导行波的概念

1、(1) 导行波的概念：由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场 E 或磁场 H 都是 x 、y、 z 三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型：(A) 横电磁波( TEM 波)：TEM 波的特征是：电场 E 和磁场 H 均无纵向分量，亦即： Ez 0 , Hz 0。电场 E 和磁场 H，都 是纯横向的。 TEM 波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。(B) 横电波( TE 波)：TE 波即是横电波或称为“磁波”( H 波)，其特征是 Ez 0,而Hz 0。亦即：电场 E 是纯横向 的，而磁场 H 则具有纵向分量。(C) 横磁波( TM 波)：T

2、M 波即是横磁波或称为 “电波” (E波)，其特征是 Hz 0，而Ez 0。亦即：磁场 H是纯横向的， 而电场 E 则具有纵向分量。TE 波和 TM 波均为“色散波”。矩形波导中，既能传输TEmn波，又能传输 TMmn波(其中 m 代表电场或磁场在 x 方向半周变化的次数， n 代表电场或磁场在 y 方向半周变化的次数 ) 。(2) 色散波的特点：由于 TE 波及 TM 波与 TEM 波的性质不同。色散波就有其自身的特点：(a) 临界波长 c ：矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长 小于临界波长 c 时， 电磁波才能在矩形波导中得到传播。 TEmn波或 TMmn

3、波的临界波长公式为：manb(6-2-1)(b) 波导波长 g 和相速 V 、群速 Vc：色散波在波导中的波长用g 表示。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速2 度称为相速 V 。群速Vc 是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为V Vc c2 。因为，波导中电磁波是成“之”字形并以光速传播的。所以，波导波长 g 将大于自由空间的波长 。同时，相速 V 也大于光(6-2-2)(6-2-3)图 6-2-1 示出了电磁波在波导中传播的方向(3) 反射系数 和驻波比 ：波导终端接入负载后， 由于负载性质的不同， 电磁波就将在终端产生不同程度的反射。 如用 Zc 表示传输线的特性阻

4、抗，用 ZL 表示负载阻抗。 则反射系数 为：ejZC ZL(6-2-4)ZC ZLynHbHazx图 6-2-1 平面波的传播可见，反射系数 是个复数。当特性阻抗 Z c与负载阻抗 ZL 相等(即接入匹配负载)时：0,入射波全部被负载吸收而无反射。速 C 。它们之间的相互关系为：当终端短路(微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即ZL 0 )时：1，入射波被负载全部反射。微波技术中，还经常使用驻波比 来描述传输线阻抗匹配的情况。波导中驻波比被定义为：波导中驻波电场最大值和电场最小值之比，即Emax(6-2-5)min驻波比 与反射系数 之间的关系应为：(6-2-6)由此，从图 6-2-

5、2 中 (a)、(b)、 (c)可看出电场在波导中的分布情况。(a) 在负载匹配情况下有：0 及1；波导中传播的是“行波”，其幅值为Ei(b) 在负载短路情况下有： 1及 ；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为 2 Ei(c) 在其它任意负载下有： 01及 1；波导中传播的是“行驻波”，其幅度值为(1) Ei传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的情况下。(4) H10波：由公式 (6-2-1)可知，矩形波导中临界波长c 的最大值应出现在 m1，n0 的情况下 (此时：EEiO(a) Ei) Eic cmax 2a )。 这就是 H10波。H10波被称为矩形波导中的“主波”

6、也是最简单、最有用的波图 6-2-2 不同负载情况下电场在波导中的分布图形。一般矩形波导所激励的都是 H10波下面将讨论， H10 波中电磁场的简单结构。6-2-3 所示。在 x-y 平面内，(a)电场结构：H10波中电场 E 只有 Ey 分量。其电力线将与 x-z 平面处处正交。如图Ey E0 sin( x)e j( t z) ,说明电场强度只与 x 有关，且按正弦规律变化。在 x0 及 x a处(即：波a导中的两个窄边上)。aEy 0。在 x处(即：波导宽边中央)，由此， Ey Ey max 。由于，能量是沿az方向传播的。因此， Ey将沿 z方向呈行波状态，并在 x 的纵剖面内， Ey

7、沿 z y 2 y轴也是按正弦分布(b)磁场结构：H10波中磁场 H 只有 Hx及 Hz分量。其磁力线将分布在 x-z平面内。由于， Ey和 Hx决定着电磁波沿 z 方向传播的能量，就必然要求 Ey与 Hx 同相，即沿 z 方向在 Ey 最大处， Hx也最大，在 x方向上， Hx 是呈 正弦分布(与 Ey 同相)。所以 Hx 在横截面和纵剖面的分布情况也与 Ey相同 。在讨论 H z分布时，必须注意到，在 z0的截面上， H z沿x方向是呈余弦变化，即在 x 0及 xa a处， H z 有最大值，而在 x处，则有 H z 0。z 2 zH10波场的特点可以归结为：a. 只存在 Ey， Hx，

8、H z三个分量；b. Ey和 Hx均按正弦规律分布， H z按余弦规律分布。因而 Ey和 Hx同相，并与 Hz反相。图 6-2-3 显示了 H10 波电磁场在矩形波导中(6) 微波频率的测量：频率的测量是微波测量技术中的一个重要方面。本实验将采用“直接”和“间接”两种不同的方法来 测量频率。(a) 直接测量法纵截面a) H10 波电场结构图b) H10 波磁场结构图c) 波电磁场结构总图图 6-2-3 矩形波导中 H10 波的电磁场分布图本实验使用外差式频率计或是数字微波频率计就能直接读出频率的数值。亦可以使用吸收式空腔波长计，利 用空腔做为谐振系统，并通过机械装置进行调谐。当吸收式波长计的腔

9、体被调节到谐振点时，输入到指示 器的功率最小。 此时即可由波长计中的螺旋测微计的读数D，通过 D f 曲线查出被测的微波频率。就是使用这种方法作为直接测量的 。(b) 间接测量法一般是使用测量线，先测出波导波长 g ，然后由公式：计算出待测微波信号在自由空间的波长,最后再由波长与频率 f 的关系求出频率上式中：波导波长；自由空间波长；波导的截止波长。c 2a在三公分微波系统中，波导的尺寸：a× b22.86mm×10.16mm。对于 H10波而言，截止波长45.72mm微波系统中接入不匹配负载时，就将出现驻波，使用测量线就能很方便地测量出相邻两个波长点之间的距离： D2 D

10、1g 2 。图 6-2-4 示出了通过驻波波节点的位置来找出波导波长 g 的方法： 的分布。应当注由于在驻波波节处指示仪器的数值很小，且驻波波节处波形的变化很陡，因而就很难找到 波节点准确位置。为了提高测量的精度，可利用波节点两侧波形对称的特点，采用“等电位法”进行。所谓等电位法，就是先在任意一个波节点D1的左右两侧找出 1及 2 两个位置，使指示仪器微安表的读数均为 a 1 ，则此波节点的正确位置为： D1 1 2 ；同理，可在相邻波节点 D2 的左右两侧找出 3 及 4 ，则： D23 43 4 2 2所以， g /2 D2 D122(6-2-7)(7) 驻波比的测量：产生驻波的原因是由于

11、负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。因此，通过对驻波比的测量，就能检查系统 的匹配情况，进而明确负载的性质。本实验一般都是在小信号状态下进行测试，为此检波晶体二极管都是工作在平方律检波区域(检波电流E 2 )，故应有：使用测量线测试驻波比，可直接由测量线探针分别处于驻波波腹及波节位置时的电流表读数 Imax 及Imin ,求出驻波比。但是为了提高检测灵敏度，最好还是将微波信号源加以1KC 的方波信号进行调制。此信号由选频放大器放大。在其指示电表上就能读出有关的电流值、分贝值或是直接读出驻波比值。下面分别叙述以上三种数值的具体读法：(a) 直读法：选频放大器电表表盘下方备有“驻波比”刻度，可用来直接读

12、取微波负载的驻波比。方法是：先将测 量线探头置于驻波波腹处，在适当选择放大器“分贝”开关的基础上，调节放大器的“增益”旋钮，使指 示满刻度(即：驻波比为“ 1”处)。再将探头移至波节位置，此时指针所指示的驻波比数值就是被测负载 的 值。(b)分贝法：同上法；只是在波腹处 (选频放大器指示电表在满刻度时 ) 。应读为“ 0”分贝。而波节处的分贝数被读取后即可查阅附录中“分贝与电压比”关系表，得知此负载的驻波比值。(c) 电流法：在指示满刻度时，电流读数为 100 A （Imax 值），而波节处的电流读数即为： I min 。再根据平方律检 波公式求出 值特别要注意的是：以上介绍的这三种方法都是在

13、测 <3.16 的负载时是适用的，如被测负载的驻波比处于 3.16< <10时，还必须将 “分贝”开关顺时针换过一挡。 顺时针换过一挡 “分贝” 开关后， 对“直读法”：其 值应读取下面一行 3.16 10； 对“分贝法”：应在表盘指示的分贝数上再加 10 分贝对“电流法”：其Imin值应为未换挡时的110 。根据同样的道理，你应当能判断出“分贝”开关顺时针转换二挡、三挡时，该如何读数了（8） 功率的测量：本实验使用 GX-2A 型微瓦功率计来测量微波功率。 当功率计探头接入系统终端时， 就构成了微波系统 的负载。探头内装有铋锑热电偶，可将微波产生的热能转换成电能，并直接由功

14、率计表头上的读数得知被 测功率值。如果忽略传输线本身对信号的衰减， 并假设功率计探头的阻抗 ZL 与微波系统的特性阻抗 ZC相匹配（即： ZLZC），则信号源输出的功率将全部为负载所吸收。但在一般情况下，功率计探头的输入阻抗ZL 不可能做得完全与微波系统的特性阻抗 ZC 相匹配（即： ZL ZC），则一部分功率将会由探头反射回来，它正比于 探头 的功率反射系数 2 。这种损耗称 为：“反射损耗”。此时功率计 所吸收的功率应为 ：2PL PH （12）;其中：PL功率计所测得的功率值；PH 系统终端输出的真实功率；1反射系数（11 ）；另外， 在传输系统中， 传输线本身也会对信号源的输出功率 P0 产生一定的衰减， 这种衰减称为“插入损耗”。