chap134導(dǎo)波場分析2分類導(dǎo)波特性-PPT課件

1、主講教師：徐軍 王茂琰 微波技術(shù)基礎(chǔ)教材：微波技術(shù)基礎(chǔ) 徐銳敏微波技術(shù)基礎(chǔ) 柳維君 地點(diǎn)：沙河校區(qū)科研樓608、610 電郵：wmybrimlhl163答疑地點(diǎn)：科研樓610 周一、周三晚 8:00-10:00 64課時(shí)期末考試： 50 (閉卷)期中考試 ：30 (閉卷)平時(shí)考核 ：20% 作業(yè)： 報(bào)告： 考勤： 缺課3次后取消考試資格 提問？二 微波的主要特性研究方法 場的方法路的方法由麥克斯韋方程組出發(fā)，求波動(dòng)方程的特解-得到場的時(shí)空變化規(guī)律路的方法：類比低頻電路，采用等效電壓、等效阻抗等概念。在一定的條件下，用“路”的理論求解研究方法本征模理論廣義傳輸線理論第一章 導(dǎo)波的一般特性 1.1

2、 導(dǎo)波和導(dǎo)波系統(tǒng) 1.2 導(dǎo)波的場分析 1.3 導(dǎo)波的分類及各類導(dǎo)波的特性 1.4 導(dǎo)波的傳輸功率、能量及衰減1.5 模式正交性1.6 導(dǎo)波系統(tǒng)中截止?fàn)顟B(tài)下的場 1.1 導(dǎo)波和導(dǎo)波系統(tǒng) 1.1 導(dǎo)波和導(dǎo)波系統(tǒng) 時(shí)變電場產(chǎn)生時(shí)變磁場，時(shí)變磁場又產(chǎn)生時(shí)變電場，如此進(jìn)行下去，變化著的電場和磁場就能傳播開去而形成電磁波。 按照傳播環(huán)境的不同，電磁波可分為自由空間波和導(dǎo)波。 自由空間波-指在無界空間傳播的電磁波。 導(dǎo)波- 在含有不同媒質(zhì)邊界的空間傳播的電磁波； 下面介紹一下常用的一些導(dǎo)波系統(tǒng)。 導(dǎo)波系統(tǒng)-構(gòu)成不同媒質(zhì)邊界的裝置。 它的作用是束縛并引導(dǎo)電磁波傳播。 前面已經(jīng)介紹過，微波頻段在整個(gè)電磁波頻譜

3、中占有相當(dāng)寬的位置，就其使用的導(dǎo)波系統(tǒng)而言，它的具體結(jié)構(gòu)隨著不同頻段和實(shí)際需要而有所不同。1.1 導(dǎo)波和導(dǎo)波系統(tǒng) (1)無輻射損耗地引導(dǎo)電磁波沿其軸向行進(jìn)而將能量從一處有效傳輸至另一處，稱之為饋線; (2)構(gòu)成微波電路所需的元件、器件。諧振器、阻抗變換器、濾波器、定向耦合器導(dǎo)波系統(tǒng)基本功能1.1 導(dǎo)波和導(dǎo)波系統(tǒng) 目前常用的微波傳輸線有平行雙線、同軸線、波導(dǎo)管、微帶線、介質(zhì)波導(dǎo)和光纖等幾種形式，如圖所示。 各種形式的微波傳輸線 1.1 導(dǎo)波和導(dǎo)波系統(tǒng) 圖(a)給出的平行雙線類似于日常生活中的電力傳輸線。這種傳輸線可以用來傳輸短波和超短波的信號(hào)。 平行雙線都是由良導(dǎo)體和優(yōu)質(zhì)絕緣體構(gòu)成的，如果其幾何

4、長度不特別長就可忽略線上的損耗，看成是無耗的理想傳輸線。各種形式的微波傳輸線 “低頻”(0-300MHz)-兩根導(dǎo)線-輻射損耗、電阻損耗很小。微波的低端米波采用線徑較大、線間距較小的平行雙導(dǎo)體構(gòu)成平行雙線平行雙線兩根導(dǎo)線對應(yīng)位置的電流相位相反，如果兩導(dǎo)線緊挨著，從理論上來說它們的輻射彼此抵消。但是，平行雙線是開放系統(tǒng)，兩根導(dǎo)線的輻射不能完全彼此抵消。1.1 導(dǎo)波和導(dǎo)波系統(tǒng) 平行雙線的橫截面及電磁場分布 (a)(b) 平行雙線的輻射損耗將隨著頻率 f 的升高而急劇地升高，因此平行雙線兩根導(dǎo)線的間距 D 應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長 0，即 D fc (或 fc (或c)稱為傳播條件。二 導(dǎo)波場的縱向分布和

5、橫向分布漸衰行波，熱耗散 2. f c) 傳播常數(shù)為實(shí)數(shù)，可表為 這種情況屬于非傳播情況。場的振幅沿z指數(shù)減小，場沿z無相移，說明沒有波沿z傳播。這里的與有耗導(dǎo)波系統(tǒng)在傳播情況下的衰減常數(shù)意義不同，它不是能量損耗，而是代表場振幅沿z呈衰減分布。場僅隨時(shí)間振動(dòng)，不同時(shí)刻t，場的分布圖如1.3(b)所示。這種狀態(tài)為導(dǎo)波截止?fàn)顟B(tài)，條件f c )稱為截止條件。(1. 19)二 導(dǎo)波場的縱向分布和橫向分布瞬衰波，能量未熱耗散 3. f = fc (或=c) 這種情況介于上述兩種情況之間，傳播常數(shù)為零，場的振幅和相位均不沿z變化，因此也無波沿z傳播。場也僅隨時(shí)間振動(dòng)，不同時(shí)刻t，場沿z的分布如圖1.3(c

6、)所示。它是波從傳播到不傳播的臨界情況，但它屬于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)的頻率fc稱為臨界頻率或截止頻率。波長c為臨界波長或截止波長。相應(yīng)的kc稱為截止波數(shù)。(1. 22)波在實(shí)際傳播中無臨界狀態(tài)，波被傳輸或截止時(shí)都伴有能量耗散，稱為“電阻性衰減”，而無耗線中，波被截止時(shí)，實(shí)為能量暫存，故可稱之為“電抗性衰減”。 二 導(dǎo)波場的縱向分布和橫向分布特點(diǎn):是相速大于平面波速，即大于該媒質(zhì)中的光速，而群速則小于該媒質(zhì)中的光速，同時(shí)導(dǎo)波波長大于空間波長。這是一種快波。 ,臨界狀態(tài) 沿z方向沒有波的傳播過程，k稱為臨界（截止）波數(shù)。 臨界（截止）角頻率臨界（截止）頻率臨界（截止）波長二 導(dǎo)波場的縱向分布和橫向分布

7、這時(shí)場的振幅沿z方向呈指數(shù)變化而相位不變，它不再是行波而是衰減場。式中第一項(xiàng)代表沿+z方向衰減的，第二項(xiàng)代表沿-z方向衰減的場。這種狀態(tài)稱為截止?fàn)顟B(tài)或過截止?fàn)顟B(tài)。這種導(dǎo)行波的相速小于無界媒質(zhì)中的波速，而波長小于無界媒質(zhì)中的波長，這是一種慢波可用周期結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 二 導(dǎo)波場的縱向分布和橫向分布 能夠傳輸慢波的結(jié)構(gòu)稱為慢波結(jié)構(gòu)或慢波系統(tǒng)或慢波線。當(dāng)需要電子與場相互作用時(shí)常用到慢波系統(tǒng)，如行波管。 由本征值問題的定理可知，具有齊次邊界條件的導(dǎo)波系統(tǒng)不可能存在，因此，光滑導(dǎo)體壁構(gòu)成的導(dǎo)波系統(tǒng)中不可能存在慢波。存在慢波的傳輸系統(tǒng)必然是由某些阻抗壁構(gòu)成的。 綜上分析可知，電磁波沿?zé)o限長勻直導(dǎo)波系統(tǒng)縱向分布可

8、能有傳播和截止兩種狀態(tài)。處于傳播狀態(tài)的波叫傳播波或傳播模，處于截止?fàn)顟B(tài)的場叫截止場或截止模。下面我們先小結(jié)一下，接著重點(diǎn)研究傳播波。二 導(dǎo)波場的縱向分布和橫向分布二 導(dǎo)波場的縱向分布和橫向分布(二).導(dǎo)波場沿橫向分布的特點(diǎn)(1.8a)(1.8b)(1. 9) 導(dǎo)波場的橫向分布決定于 。由于導(dǎo)波系統(tǒng)的橫向邊界尚未給出，場的橫向分布函數(shù) 暫不能解出(放在第二章討論)。但是導(dǎo)波系統(tǒng)的橫向總是有邊界的，因此前面曾推斷場沿橫向是一種駐波分布。同時(shí)，因 是kc的本征函數(shù)，kc與有關(guān)，表明不同橫向分布的場其傳播特性不同。(1. 12a)(1. 12b)二 導(dǎo)波場的縱向分布和橫向分布 導(dǎo)波的電場E、磁場H一般

9、是三維空間矢量。為便于分析，常常將其分為橫向分量和縱向分量。若省去時(shí)間因子 ，電場、磁場可表為(1.23a)(1.23b)三.導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 代表橫向電場、橫向磁場的橫向分布矢量函數(shù)； 代表縱向電場、縱向磁場的橫向分布矢量函數(shù)；+ 為沿+z方向傳播波(下面簡稱正向波)的場，常略去“+”。 為沿z方向傳播波(簡稱反向波)的場。 三導(dǎo)波場導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 反向波的場可有以下兩種取法當(dāng)正向波的場用下式(1.25a)證明如下(1.24a)(1.24b)(1.25b)三導(dǎo)波場導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 求證：將正向波場的表達(dá)式(1.24a)和(1.24b)代入麥克斯韋方程的電場旋度

10、方程， ，考慮到約去共同因子 ，展開得(1.24a)(1.24b)三導(dǎo)波場導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 由等式兩端橫向分量和縱向分量分別相等可得(1.26a)同理，將式(1.24a)和(1.24b)代入麥克斯韋方程的磁場旋度方程可得(1.26b)(1.27a)(1.27b)三導(dǎo)波場導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 (1.26)和(1.27)中 前要變號(hào)(由-變?yōu)?)。為使等式成立 (1.25a)(1.25b) 對于正向波，取式(1.26a) 將導(dǎo)波場分解為橫向分量和縱向分量兩部分后，根據(jù)麥克斯韋方程還可導(dǎo)出橫向分量與縱向分量之間更明確的關(guān)系式。按照這些關(guān)系式，便可以由縱向分量求得橫向分量，也可以由橫向

11、分量求得縱向分量。下面將導(dǎo)出這樣的關(guān)系式。(1.26a)式中 利用矢量微分公式得因?yàn)?是常矢量(單位矢量)，故 ,式(1.26a)變?yōu)槿龑?dǎo)波場導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 用 (1.28)與 (1.29)相加可以消去 項(xiàng)，得 即(1.28)(1.29)同理式(1.27a)可變?yōu)?1.30)三導(dǎo)波場導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 (1.27a)右乘利用矢量代數(shù)公式式(1.30)右端第一項(xiàng)為(1.31)(1.30)式(1.30)左端第一項(xiàng)為考慮到， ， ，于是式(1.30)變?yōu)榧慈龑?dǎo)波場導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 同理可得(1.32)式(1.31)和(1.32)便是由場的縱向分量表示橫向分量的式子。當(dāng)然，也可導(dǎo)出由橫向分量表示縱向分量的式子。 (1.31)三導(dǎo)波場導(dǎo)波場的橫向分量與縱向分量 作業(yè)11.什么是導(dǎo)波系統(tǒng)和導(dǎo)波，導(dǎo)波系統(tǒng)的基本功能和功用有哪些？2.常將導(dǎo)波系統(tǒng)分成哪三類？每類導(dǎo)波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)波的特點(diǎn)是什么？(單導(dǎo)體還是多導(dǎo)體系統(tǒng)，如何傳播，傳輸?shù)氖呛畏N波)3.導(dǎo)波系統(tǒng)中電磁波在橫方向上運(yùn)動(dòng)與在縱方向上的運(yùn)動(dòng)有何不同？導(dǎo)波的縱向傳播特點(diǎn)與導(dǎo)波的橫向分布有無