電磁波在波導(dǎo)中傳播

1、課程設(shè)計(jì)作者：劉家豪（2013030103022） 日期：2015/5/28 電磁波在波導(dǎo)中的傳播特點(diǎn)引言：電磁波在科研領(lǐng)域占有極其重要的地位。同時電磁波在傳播的過程中采用哪種傳播線，哪種介質(zhì)與電磁波的頻率是緊密相聯(lián)系的。在低頻范圍內(nèi)，應(yīng)采用雙線傳輸線，在高頻范圍內(nèi)，為了避免輻射作用應(yīng)該采用同軸線，在微波領(lǐng)域內(nèi)，為了避免同軸線的焦耳損耗等形式的熱損耗，常常采用波導(dǎo)進(jìn)行傳輸。本文將根據(jù)電磁波的傳播特性，分析其在矩形波導(dǎo)，圓柱形波導(dǎo)，同軸波導(dǎo)中的傳播特性。關(guān)鍵詞：電磁波；波導(dǎo)；矩形波導(dǎo)：圓柱形波導(dǎo)一 導(dǎo)行波與波導(dǎo)：1. 導(dǎo)波系統(tǒng)：在導(dǎo)波系統(tǒng)中的電磁波根據(jù)縱向場分量的有無，可以有以下三種波的模型：（

2、1）橫磁波(TM波)：。(2) 橫電波(TE波)：。(3) 橫電磁波(TEM波)：。其中TEM只存在于多導(dǎo)體系統(tǒng)中，而橫磁波和橫電波一般存在于單導(dǎo)體系統(tǒng)中。TEM波沿著傳輸方向的分量為0，所以其無法再封閉的波導(dǎo)中傳播。2. 導(dǎo)行波：導(dǎo)行波就是大多數(shù)能量受到導(dǎo)行系統(tǒng)的邊界條件約束，在有限的橫街面里面沿著確定的方向傳播的一種電磁波，也就是受到波導(dǎo)約束沿著固定方向與范圍內(nèi)傳播的電磁波，簡稱導(dǎo)波。其中導(dǎo)波的電廠和磁場分量都是x,y,z三個方向的函數(shù)。3. 波導(dǎo)：所謂的波導(dǎo)，就是利用良導(dǎo)體制成的中空管狀的傳輸線，是一種傳播電磁能的工具。常見的波導(dǎo)有橫截面為矩形，圓形的，分別被稱為矩形波導(dǎo)和圓柱形波導(dǎo)。電

3、磁波在波導(dǎo)中只能沿著管的軸向方向傳播，這就使得電磁波在波導(dǎo)中與無界空間的電磁波在性質(zhì)上有很大的差別。二 矩形波導(dǎo)：1.幾何形狀：矩形波導(dǎo)是橫截面為矩形的空心金屬管，矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械強(qiáng)度大，由于它是封閉結(jié)構(gòu)，可以避免外界干擾和輻射損耗；因?yàn)樗鼰o內(nèi)導(dǎo)體，所以導(dǎo)體損耗低，而功率容量大。在矩形波導(dǎo)中僅存在TE和TM兩類導(dǎo)波，不可能存在TEM波，因?yàn)門EM波沿著傳輸方向的分量為零，所以其無法再封閉的波導(dǎo)中傳播。2. 矩形波導(dǎo)中電磁波型的傳輸特性：TE波和TM波的截止波數(shù)均為：（1）截止波長：由此可見截止波長不僅僅與波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)有關(guān)還與決定波型的m,n有關(guān)。 (2)截止頻率：，當(dāng)給定了波導(dǎo)的a,b，將

4、不同波型的m,n帶入公式中即可得到不同波的截止頻率，如下圖。從圖中可以看出，一般情況下矩形波導(dǎo)工作在TE10單模傳輸情況，因?yàn)門E10模容易實(shí)現(xiàn)單模傳輸，當(dāng)工作頻率一定時傳輸TE10模的波導(dǎo)尺寸最小，同時若波導(dǎo)尺寸一定，則實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)念l帶最寬。要傳播TE10波必須滿足：2a （3）功率容量：波導(dǎo)中最大承受的極限功率稱為波導(dǎo)的功率容量。 行波狀態(tài)下波導(dǎo)傳輸TE10模的功率容量為：。實(shí)際傳輸線上總有反射波存在。在行駐波狀態(tài)下，矩形波導(dǎo)傳輸TE10模的功率容量應(yīng)修正為 ：三 圓波導(dǎo)：圓波導(dǎo)的提出來自實(shí)踐的需要。例如，雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)搜索。如果沒有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，那只好發(fā)射機(jī)跟著轉(zhuǎn)。像這類應(yīng)用中， 圓波導(dǎo)成了必

5、須要的器件。至于以后要用到的極化衰減器，多?；虿y喇叭，都會應(yīng)用到圓波導(dǎo)。可以這樣說,幾何對稱性給圓波導(dǎo)帶來廣泛的用途和價值。從力學(xué)和應(yīng)力平衡角度，機(jī)加工圓波導(dǎo)更為有利，對于誤差和方便性等方面均略勝矩形波導(dǎo)一籌。與此同時要探索小衰減，大功率傳輸線，圓波導(dǎo)是必然的。1. 截止波長及波型：由TM波和TE波的截止波數(shù)可求得相應(yīng)的截止波長，它們分別為，。下圖是圓波導(dǎo)波型的分布圖：本圖說明TE11模的截止波長最長，因此TE11模是圓波導(dǎo)傳輸?shù)闹髂＃琓E11單模傳輸?shù)臈l件為2. 圓波導(dǎo)中的三個主要模式： （1）TE11模()：TE11模的場分布如圖所示。其中圖(a)表示橫截面上的電磁場分布；圖(b)表示縱

6、剖面上的電場分布；圖(c)為圓波導(dǎo)壁上的壁電流分布。（2）TE01模()：TE01模的場分布如圖所示。其中圖(a)表示橫截面上的電磁場分布；圖(b)表示縱剖面上的電磁場分布；圖(c)為壁電流的分布。（3）TM01模()：TM01模的場分布如圖所示。其中圖(a)表示橫截面上的電磁場分布；圖(b)表示縱剖面上的電磁場分布；圖(c)為壁電流的分布。TM01模適用于微波天線饋線旋轉(zhuǎn)鉸鏈的工作模式。由于它具有Ez分量，便于和電子交換能量，可作電子直線加速器的工作模式。但由于它的管壁電流具有縱向電流，故必須采用抗流結(jié)構(gòu)的連接方式。四：同軸波導(dǎo)：同軸線是一種雙導(dǎo)體傳輸線，如圖所示。同軸線按結(jié)構(gòu)可分為兩種：硬同軸線和同軸電纜。硬同軸線內(nèi)外導(dǎo)體之間媒質(zhì)通常為空氣，內(nèi)導(dǎo)體用高頻介質(zhì)墊圈支撐。同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)體之間填充高頻介質(zhì)，內(nèi)導(dǎo)體由單根或多根導(dǎo)線組成，外導(dǎo)體由銅線編織而成，外面再包一層軟塑料等介質(zhì)。在同軸線中即可傳輸無色散的TEM波，也可能存在有色散的TE和TM波。1. TEM模的場分量和場結(jié)構(gòu)：同軸線傳輸?shù)闹髂Ｊ荰EM