,图 5-4 不均性中高次模对于主模相当于jB。,涡旋，对于微波来说，就是高次模。从阻抗的概念上来说，如果电磁波非常通畅，阻抗匹配。所谓高次模，不是损耗，而是反射；对于主模所有的电抗都是高次模。,电抗就是高次模，如果只有jB，一定会产生反射。 如何消除反射？,导波系统,导波系统,长线理论是一种电路理论，基本参量是电压和电流，并建立在TEM传输线的基础上的, 因此电压和电流有明确的物理意义, 而且电压和电流只与纵向坐标z有关, 与横截面无关。 而实际的非TEM传输线如金属波导等, 其电磁场E与H不仅与z有关, 还与x、 y有关, 这时电压和电流的意义十分不明确, 例如在矩形波导中,电压值取决于横截面上两点的选择, 而电流还可能有横向分量。因此有必要引入等效电压和电流的概念, 从而将均匀传输线理论应用于任意导波系统, 这就是等效传输线理论，我们必须建立等效电压、电流和阻抗的概念。,5.1 均匀波导系统与长线的等效,对于规则波导，讨论的主要问题是电磁波在波导横截面上分布规律和它沿波导纵向的传播特性。 我们从功率入手，在微波技术中，功率不仅有明确的物理意义，也可以直接测量的参数，所以通过功率引入等效参量比较自然。 根据坡印廷矢量，均匀传输系统中传输的功率为： 根据广义传输线定理,等效电压和等效电流,等效电压和等效电流,对于无耗传输线可表示为：R=0，G=0 这时方程写出,二次求导的结果,(2-7),(2-6),等效电压和等效电流,最后，求解的结果也作了类比.,(2-8),其中，特性阻抗 均匀平面波中波阻抗,等效电压和等效电流,下面我们建立切向电场与电压之间的关系,e(x, y)、h(x, y)是二维矢量实函数, 仅与横向坐标x，y有关。它们的大小表示电压与电流与横向电场和横向磁场的比例关系。 V(z)和I(z)是一维标量复函数， 它们反映了横向电磁场各模式沿传播方向的变化规律, 故称为模式等效电压和模式等效电流 值得指出的是这里定义的等效电压、等效电流是相对于传输功率有贡献的观点而定义的一种等效参量，其数值的量纲在选择上具有任意性。,等效电压和等效电流,值得指出的是这里定义的等效电压、等效