天津大学李媛微波技术与天线-第三章PPT教案

1、天津大学李媛微波技术与天线天津大学李媛微波技术与天线-第三章第三章在微波低频段，可采用平行双线来传输微波，但当频率提高后，平行双线会向在微波低频段，可采用平行双线来传输微波，但当频率提高后，平行双线会向空间辐射电磁能量，且频率越高，能量损耗越大。空间辐射电磁能量，且频率越高，能量损耗越大。在微波高频段，一般采用同轴线和波导传输微波，这类传输线是封闭式的，不在微波高频段，一般采用同轴线和波导传输微波，这类传输线是封闭式的，不存在辐射损耗，同轴线的横截面尺寸必须减小才能保证只传输存在辐射损耗，同轴线的横截面尺寸必须减小才能保证只传输TEM波，导致同波，导致同轴线的导体损耗增加，功率容量下降，因此其

2、一般只适用于厘米波段。轴线的导体损耗增加，功率容量下降，因此其一般只适用于厘米波段。随着频率继续提高，可采用波导进行传输，功率容量大，但带宽较窄，体积和随着频率继续提高，可采用波导进行传输，功率容量大，但带宽较窄，体积和重量较大。重量较大。随着空间技术的发展，微波集成电路应用逐渐广泛，进而出现了带状线和微带随着空间技术的发展，微波集成电路应用逐渐广泛，进而出现了带状线和微带线，它们具有体积小、重量轻、频带宽等优点，但功率容量小、损耗较大，主线，它们具有体积小、重量轻、频带宽等优点，但功率容量小、损耗较大，主要用于小功率系统。要用于小功率系统。3.1 引言引言第1页/共57页规则波导：波导的边界

3、和尺寸沿轴向不变。规则波导：波导的边界和尺寸沿轴向不变。对由均匀填充介质的金属波导管建立如图所示坐标系对由均匀填充介质的金属波导管建立如图所示坐标系, 设设z轴与波导的轴线相重合。轴与波导的轴线相重合。 假设假设: 波导管内填充的介质是均匀、波导管内填充的介质是均匀、 线性、线性、 各向同性的各向同性的; 波导管内无自由电荷和传导电流的存在波导管内无自由电荷和传导电流的存在; 波导管内的场是时谐场。波导管内的场是时谐场。3.2 规则波导规则波导一、导波原理一、导波原理第2页/共57页 理论理论对无源自由空间电场对无源自由空间电场E和磁场和磁场H满足以下矢量亥姆霍兹方程满足以下矢量亥姆霍兹方程:

4、 式中式中, k2=2。 现将电场和磁场分解为横向分量和纵向分量现将电场和磁场分解为横向分量和纵向分量, 即即 E=Et+azEz H=Ht+azHz022EkE022HkH式中式中, az为为z向单位矢量向单位矢量, t 表示横向坐标表示横向坐标, 可以代表直角坐标中的可以代表直角坐标中的(x, y); 也可代表圆柱坐也可代表圆柱坐标中的标中的(, )。3.2 规则波导规则波导第3页/共57页设设 为二维拉普拉斯算子为二维拉普拉斯算子, 则有则有2t2222zt000022222222ttzzttzzHkHHkHEkEEkE下面以直角坐标为例讨论下面以直角坐标为例讨论, 整理后可得整理后可得

5、利用分离变量法利用分离变量法, 令令整理得整理得)(),(),(zZyxEzyxEzz)()(dd),(),()(2222zZzZzyxEyxEkzzt3.2 规则波导规则波导第4页/共57页上式中左边是横向坐标上式中左边是横向坐标(x, y)的函数的函数, 与与z无关无关; 而右边是而右边是z的函数的函数, 与与(x, y)无关。只有二无关。只有二者均为一常数，上式才能成立者均为一常数，上式才能成立, 设该常数为设该常数为2, 则有则有0),()(),(222yxEkyxEzzt0)()(222zZzZdzd上式中的第二式的形式与传输线方程相同上式中的第二式的形式与传输线方程相同, 其通解为

6、其通解为rzrzeAeAzZ)(现设现设Eoz(x, y) = A+Ez(x, y), 则纵向电场可表达为则纵向电场可表达为 Ez(x, y, z)=Eoz(x, y)e-z同理同理, 纵向磁场也可表达为纵向磁场也可表达为: Hz(x, y, z)=Hoz(x, y)e - z rzeAzZ)(由前面假设由前面假设, 规则金属波导为无限长规则金属波导为无限长, 没有反射波没有反射波, 故故A=0, 即纵向电场的纵向分量应即纵向电场的纵向分量应满足的解的形式为满足的解的形式为 3.2 规则波导规则波导第5页/共57页0),(),(2c2yxEkyxEozozt0),(),(2c2yxHkyxHo

7、zozt式中式中, k2c=k2+ 2为传输系统的本征值。为传输系统的本征值。 由麦克斯韦方程由麦克斯韦方程, 无源区电场和磁场应满足的方程为无源区电场和磁场应满足的方程为EHjHEj将它们用直角坐标展开将它们用直角坐标展开, 可得可得: 而而Eoz(x, y), Hoz(x, y)满足以下方程满足以下方程: )(12cxEyHjkEZzx)(12cyExHjkEzzy)(12cyEjxHkHzZx)(12cxEjyHkHzZy3.2 规则波导规则波导第6页/共57页 结论结论: 波导中场的纵向分量满足波动方程波导中场的纵向分量满足波动方程, 结合边界条件即可求得纵向分量结合边界条件即可求得纵

8、向分量Ez和Hz, ，场的，场的横向分量可由纵向分量求得横向分量可由纵向分量求得; 既满足上述方程又满足边界条件的解有许多既满足上述方程又满足边界条件的解有许多, 每一个解对应一个波型（模式）每一个解对应一个波型（模式）,不同不同的模式具有不同的传输特性的模式具有不同的传输特性; kc是微分方程在特定边界条件下的特征值是微分方程在特定边界条件下的特征值, 它与导波系统横截面形状、尺寸及传输它与导波系统横截面形状、尺寸及传输模式有关。当相移常数模式有关。当相移常数=0时时, 意味着波导系统不再传播意味着波导系统不再传播, 称为截止称为截止, 此时此时kc=k, 故将故将kc称称为截止波数。为截止

9、波数。3.2 规则波导规则波导)(j2cxEyHkEZzx)(j2cyExHkEzzy)(j2cyExHkHzZx)(j2cxEyHkHzZy对于理想无耗波导对于理想无耗波导: 第7页/共57页22c2c2/1kkkkk1.相移常数和截止波数相移常数和截止波数在确定的均匀媒质中在确定的均匀媒质中, 波数波数 与电磁波的频率成正比与电磁波的频率成正比, 相移常数相移常数和和 k 的关系式为的关系式为k二、传输特性二、传输特性2.相速相速p与波导波长与波导波长g电磁波在波导中传播电磁波在波导中传播, 其等相位面移动速率称为相速其等相位面移动速率称为相速, 于是有于是有22c22cp/1/11kkc

10、kkkrr式中式中, c为真空中光速为真空中光速, 对导行波来说对导行波来说kkc, 故故pc/ , 即在规则波导中波的传播的即在规则波导中波的传播的速度要比在无界空间媒质中传播的速度要快。速度要比在无界空间媒质中传播的速度要快。 rr3.2 规则波导规则波导第8页/共57页导行波的波长称为波导波长导行波的波长称为波导波长, 用用g表示表示, 它与波数的关系式为它与波数的关系式为22c/1122kkkg另外另外, 我们将相移常数我们将相移常数及相速及相速p随频率随频率的变化关系称为色散关系的变化关系称为色散关系, 它描述了波导系它描述了波导系统的频率特性。当存在色散特性时统的频率特性。当存在色

11、散特性时, 相速相速p已不能很好地描述波的传播速度已不能很好地描述波的传播速度, 这时就要这时就要引入引入“群速群速”的概念的概念, 它表征了波能量的传播速度它表征了波能量的传播速度, 当当kc为常数时为常数时, 导行波的群速为导行波的群速为22crr/1d/d1ddkkcg3.波阻抗波阻抗定义某个波型的横向电场和横向磁场之比为波阻抗定义某个波型的横向电场和横向磁场之比为波阻抗, 即即ttHEZ 3.2 规则波导规则波导第9页/共57页式中式中, Z为该波型的波阻抗。为该波型的波阻抗。4.传输功率传输功率由玻印亭定理由玻印亭定理, 波导中某个波型的传输功率为波导中某个波型的传输功率为StStS

12、zttSSHZSEZdSaHESHEPd|2d21)(Re21d)(Re21223.2 规则波导规则波导第10页/共57页1. 即即kc=0这时必有这时必有Ez=0和和Hz=0, 否则否则Ex、Ey、Hx、Hy将出现无穷大将出现无穷大, 这在物理上不可能。这样这在物理上不可能。这样kc=0 意味着该导行波既无纵向电场又无纵向磁场意味着该导行波既无纵向电场又无纵向磁场, 只有横向电场和磁场只有横向电场和磁场, 故称为横电磁故称为横电磁波，简称波，简称TEM波。波。 对于对于TEM波波, =k, 故相速、波长及波阻抗和无界空间均匀媒质中相同。而且由于截止故相速、波长及波阻抗和无界空间均匀媒质中相同

13、。而且由于截止波数波数kc=0, 因此理论上任意频率均能在此类传输线上传输。因此理论上任意频率均能在此类传输线上传输。 此时不能用纵向场分析法此时不能用纵向场分析法, 而可用二维静态场分析法或前述传输线方程法进行分析。而可用二维静态场分析法或前述传输线方程法进行分析。02ck三、导行波分类三、导行波分类3.2 规则波导规则波导第11页/共57页22TM/1kkHEZcyxTM波的波阻抗为波的波阻抗为3.2 规则波导规则波导2. 这时这时20, 而而Ez和和Hz不能同时为零不能同时为零, 否则否则Et和和Ht必然全为零必然全为零, 系统将不存在任何场。一般系统将不存在任何场。一般情况下情况下,

14、只要只要Ez和和Hz中有一个不为零即可满足边界条件中有一个不为零即可满足边界条件, 这时又可分为两种情形这时又可分为两种情形: (1)TM波波 将将Ez0而而Hz=0的波称为磁场纯横向波的波称为磁场纯横向波, 简称简称TM波波, 由于只有纵向电场故又称为由于只有纵向电场故又称为E波。波。 此此时满足的边界条件应为时满足的边界条件应为02ck0| SzE式中，式中， S表示波导周界。表示波导周界。第12页/共57页3.这时这时 而相速而相速 , 即相速比无界媒质空间即相速比无界媒质空间中的速度要慢中的速度要慢, 故又称之为慢波。故又称之为慢波。02ckkkkc22rrpcv/3.2 规则波导规则

15、波导(2)TE波波将将Ez=0而而Hz0 的波称为电场纯横向波的波称为电场纯横向波, 简称简称TE波波, 此时只有纵向磁场，故又称为此时只有纵向磁场，故又称为H波。波。 它应满足的边界条件为它应满足的边界条件为0SZnH式中，式中， S表示波导周界；表示波导周界；n为边界法向单位矢量。为边界法向单位矢量。 TE波的波阻抗为波的波阻抗为22TE/11kkHEzcyx无论是无论是TM波还是波还是TE波波,其相速其相速 均比无界媒质空间中的速度要快均比无界媒质空间中的速度要快, 故称故称之为快波。之为快波。rrc/第13页/共57页一、概述一、概述1.特点特点：a.结构简单；结构简单；b.机械强度大

16、；机械强度大；c.具有封闭结构，可以避免外界干扰和辐具有封闭结构，可以避免外界干扰和辐射损耗；射损耗；d.内部无填充介质，导体损耗小内部无填充介质，导体损耗小;e.功率容量大。功率容量大。2.缺点缺点：一般用于波长为：一般用于波长为10cm以下波段，以下波段，当波长大于当波长大于10cm时，尺寸会大而笨重，使时，尺寸会大而笨重，使用不便。用不便。3.传输波型传输波型：TE波、波、TM波波3.3 矩形波导矩形波导第14页/共57页1.TE波波波动方程波动方程0),(),(2c2tyxHkyxHzz二、矩形波导中的导行二、矩形波导中的导行波波0),(),(z2c2222yxHkyxHyxz2c22

17、22d)(d)(1d)(d)(1kyyYyYxxXxX在直角坐标系下在直角坐标系下应用分离变量法应用分离变量法, 令令Hoz(x, y)=X(x)Y(y)有有要使上式成立要使上式成立, 上式左边每项必须均为常数上式左边每项必须均为常数, 设分别为设分别为 和和 , 则有则有2xk2yk0)(d)(d222xXkxxXx2c222220)(d)(dkkkyYkyyYyxy3.3 矩形波导矩形波导第15页/共57页通解为通解为)sincos)(sincos(),(ykDykCxkBxkAyxHyyxxz其中其中, A1A2B1B2为待定系数为待定系数, 由边界条件确定。由边界条件确定。 Hz应满足

18、的边界条件为应满足的边界条件为0|0|00byzyzaxzxzyHyHxHxHbnyamxkDkB00于是矩形波导于是矩形波导TE波纵向磁场的基本解为波纵向磁场的基本解为式中式中, G为模式振幅常数为模式振幅常数2 , 1 , 0,e )cos()cos(e )cos()cos(nmybnxamGybnxamACHzzz3.3 矩形波导矩形波导第16页/共57页则则TE波其它场分量的表达式为波其它场分量的表达式为ztjcxybnxamGbnkjEe )sin()cos(2ztjcyybnxamGamkjEe )cos()sin(20zEztjcxybnxamGamkHe )cos()sin(2

19、ztjcyybnxamGbnkHe )sin()cos(2 式中式中, 为矩形波导为矩形波导TE波的截止波数。波的截止波数。22cbnamk3.3 矩形波导矩形波导zzybnxamGHe )cos()cos(第17页/共57页2.TM波波波动方程波动方程其通解也可写为其通解也可写为0221ZCZEkE满足的边界条件为满足的边界条件为0),()0 ,(0),(), 0(bxExEyaEyEzzzz)sincos)(sincos(),(ykDykCxkBxkAyxEyyxxz3.3 矩形波导矩形波导第18页/共57页TM波的场分量波的场分量0e)sin()cos(je)cos()sin(je)si

20、n()sin(e)cos()sin(e)sin()cos(2c2c2c2czztjyztjxztjzztjyztjxHybnxamFamkHybnxamFbnkHybnxamFEybnxamFbnkEybnxamFamkE式中式中, ，Emn为模式电场振幅数。为模式电场振幅数。22cbnamk3.3 矩形波导矩形波导第19页/共57页222bnamkc截止波长为截止波长为22)/()/(22bnamkccTMcTEcmnmn矩形波导矩形波导TEmn和和TMmn模的截止波数均为模的截止波数均为三、波的传输特性三、波的传输特性3.3 矩形波导矩形波导第20页/共57页例如例如BJ-32波导，其标称

21、尺寸为波导，其标称尺寸为a*b=72.14mm*34.04mm，标称厚度为，标称厚度为2mm，各模式，各模式截止波长分布图。截止波长分布图。3.3 矩形波导矩形波导第21页/共57页该波导在工作频率为该波导在工作频率为3GHz时只能传输时只能传输TE10模。模。 例：设某矩形波导的尺寸为例：设某矩形波导的尺寸为a=8cm,b=4cm; 试求工作频率在试求工作频率在3GHz时该波导能传输的时该波导能传输的模式。模式。)(0716. 02)(08. 0)(08. 02)(16. 02)( 1 . 0322ccccc1111200110mbaabmambmamfcGHzfTMTETETETE）（）（

22、）（）（）（3.3 矩形波导矩形波导解：解：第22页/共57页四、主模四、主模TE10在导行波中截止波长在导行波中截止波长c最长的导行模称为该导波系统的主模最长的导行模称为该导波系统的主模, 因而也能进行单模传输。因而也能进行单模传输。矩形波导的主模为矩形波导的主模为TE10模模, 因为该模式具有场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等特点因为该模式具有场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等特点, 所以工程应用中均为所以工程应用中均为TE10模式。模式。1.TE10模的场分布模的场分布将将m =1, n = 0, kc=/a, 代入代入, 并考虑时间因子并考虑时间因子e jt, 可得场分量表达式可得场分

23、量表达式)sin(sinztxaGaEy)sin(sinztxaGaHx)cos(cosztxaGHzEx=Ez=Hy=03.3 矩形波导矩形波导第23页/共57页由此可见由此可见, 场强与场强与y无关无关, 即各分量沿即各分量沿y轴均匀分布轴均匀分布, 而沿而沿x方向的变化规律为方向的变化规律为xaEysinxaHxsinxaHzcos而沿而沿z方向的变化规律为方向的变化规律为2cosztEy2cosztHZztHzcosHx和和Ey最大值在同截面上出现最大值在同截面上出现, 电磁波沿电磁波沿z方向按行波状态变化方向按行波状态变化;Ey、Hx和和Hz相位差为相位差为90, 电磁波沿横向为驻波

24、分布。电磁波沿横向为驻波分布。3.3 矩形波导矩形波导第24页/共57页矩形波导矩形波导TE10模的场分布图模的场分布图3.3 矩形波导矩形波导第25页/共57页TE10模横截面二维电场分布模横截面二维电场分布 TE10模水平面二维电场分布模水平面二维电场分布 TE10模纵截面二维电场分布模纵截面二维电场分布 3.3 矩形波导矩形波导矩形波导矩形波导TE10模三维电场分布模三维电场分布第26页/共57页3.3 矩形波导矩形波导TE10模横截面二维磁场分布模横截面二维磁场分布 TE10模水平面二维磁场分布模水平面二维磁场分布 TE10模纵截面二维磁场分布模纵截面二维磁场分布 矩形波导矩形波导TE

25、10模三维磁场分布模三维磁场分布第27页/共57页2.特性参数特性参数 截止波长与相移常数截止波长与相移常数将将m=1, n=0 代入代入, 得截止波数为得截止波数为截止波长为截止波长为相移常数为相移常数为akccTE22102)2(12aakc 波阻抗波阻抗：2)2/(112010aZTE3.3 矩形波导矩形波导第28页/共57页2)2/(1ap2)2/(1addg式中式中, 为自由空间光速。为自由空间光速。 相速与群速相速与群速 传输功率传输功率222*214804Re2110aabEabEsdHEPmTEms其中其中, 是是Ey分量在波导宽边中心处的振幅值。分量在波导宽边中心处的振幅值。

26、功率容量为功率容量为其中其中,Ebr为击穿电场幅值。为击穿电场幅值。3.3 矩形波导矩形波导aGEm2221480aabEPbrbr第29页/共57页 衰减特性衰减特性当电磁波沿传输方向传播时当电磁波沿传输方向传播时, 由于波导金属壁的热损耗和波导内填充的介质的损耗必由于波导金属壁的热损耗和波导内填充的介质的损耗必然会引起能量或功率的递减，用衰减常数来表示：然会引起能量或功率的递减，用衰减常数来表示：)2(21 21120686. 822aababRS式中式中, RS= 为导体表面电阻为导体表面电阻它取决于导体的磁导率它取决于导体的磁导率、 电导率电导率 和工作频率和工作频率f /f(dB/m

27、)3.3 矩形波导矩形波导第30页/共57页a.衰减与波导的材料有关衰减与波导的材料有关, 因此要选导电率高的非铁磁材料因此要选导电率高的非铁磁材料, 使使RS 尽量小。尽量小。 b.增大波导高度增大波导高度b能使衰减变小能使衰减变小, 但当但当ba/2时单模工作频带变窄时单模工作频带变窄, 故衰减与频带应综故衰减与频带应综合考虑。合考虑。c.衰减还与工作频率有关衰减还与工作频率有关, 给定矩形波导尺寸时给定矩形波导尺寸时, 随着频率的提高先是减小随着频率的提高先是减小, 出现极小出现极小点点, 然后稳步上升。然后稳步上升。下图为下图为TE10 模衰减常数随频率变化曲线模衰减常数随频率变化曲线

28、3.3 矩形波导矩形波导第31页/共57页1.波导带宽问题波导带宽问题保证在给定频率范围内的电磁波在波导中都能以单一的保证在给定频率范围内的电磁波在波导中都能以单一的TE10模传播模传播, 其它高次模都应截其它高次模都应截止。为此应满足止。为此应满足:10011020cTEcTEcTEcTE五、矩形波导选择原则五、矩形波导选择原则将将TE10模、模、 TE20模和模和TE01模的截止波长代入上式得：模的截止波长代入上式得： abaa222或或2/02/ba即取即取 。 2/ab 3.3 矩形波导矩形波导第32页/共57页2.波导功率容量问题波导功率容量问题在传播所要求的功率时在传播所要求的功率

29、时, 波导不致于发生击穿。适当增加波导不致于发生击穿。适当增加 b可增加功率容量可增加功率容量, 故故 b 应尽应尽可能大一些。可能大一些。 3.波导的衰减问题波导的衰减问题通过波导后的微波信号功率不要损失太大。增大通过波导后的微波信号功率不要损失太大。增大b也可使衰减变小也可使衰减变小, 故故b应尽可能大一应尽可能大一些。些。综合上述因素综合上述因素, 矩形波导的尺寸一般选为矩形波导的尺寸一般选为aba)5 . 04 . 0(7 . 03.3 矩形波导矩形波导第33页/共57页 3.3 矩形波导矩形波导六、内壁表面电流分布六、内壁表面电流分布波导测量波导测量缝隙天线缝隙天线第34页/共57页

30、一、概述一、概述1.概念：概念：横截面为圆形的空心金属管。横截面为圆形的空心金属管。2.特点：特点：a.结构简单，加工方便，机械强度大；结构简单，加工方便，机械强度大；b.低损耗；低损耗；c.具有封闭结构，可以避免外界干扰和辐射损耗；具有封闭结构，可以避免外界干扰和辐射损耗；d.功率容量大；功率容量大；e.双极化。双极化。3.缺点：缺点：一般用于波长为一般用于波长为10cm以下波段，当波长大于以下波段，当波长大于10cm时，尺寸会大而笨重，使时，尺寸会大而笨重，使用不便。用不便。4.传输波型：传输波型：TE波、波、TM波波5.用途：用途：信号传输、信号传输、双极化馈线、微波谐振腔双极化馈线、微

31、波谐振腔3.4 圆波导圆波导第35页/共57页1.TM波的场分量表达式波的场分量表达式二、导行波二、导行波0esincos)(jecossin)(jesincos)(ecossin)(jesincos)(j)()(2)()(2)(zztjninniztjninnirztjninzztjninniztjninnirHnnraJaAHnnraJarnAHnnraAJEnnraJarnAEnnraJaAE3.4 圆波导圆波导第36页/共57页)()(2)()()(2esincos)(ecossin)(jesincos)(j0esincos)(jecossin)(jztjninzztjninniztj

32、ninnirzztjninniztjninnirnnravBJHnnravJvarnBHnnravJvaBHEnnravJvaBEnnravJvarnBE1.TE波的场分量表达式波的场分量表达式3.4 圆波导圆波导第37页/共57页三、波的传输特性三、波的传输特性mncTEvakmnmn22cTEmnakmnmn22cTMTMc在所有的模式中在所有的模式中, TE11模截止波长最长模截止波长最长, 其次为其次为TM01模模, 三种典型模式的截止波长分别为三种典型模式的截止波长分别为aa6127. 24126. 30111cTMcTEa6398.101cTE截止波长为截止波长为3.4 圆波导圆波

33、导第38页/共57页圆波导中各模式截止波长的分布图圆波导中各模式截止波长的分布图3.4 圆波导圆波导第39页/共57页1. 主模主模TE11模模TE11模的截止波长最长模的截止波长最长, 是圆波导中的最低次模是圆波导中的最低次模, 也是主模。也是主模。圆波导中圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似模的场分布很相似, 因此工程上容易通过因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导, 从而构成方圆波导变换器。从而构成方圆波导变换器。 但由于圆波导中极化简并模的存在但由于圆波导中极化简并模的存在, 所以很难实现单

34、模传输所以很难实现单模传输, 因此圆波导不太适合于远因此圆波导不太适合于远距离传输场合。距离传输场合。3.4 圆波导圆波导四、几种常用模式四、几种常用模式第40页/共57页2. 圆对称圆对称TM01模模TM01模是圆波导的第一个高次模。模是圆波导的第一个高次模。它具有圆对称性故不存在极化简并模它具有圆对称性故不存在极化简并模, 因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工作模式作模式, 另外因其磁场只有另外因其磁场只有H分量分量, 故波导内壁电流只有纵向分量故波导内壁电流只有纵向分量, 因此它可以有效地因此它可以有效地和轴向流动的电子流交换能量和轴向流动的电

35、子流交换能量, 由此将其应用于微波电子管中的谐振腔及直线电子加由此将其应用于微波电子管中的谐振腔及直线电子加速器中的工作模式。速器中的工作模式。 3.4 圆波导圆波导第41页/共57页3.低损耗低损耗TE01模模TE01模是圆波导的高次模式，也是圆对称模，与模是圆波导的高次模式，也是圆对称模，与TM11模是简并模。模是简并模。 磁场只有径向和轴向分量磁场只有径向和轴向分量, 故波导管壁电流无纵向分量故波导管壁电流无纵向分量, 只有周向电流。因此只有周向电流。因此, 当传输当传输功率一定时功率一定时, 随着频率升高随着频率升高, 管壁的热损耗将单调下降管壁的热损耗将单调下降,故其损耗相对其它模式

36、来说是故其损耗相对其它模式来说是低的。因此可将工作在低的。因此可将工作在TE01模的圆波导用于毫米波的远距离传输或制作高模的圆波导用于毫米波的远距离传输或制作高Q值的谐振值的谐振腔。腔。 由圆波导三种模式的导体衰减曲线可以看出由圆波导三种模式的导体衰减曲线可以看出TE01模的低损耗特性。模的低损耗特性。3.4 圆波导圆波导第42页/共57页3.5 同轴线同轴线一、概述一、概述1.概念：概念：由内、外同轴的两导体柱构成，中间为由内、外同轴的两导体柱构成，中间为支撑介质的双导体传输系统。支撑介质的双导体传输系统。2.分类：分类：a.硬同轴线（同轴波导）：以圆柱形铜棒作为内硬同轴线（同轴波导）：以圆

37、柱形铜棒作为内导体，同心的铜管作为外导体，内外导体间媒质导体，同心的铜管作为外导体，内外导体间媒质为空气，内导体用高频介质垫圈支撑。为空气，内导体用高频介质垫圈支撑。b.软同轴线（同轴电缆）：以多股铜丝或单根铜软同轴线（同轴电缆）：以多股铜丝或单根铜丝作为内导体，铜丝网作为外导体，内外导体间填充低耗介质（聚乙烯或聚四氟乙丝作为内导体，铜丝网作为外导体，内外导体间填充低耗介质（聚乙烯或聚四氟乙烯），导体外包裹一层绝缘材料。烯），导体外包裹一层绝缘材料。3.特点：特点：宽频带，抗干扰，覆盖范围大。宽频带，抗干扰，覆盖范围大。4.缺点：缺点：体积大，易损坏，成本高，安装维护困难。体积大，易损坏，成本

38、高，安装维护困难。5.传输波型：传输波型：主波型为主波型为TEM波，高次模会有波，高次模会有TE波和波和TM波波5.用途：用途：有线电视，局域网有线电视，局域网第43页/共57页1.同轴线的场结构同轴线的场结构二、导行波二、导行波3.5 同轴线同轴线同轴波导中的场满足柱坐标形式的齐次赫姆霍茨方程：同轴波导中的场满足柱坐标形式的齐次赫姆霍茨方程：0),(),(22rEkrEct0),(),(22rHkrHct柱坐标下，同轴波导中的场可表示为：柱坐标下，同轴波导中的场可表示为：),(),(),(),(),(),(),(),(rHzrHrHrrHrEzrErErrEzrzr纵向场分量纵向场分量Ez、

39、Hz满足下面的波动方程：满足下面的波动方程：0),(),(22rEkrEzztc0),(),(22rHkrHzztc第44页/共57页2.主模主模TEM模模kc=0，c=，Ez=0，Hz=0TEM模横向场分布函数满足二维拉普拉斯方程：模横向场分布函数满足二维拉普拉斯方程：0),(2rEt0),(2rHt边界条件：边界条件：0 ,rHEbrar处：TEM波的解：波的解：rztjreerIE60eerIHztj23.5 同轴线同轴线第45页/共57页同轴线中同轴线中TEM模的场结构如图：模的场结构如图： EH3.5 同轴线同轴线第46页/共57页3、高次模、高次模在同轴线中，除传输在同轴线中，除传

40、输TEM主模外，还可能传输高次模主模外，还可能传输高次模TE模和模和TM模。模。但在实际应用中，一般不用高次模传输功率，而采用主模但在实际应用中，一般不用高次模传输功率，而采用主模TEM工作。工作。根据圆波导分析结论：根据圆波导分析结论：0 , 0zzEHztjcmcmzemmCrKNBrKJBEsincos)()(21TM模：模： TE模：模： 根据圆波导分析结论：根据圆波导分析结论：0 , 0zzHEztjcmcmzemmDrKNCrKJCHsincos)()(213.5 同轴线同轴线第47页/共57页概念：概念：具有平面型结构，采用照相光刻工艺制作的微波传输系统。具有平面型结构，采用照相

41、光刻工艺制作的微波传输系统。优点：优点：体积小、重量轻、低剖面、可靠性高、性能优越、一致性体积小、重量轻、低剖面、可靠性高、性能优越、一致性好、成本低；好、成本低；缺点：缺点：损耗大、功率容量小、品质因数损耗大、功率容量小、品质因数Q较低。较低。应用：应用：微波集成电路，微带天线，手机天线微波集成电路，微带天线，手机天线分类：分类：1.准准TEM波传输线波传输线, 主要包括微带线和共面波导等主要包括微带线和共面波导等; 2.非非TEM波传输线波传输线, 主要包括槽线、主要包括槽线、 鳍线等鳍线等; 3.开放式介质波导传输线开放式介质波导传输线, 主要包括介质波导、镜像波导等；主要包括介质波导、

42、镜像波导等； 4.半开放式介质波导半开放式介质波导, 主要包括主要包括H形波导、形波导、G形波导等。形波导等。一、概述一、概述第48页/共57页准TEM波传输线非TEM波传输线开放式介质波导半开放式介质波导第49页/共57页概念：概念：由两部分组成，一面是在双面的聚四氟乙由两部分组成，一面是在双面的聚四氟乙烯或玻璃纤维上敷铜板，经照相制版，光刻腐蚀烯或玻璃纤维上敷铜板，经照相制版，光刻腐蚀一条导带，另一面为金属接地板的平面型传输线。一条导带，另一面为金属接地板的平面型传输线。特点：特点：体积小，重量轻，频带宽，可靠性高，制体积小，重量轻，频带宽，可靠性高，制造成本低。造成本低。缺点：缺点：损耗

43、大，功率容量小。损耗大，功率容量小。传输波型：传输波型：准准TEM波波演变过程：双导体传输线演变过程：双导体传输线微带线微带线3.6 微波集成传输线微波集成传输线第50页/共57页波导模式：存在于导带与接地板之间微带线的高次模表面波模式： 只要在接地板上有介质基片即存在10011001202(0.4 )02rcTErcTMrwtTETEwhtTMTMh模： 最低模式：模截止波长：波导模式模： 最低模式：模截止波长：100141cTErTMTMTEh模： 截止波长为 ，任何频率下模均存在表面波模式模： 截止波长：0min0min0min()0.42()()min,241rrrwhh为抑制高次模的产生，微带的尺寸应满足：第51页/共57页三、带状线（三板线）三、带状线（三板线）概念：概念：由两块接地板与中间的矩形截面导体构成由两块接地板与中间的矩形截面导体构成的平面型传输线，接地板之间填充均匀介质或空的平面型传输线，接地板之间填充均匀介质或空气。气。特点：特点：体积小，重量轻，频带宽，屏蔽性好，制体积小，重量轻，频带宽，屏蔽性好，制造成本低。造成本低。缺点：缺点：损耗大，信号速度慢。损耗大，信号速度慢。传输波型：传输波型：TEM波，高次模会有波，高次模会有TE波和波和TM波波演变过程：同轴线演变过程：同轴线带状线带状线第52页/共57页带状线尺寸的选择带状线尺寸的选择