电磁波的在规则波导中的传播

1、讨论电磁波的在规则波导中的传播特性，就是确定在给定的边界条件下，满足麦克斯韦方程组的解，这个解的不同形式就表示不同的波型，这个解随时空的变化规律，便是电磁波在波导中传播规律。本节讨论在任意截面波导中的波动方程的求解方法以及电磁波在波导中传播的一般特性。一、麦克斯韦方程组及边界条件 1.一般边界条件 2.理想导体表面的边界条件 二、规则波导中电磁场的求解方法1.直接求解法 在给定边界条件下求解上述波动方程，便可得波导中电磁场的解。2.赫兹矢量位法(1)赫兹电矢量位 引入赫兹电矢量位  (2)赫兹磁矢量位 引入赫兹磁矢量位 &#

2、160;3.纵向分量法先求解满足标量波动方程的z方向分量(纵向分量)；然后，由各分量间的关系求出其他分量(横向分量)三、导行波波型的分类波型也称模式，它指的是能够单独在波导传输线中存在的电磁场结构的型式。1.横电磁波:即没有纵向电场又没有纵向磁场分量，即  和  的波，并以TEM表示。TEM波只能存在于多导体传输线中，而不能存在于空心波导中。2.横电波:凡是磁场矢量既有横向分量又有纵向分量，而电场矢量只有横向分量，即 的波称为磁波或横电波，通常表示为H波或TE波。3.横磁波:凡其电场矢量除有横向分量外还有纵向分量，而磁场矢量只有横向分量，即&#

3、160;的波称为电波或横磁波，通常表示为E波或TM波。§2.2 导行波的传输特性各种不同横截面的波导系统传输导行波时，尽管横向场分布彼此各异，但它们有着共同的纵向传输特性。导行波的传输特性包括六个方面：截止波长、波导波长、相速群速和色散、波阻抗、传输功率以及导行波的衰减一、截止波长在  即  的情况下，称为传输状态。在  即  的情况下，这是传输系统的截止状态。 就是介于传输状态和截止状态之间的临界状态。临界频率或截止频率：  临界波长或截止波长：  截止

4、波数： 二、波导波长波导中的波长称为波导波长，并记为   为真空中的波长。对于TEM波，  三、相速、群速和色散1、相速度波导中传输的波的等相位面沿轴向移动的速度。TE、TM波的相速度公式为  对于TEM波, 则 2、群速度群速度是一群具有相近的和的波群在传输过程中的“共同”速度，或者说波包的速度。TE波和TM波的群速度为  对于TEM波, 则 3、色散特性TE波和TM波的相速和群速都随波长而变，即是频率的函数，这种现象称为“色散”。TE波和TM波统称为“色散波”，而TEM波

5、的相速和群速相同，且与频率无关，没有色散，称为“无色散波”(或非色散波)。四、波阻抗波阻抗Z，它定义为相互正交的横向电场  和横向磁场  的比，即  五、传输功率六、导行波的衰减1、波导壁的欧姆损耗 2、波导中的介质损耗 §2.3 矩形波导矩形波导是横截面为矩形的填充空气的空心金属管，是实际中应用最广泛的一种微波传输线。一、矩形波导的电磁场解1.TE波及其场分量2.TM波及其场分量  3.模式与截止波长对应于不同的m和n值TE和TM波都有无限个波型，它们的场分布结构不同，且都能在波导中

6、存在，分别称作  (或  )波(或模)和  (或  )波(或模)。但矩形波导中没有  ，  和  模，因为它们的场分量为零。矩形波导的截止波长:截止频率：二、矩形波导中  波的特性场分量三、矩形波中的高次型波矩形波导中的高次型波虽都不用作传输模，也非毫无用处。例如他们波阻抗的纯电抗性可作为阻抗匹配元件和滤波器等；此外在波导系统中如遇不均匀性，也会激起各种高次模式。为抑制它们，也必须对它们的性质有所了解。1、场结构像  

7、;波一样，高次模的场结构也可以从TE波和TM波的场量表示式求得，但过于繁冗。事实上， 各高次型波的差别是m、n数值的不同，它们相应与坐标轴上横向驻波场分布变化的半周期的不同。 这样，在知道、  、  、和  这四个较简单波型的场分布之后，即可组合出其它高次型波。2、高次型波的波阻抗在传输波的系统中，遇不均匀性必出现高次型波。因波导尺寸的限制，这些高次型波的传播常数  ，从而使高次型波成为非传播的消失波。对于TE波型消失波，有  呈感抗性质；对 于TM波型消失波，有  ，呈容抗

8、性质。这样，当波导中存在高次型波时，我们可根据不均匀性 的边界条件来判断消失波是TE波还是TM波，进而推知不均匀性的作用相当于电感还是电容。§2.4 圆波导圆波导是横截面为圆形(其内半径为a)的空心金属管.一、圆波导中电磁场的解圆波导中同样只能传输TE波和TM波。TE波的截止波长：  TM波的截止波长： 圆波导中的波型及其特点：圆波导中存在着无限多的  模和  模，但由于n=1，2，3，即  ，所以  和  模不存在，而可以存在  ，&

9、#160; 和(  ，)波型。(1)圆波导的波型存在两种简并:(a)极化简并 (b)E-H简并(2)波型指数m和n的含义指数m表示角坐标从而变到2时,场沿波导圆周分布的周期数；指数n是贝塞尔函数或其导数的根的序号，它表示场沿半径方向分布的半驻波个数，或者说场的最大值的个数。二、圆波导的三个主要波型(  ，  和  )的特性1.波由于波的截止波长  ,所以它是圆波导中的高次模。 的特点：由于m=0，所以各场量沿  方向无变化，即场是轴对称的，壁上电流仅沿着圆

10、周流动，没有纵向分量。2.波在圆波导中,  模的  最大,所以它是圆波导中的主模。特点：在轴线上有较强的  分量，是轴对称的，内壁上只有纵向电流。§2.5 波导截面尺寸的选择波导尺寸的选择就是由给定的工作波长确定波导截面的尺寸。对于矩形波导就是要确定宽边a和窄边b；对于圆波导就是要确定半径a。一、矩形波导的设计工作在  波的矩形波导,其截面尺寸的选择,主要的依据是:(1)保证单模工作(2)尽量减小损耗与衰减(3)有足够的功率容量(4)色散尽量小,以免信号失真根据经验,一般选择 a=0.7,b=(0.40.

11、5)a二、圆波导的设计圆波导尺寸的设计就是确定半径a, 传输  模的波导半径a应满足  在采用  模工作时,应使  §2.6 过极限波导当波导中工作波长  时，波就处于截止状态，不能传输。这种在截止状态下的波导称为过极限波导或截止波导。过极限波导的特点是：(1)电磁场沿波导轴向按指数规律衰减，且随时间脉动着，而沿轴向无相位移动。如果波导尺寸足够小，保证 波随距离的衰减决定于  而与频率无关。利用这一特性，可以做成过极限衰减器(或称截止式衰减器)。(2)波导

12、中的电场和磁场之间饿相位差始终为/2。在过极限波导中，其波阻抗将呈现电抗性质：TM波的阻抗呈容抗，与工作波长成正比；TE波的阻抗呈感抗，与工作波长成反比。(3)在截止波导中,电场和磁场的能量是不相等的,TM波(电波)的电场能量占优势,而TE波(磁波)的磁场能量占优势。§2.7 同轴线当波长大于10厘米以上时，矩形波导和圆波导就显得尺寸大而笨重，使用不方便，通常采用尺寸小得多的同轴线或同轴电缆作传输线。此外，由于同轴线具有宽频带特性，故在需要宽频带的场合，也常采用同轴线。同轴线是一种双导体传输线。在同轴中既可以传输无色散的TEM波，也可能存在有色散的TE和TM波一、同轴线中的TEM波1.TEM波的场分量和场结构2.同轴线中TEM波的特性参数(1)波的速度与波长 (2)传输功率 (3)特性阻抗 (4)衰减常数(5)同轴线的功率容量二、同轴线中的高次模1.TM波同轴线  模的截止波长近似为  最低次型  波的截止波长为 2.TE波 的截止波长为  最低次型的  ,则为  3.同轴线尺寸的选择同轴线尺寸选择的原则:(1)保证在给定的工作频带内只传输TEM波  (2)功率容量要大x=D/d