電磁場(chǎng)與微波技術(shù)微波傳輸線(xiàn)(2)教材

1、E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)Chapter 5 微波傳輸線(xiàn)微波傳輸線(xiàn)5.3 圓波導(dǎo)圓波導(dǎo)Circular WaveguideE-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) 在矩形波導(dǎo)應(yīng)用之后， 還有必要提出圓波導(dǎo)嗎？當(dāng)然，既然要用圓波導(dǎo)，必須有其優(yōu)點(diǎn)存在。主要有： 1. 圓波導(dǎo)的提出來(lái)自實(shí)踐的需要。例如，雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)搜索。如果沒(méi)有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，那只好發(fā)射機(jī)跟著轉(zhuǎn)。象這類(lèi)應(yīng)用中， 圓波導(dǎo)成了必須要的器件。幾何對(duì)稱(chēng)性給圓波導(dǎo)帶來(lái)廣泛的用途和價(jià)值。2. 從力學(xué)和應(yīng)力平衡角

2、度，機(jī)械加工圓波導(dǎo)更為有利，對(duì)于誤差和方便性等方面均略勝矩形波導(dǎo)一籌。3. 根據(jù)微波傳輸線(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn)：功率容量和衰減是十分重要的兩個(gè)指標(biāo)。這個(gè)問(wèn)題從廣義上看 )( )( max是周長(zhǎng)其中衰減是截面其中功率容量LL aSSP 在相同周長(zhǎng)的條件下，圓面積最大?？梢?jiàn)，要探索小衰減，大功率 傳輸線(xiàn)，想到圓波導(dǎo)是自然的。 4. 矩形波導(dǎo)中存在的一個(gè)矛盾E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)當(dāng)我們深入研究波導(dǎo)衰減，發(fā)現(xiàn)頻率升高時(shí)衰減在矩形波導(dǎo)中上升很快。仔細(xì)分析表明，衰減由兩部分組成：一部分稱(chēng)縱向電流衰減，另一部分是橫向電流衰減。當(dāng)頻率升高時(shí)，橫向電流衰減減少。而在圓波導(dǎo)中

3、將會(huì)發(fā)現(xiàn)，有的波型(圓波導(dǎo)中H01波型)無(wú)縱向電流，因此，若采用這種波型會(huì)使高頻時(shí)衰減減小。0f0faa縱向電流橫向電流橫向電流dmin圓波導(dǎo)圓波導(dǎo)H01波衰減波衰減 矩形波導(dǎo)矩形波導(dǎo)TE10波衰減波衰減E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)采用圓柱坐標(biāo)系（r，z）vru,rhh21, 1022zzEkEzczzzzEkEkErrErrE2222222211022zzHkHzczzzzHkHkHrrHrrH2222222211E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)p 圓波導(dǎo)中的波型及場(chǎng)分量圓波導(dǎo)中的波型及場(chǎng)分量l TM模模zczz

4、zzEkEkErrErrE2222222211 zjzerRE222222221mrkrRRrrRRrc00222222222RmrkrRrrRrmcrkNCrkJCRCmCmCcmcmmm43cossin21sincosE-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)Jm：第一類(lèi)：第一類(lèi)m階階Bessel函數(shù)函數(shù)Nm：第二類(lèi)：第二類(lèi)m階階Bessel函數(shù)函數(shù) 對(duì)于Neumann函數(shù)最大特點(diǎn)是x0，Nm(x)0。04CzjmmcmzjmmcmzerkJEeCrkJCEcossin0cossin3)()(導(dǎo)波TMERrz0E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技

5、術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)0)(RkJcm, 3 , 2 , 1;, 2 , 1 , 02nmvRRkmncmncmnmncmncmnvRk22波型 值 值波型 值 值TM01TM11TM21TM022.4053.8325.1355.5202.62R1.64R1.22R1.14RTM12TM22TM03TM137.0168.4178.65010.1730.90R0.75R0.72R0.62RmnvcmnvcTMTM波型的截止波長(zhǎng)波型的截止波長(zhǎng)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)代入橫縱向場(chǎng)關(guān)系式代入橫縱向場(chǎng)關(guān)系式0cossin0sincos02cossin0sinco

6、s02cossin0zzjmmcmczjmmcmcrzjmmcmzzjmmcmczjmmcmcrHerkJEkjHerkJErkmjHerkJEEerkJErkmjEerkJEkjEm = 0、1、2 . . .表示場(chǎng)沿圓周方向的半駐波數(shù)n = 1、2、3 . . .表示場(chǎng)沿半徑方向的半駐波數(shù)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)l TE模模0cossin0sincos02cossin0cossin0sincos02zzjmmcmzzjmmcmczjmmcmcrzjmmcmczjmmcmcrEerkJHHerkJHrkmjHerkJHkjHerkJHkjEerk

7、JHrkmjEm = 0、1、2 . . .表示場(chǎng)沿圓周方向的半駐波數(shù)n = 1、2、3 . . .表示場(chǎng)沿半徑方向的半駐波數(shù)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)0)(RkJcmzjmmcmcerkJHkjEcossin0)(導(dǎo)波TEERr0, 3 , 2 , 1;, 2 , 1 , 02nmRRkmncmncmnmncmncmnRk22波型 值 值波型 值 值TE11TE21TE01TE311.8413.0543.8324.2013.41R2.06R1.64R1.50RTE12TE22TE02TE135.3326.7057.0168.5361.18R0.94

8、R0.90R0.74RmncmncTETE波型的截止波長(zhǎng)波型的截止波長(zhǎng)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)l 圓波導(dǎo)中的波型及截止波長(zhǎng)圓波導(dǎo)中的波型及截止波長(zhǎng) 圓波導(dǎo)中有無(wú)數(shù)多個(gè)TE模和TM模，但是不存在TEm0和TMm0模。 圓波導(dǎo)具有高通特性。模式傳輸?shù)臈l件為fforccE-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) 圓波導(dǎo)中的最低模式為T(mén)E11模，第一高次模為T(mén)M01模。E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) 無(wú)論TE還是TM模，

9、場(chǎng)分量沿方向和r方向都呈駐波分布。 模式簡(jiǎn)并現(xiàn)象模簡(jiǎn)并模簡(jiǎn)并nncTMcTE10場(chǎng)分量沿 方向分布存在sinm 和cosm 兩種可能性，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)分布形式為極化面旋轉(zhuǎn)了90。圓波導(dǎo)波型的極化簡(jiǎn)并，使傳輸造成不穩(wěn)定，這是圓波導(dǎo)應(yīng)用受限制的主要原因。極化簡(jiǎn)并：極化簡(jiǎn)并：TEmn和TMmn不發(fā)生簡(jiǎn)并Why?E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)l TE11模模p 圓波導(dǎo)中的主要波型及其應(yīng)用圓波導(dǎo)中的主要波型及其應(yīng)用（c=3. 41R）圓波導(dǎo)中TE11模與矩形波導(dǎo)TE10模極相似，因此微波工程中方圓過(guò)渡均采用TE11模。但是，TE11模有兩種極化方向，存在極化簡(jiǎn)并模，不適

10、宜遠(yuǎn)距離傳輸，因此一般很少用于微波傳輸線(xiàn)，而只用于微波元件。圓波導(dǎo)TETE1111模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)矩形波導(dǎo)TE10模與圓波導(dǎo)TE11模的波型轉(zhuǎn)換器E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)l TM01模模 （c=2. 62R）zjzjzzjrerRJERjHerRJEEerRJERjE405. 2405. 2405. 2405. 2405. 2001001001圓波導(dǎo)TMTM0101模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) 磁場(chǎng)只有H分量，磁力線(xiàn)是橫截面上的同心圓

11、。 電力線(xiàn)是平面曲線(xiàn)，與無(wú)關(guān)，且在圓波導(dǎo)中心最強(qiáng)。 不存在極化簡(jiǎn)并模式。 在波導(dǎo)管壁上電流只有縱向分量?？捎米魈炀€(xiàn)饋線(xiàn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)連接工作模式。l TE01模模（c=1. 64R）zjzzjrzjerRJHHerRJHRjHerRJHRjE832. 3832. 3832. 3832. 3832. 3001001001E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)圓波導(dǎo)TETE0101模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) 電場(chǎng)只有E分量，電力線(xiàn)是橫截面上的同心圓。 磁力線(xiàn)是平面曲線(xiàn)，與無(wú)關(guān)。 不存在極化簡(jiǎn)并模式。 在波導(dǎo)管壁上電流

12、沒(méi)有縱向分量，管壁電流只沿圓周方向流動(dòng)。當(dāng)傳輸功率一定時(shí)，隨頻率升高，波導(dǎo)管壁熱損耗下降。 TE01?？梢宰龈逹諧振腔和毫米波遠(yuǎn)距離波導(dǎo)通信。 不是圓波導(dǎo)中的主模，使用時(shí)需要抑制高次模。5.4 同軸線(xiàn)及其高次模同軸線(xiàn)及其高次模E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) 同軸電纜：同軸電纜：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(xiàn)組成，外導(dǎo)體由銅線(xiàn)編織而成，外面再包一層軟塑料等介質(zhì)。 硬同軸線(xiàn)：硬同軸線(xiàn)：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。E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)p 同軸線(xiàn)中的主模同軸線(xiàn)中的主模T

13、EMTEM模模0zzHEzjrteabrUeElnzjteabrUeHlnl 波的速度、波長(zhǎng)及相移常數(shù)波的速度、波長(zhǎng)及相移常數(shù)fvvkkpppc210E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)l 特性阻抗特性阻抗)/ln(2abUdlHIl)()ln(602)/ln(0ababIUZrl 導(dǎo)體衰減導(dǎo)體衰減)/()/ln(1201220mNpababbRZRscl 功率容量功率容量abEaZUPbrrbrbrln12022202E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)同軸線(xiàn)中同軸線(xiàn)中TEM模的電磁場(chǎng)分布模的電磁場(chǎng)分布p 同軸線(xiàn)中的高次模同

14、軸線(xiàn)中的高次模TE模和模和TM模模E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)l TM模模與圓波導(dǎo)分析方法類(lèi)似 zjmmcmcmzjmmcmcmzjzerkBNrkAJeCrkNCrkJCerREcossincossin43)()()()(0,zEbar處和0)()(akBNakAJcmcm0)()(bkBNbkAJcmcm)()()()(bkNakNbkJakJcmcmcmcm, 2 , 1nabnkcabnmncTM2最低次最低次abcTM 201E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)在近似程度內(nèi)，同軸線(xiàn)TM波型與m無(wú)關(guān)。若同軸線(xiàn)內(nèi)

15、出現(xiàn)TM01模，就可能同時(shí)出現(xiàn)TM11模、TM21模、TM31模等，這是不希望的。因此，在設(shè)計(jì)同軸線(xiàn)時(shí)，應(yīng)盡量避免TM模式的出現(xiàn)。l TE模模zjmmcmcmzerkDNrkCJHcossin)()(0,nHbarz處和0)()(0)()(bkDNbkCJakDNakCJcmcmcmcm)()()()(bkNakNbkJakJcmcmcmcmabmmcTE1最低次最低次bacTE11abcTE 201E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)p 同軸線(xiàn)的尺寸選擇原則同軸線(xiàn)的尺寸選擇原則l 保證在給定的工作頻帶內(nèi)只傳輸保證在給定的工作頻帶內(nèi)只傳輸TEM模模abl 獲得

16、最小的導(dǎo)體損耗衰減獲得最小的導(dǎo)體損耗衰減0dadc591. 3ab71.76591. 30Zabl 獲得最大的功率容量獲得最大的功率容量0dadPbr649. 1ab30649. 10ZabE-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)50303. 20ZabE-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)5.5 帶狀線(xiàn)帶狀線(xiàn)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)廣泛用于接收機(jī)和小功率元件中廣泛用于接收機(jī)和小功率元件中E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)linesE-mail: by

17、 H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) CCvCLZrp1001031E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) )(4ln6000dbZr圓形芯線(xiàn)帶狀線(xiàn)特性阻抗：圓形芯線(xiàn)帶狀線(xiàn)特性阻抗：)(0885. 0115.94103100rfrrCbtbWCZcmpFbtbtbtbtCrf/111ln111111ln120885. 02E-mail: by

18、 H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)dB/m)tg2/m)Ntg(3 . 7(2000rrdpGZ02ZRc(Np/m)12016. 012030107 . 200003ZbZBRZtbAZRrsrrscE-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)tWWttWbBttbtbtbtbWA4ln21414. 05 . 0)7 . 05 . 0(12ln121rcTEW211rW2minrcTEW211minrb2minrcTMb210rcTMb210minE-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)5.6 微帶線(xiàn)微帶線(xiàn)為適應(yīng)微波電路

19、體積小、重量輕、性能可靠的要求新型導(dǎo)波系統(tǒng)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)EB(a)(b)微帶線(xiàn)可以認(rèn)為是由平行雙線(xiàn)演變而來(lái)。微帶線(xiàn)用于混合微波集成電路（Hybrid microwave integrated circuits, HMIC）和單片微波集成電路（Monolithic microwave integrated circuits, MMIC）。 非機(jī)械加工，采用金屬薄膜工藝 一般地說(shuō)，微帶均有介質(zhì)填充，因此電磁波在其中傳播時(shí)產(chǎn)生波長(zhǎng)縮短. 結(jié)構(gòu)上微帶屬于不均勻結(jié)構(gòu)。 嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，微帶不是TEM波傳輸線(xiàn)，可稱(chēng)之為準(zhǔn)TEM模(QuasiTEM mode

20、).E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù) 容易集成，和有源器件、半導(dǎo)體管構(gòu)成放大、混頻和振蕩。 常用的基片材料:氧化鋁Al2O3陶瓷 r=9.510 聚四氟乙烯或聚氯乙烯 r=2.50左右E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)微帶線(xiàn)是雙導(dǎo)體系統(tǒng)，如無(wú)介質(zhì)填充，則它可以傳播TEM波。當(dāng)有介質(zhì)存在時(shí)，由于要滿(mǎn)足介質(zhì)空氣界面上的邊界條件，它傳播的是電場(chǎng)和磁場(chǎng)縱向分量都不為零的混合波。由于微帶線(xiàn)的場(chǎng)能集中在介質(zhì)區(qū)域，縱向場(chǎng)分量很小，微帶線(xiàn)工作在準(zhǔn)TEM波，可按TEM波

21、傳輸線(xiàn)作準(zhǔn)靜態(tài)近似分析。E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)yyyyBBDDyyyryHHEExxxxHHEEEjHxryzEjzHyH00 xyzEjzHyHE-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)zHyHzHyHyzryzyrzrzHjyHyH1當(dāng)r1時(shí)，等式右側(cè)不等于0，因此等式左側(cè)的縱向磁場(chǎng)分量也不等于0。yrzzEjyEyE1當(dāng)r1時(shí)，等式右側(cè)不等于0，因此等式左側(cè)的縱向電場(chǎng)分量也不等于0。在微波低頻段，微帶線(xiàn)中的大部分能量集中在中心導(dǎo)帶下面的介質(zhì)基片中，在此區(qū)域中的縱向場(chǎng)分量比較弱，因此可以將這種模看成準(zhǔn)準(zhǔn)TEMTEM

22、模模。E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)當(dāng)頻率較高，微帶線(xiàn)的截面尺寸W和h可以和波長(zhǎng)相比擬時(shí)，微帶線(xiàn)中可能出現(xiàn)波導(dǎo)模（TE模和TM模）及表面波。波導(dǎo)模存在于金屬帶條和接地板之間，表面波只要在接地板上放一塊介質(zhì)基片就會(huì)出現(xiàn)。由于高次波型的存在，使微帶線(xiàn)的基本參量偏離按TEM計(jì)算的結(jié)果，還增加了輻射損耗，引起電路各部分的互耦合，使工作狀況惡化。TE：最低模是TE10模rcW210TErW2minTM：最低模是TM01模rch201TMrh2min表面波：141TErch0TMc不論多低的頻率，TM型表面波都可以傳播，只需要抑制TE型表面波即可。E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)rereprepZZcv010,01011cCZ填充空氣的微帶線(xiàn)特性阻抗01C填充空氣的微帶線(xiàn)分布電容E-mail: by H.Y.LIU 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)近