微波技術(shù)基礎(chǔ)課件-第2次課(與“系統(tǒng)”有關(guān)的文檔共25張)

1、微波技術(shù)基礎(chǔ)課件第2次課(與“系統(tǒng)”有關(guān)的文檔共25張)微波技術(shù)基礎(chǔ)課件第2次課(與“系統(tǒng)”有關(guān)的文檔共25張)第1章 導(dǎo)波的一般特性電磁波1.1 導(dǎo)波和導(dǎo)波系統(tǒng)定義 導(dǎo)波在含有不同媒質(zhì)邊界的空間傳播的電磁波； 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。 不同頻段和用途的導(dǎo)波系統(tǒng)低頻段導(dǎo)波系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)兩根平行導(dǎo)線； 缺點(diǎn)隨著信號(hào)頻率升高，導(dǎo)線電阻損耗增大，不能有效引導(dǎo)微波。 自由空間波無界導(dǎo)波有界第二頁，共25頁。第1章 導(dǎo)波的一般特性電磁波自由空間波無界第二頁，共25頁微波頻段導(dǎo)波系統(tǒng) 米波頻段結(jié)構(gòu)改進(jìn)型雙導(dǎo)線即平行雙導(dǎo)體線； 分米波厘米波頻段結(jié)構(gòu)封閉式雙導(dǎo)體導(dǎo)波系統(tǒng)即同

2、軸線； 厘米波毫米波頻段結(jié)構(gòu)柱面金屬波導(dǎo)； 毫米波亞毫米波頻段結(jié)構(gòu)柱面金屬波導(dǎo)、介質(zhì)波導(dǎo)。 導(dǎo)波系統(tǒng)的主要功能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; 第三頁，共25頁。微波頻段導(dǎo)波系統(tǒng)第三頁，共25頁。2）、用以設(shè)計(jì)構(gòu)成各種微波電路元件，如濾波器、阻抗變換器、定向耦合器等。導(dǎo)波系統(tǒng)按導(dǎo)行波分類橫電磁TEM或準(zhǔn)TEM傳輸線 第四頁，共25頁。2）、用以設(shè)計(jì)構(gòu)成各種微波電路元件，如濾波器、阻抗變換器封閉金屬波導(dǎo)表面波波導(dǎo)（或稱開波導(dǎo)） 第五頁，共25頁。封閉金屬波導(dǎo)第五頁，共25頁。導(dǎo)模導(dǎo)行波的模式。又稱傳輸模、正規(guī)模，是能夠沿導(dǎo)行系統(tǒng)獨(dú)立存在的場(chǎng)型。

3、特點(diǎn)： 在導(dǎo)行系統(tǒng)橫截面上的電磁場(chǎng)呈駐波分布，且是完全確定的。這一分布與頻率無關(guān)，并與橫截面在導(dǎo)行系統(tǒng)上的位置無關(guān)； 導(dǎo)模是離散的，具有離散譜，當(dāng)工作頻率一定時(shí)，每個(gè)導(dǎo)模具有唯一的傳播常數(shù)； 導(dǎo)模之間相互正交，彼此獨(dú)立，互不耦合； 具有截止特性，截止條件和截止波長因?qū)邢到y(tǒng)和模式而異。 與之對(duì)應(yīng)的截止模第六頁，共25頁。導(dǎo)模導(dǎo)行波的模式。又稱傳輸模、正規(guī)模，是能夠沿導(dǎo)行系統(tǒng)獨(dú)立規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng) 定義：無限長的筆直導(dǎo)行系統(tǒng)，其截面形狀和尺寸、媒質(zhì)分布情況、結(jié)構(gòu)材料及邊界條件沿軸向均不變化。均直無限長 第七頁，共25頁。規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng) 第七頁，共25頁。1.2 導(dǎo)波的場(chǎng)分析方法 導(dǎo)行波沿規(guī)則波導(dǎo)（a）和

4、雙導(dǎo)體傳輸線（b）的傳輸 圖為均直無限長導(dǎo)行系統(tǒng)。設(shè)媒質(zhì)為各向同性，媒質(zhì)中無源；又設(shè)導(dǎo)行波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)為時(shí)諧場(chǎng)ejwt，它們滿足如下麥克斯韋方程組： 麥克斯韋方程組邊界條件第八頁，共25頁。1.2 導(dǎo)波的場(chǎng)分析方法 導(dǎo)行波沿規(guī)則波導(dǎo)（a）和雙導(dǎo)體傳輸采用廣義柱坐標(biāo)系（u，z），設(shè)導(dǎo)波沿z向（軸向）傳播，微分算符和電場(chǎng)、磁場(chǎng)可以表示成： 第九頁，共25頁。采用廣義柱坐標(biāo)系（u，z），設(shè)導(dǎo)波沿z向（軸向）傳播，第展開后令方程兩邊的橫向分量和縱向分量分別相等 兩邊乘以j 兩邊作運(yùn)算 第十頁，共25頁。展開后令方程兩邊的橫向分量和縱向分量分別相等 兩邊乘以j由、可得：由此兩式消去 ：第十一頁，共25頁

5、。由、可得：由此兩式消去 ：第十一頁，共2同理，由、可得： 重要結(jié)論：規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中，導(dǎo)波場(chǎng)的橫向分量可 由縱向分量完全確定。無界媒質(zhì)中電磁波的傳播常數(shù)第十二頁，共25頁。同理，由、可得： 重要結(jié)論：規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中，導(dǎo)波場(chǎng)的再由出發(fā)：第十三頁，共25頁。再由出發(fā)：第十三頁，共25頁。整理得：既：同理，由可得： 重要結(jié)論：導(dǎo)波的橫向場(chǎng)滿足矢量亥姆霍茲（Helmholtz）的方程。它只有在正交坐標(biāo)系中才能分解為兩個(gè)標(biāo)量亥姆霍茲方程。第十四頁，共25頁。整理得：既：同理，由可得： 重要結(jié)論：導(dǎo)波的橫向場(chǎng)滿足矢再由出發(fā)：第十五頁，共25頁。再由出發(fā)：第十五頁，共25頁。整理得：既：同理，由可得： 重要

6、結(jié)論：規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)波場(chǎng)的縱向分量滿足標(biāo)量亥姆霍茲方程 。第十六頁，共25頁。整理得：既：同理，由可得： 重要結(jié)論：規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)波色散關(guān)系式 縱向場(chǎng)分量可以表示成橫向坐標(biāo)r和縱向坐標(biāo)z的函數(shù)，即代入 第十七頁，共25頁。色散關(guān)系式 縱向場(chǎng)分量可以表示成橫向坐標(biāo)r和縱向坐標(biāo)z的函數(shù)以 求解為例，應(yīng)用分離變量法，令 令左邊第一項(xiàng)等于 令左邊第二項(xiàng)等于 第十八頁，共25頁。以 求解為例，應(yīng)用分離變量法，令 令左邊還可以寫成或者 求解 Kc為截止波數(shù)，為傳播常數(shù)，由衰減常數(shù)和相位常數(shù) 構(gòu)成，= +j。 重要結(jié)論：色散關(guān)系式正向波反向波第十九頁，共25頁。還可以寫成或者 求解 Kc為截止波數(shù)，為傳

7、播常數(shù)，由衰減常本征值方程是導(dǎo)波場(chǎng)的本征值方程（若kc0） kc是此方程在特定邊界條件下的本征值，稱為導(dǎo)波的橫向截止波數(shù)。它與導(dǎo)行系統(tǒng)的截面形狀、尺寸及模式有關(guān)。 廣義柱坐標(biāo)系中的表示式 h1和h2正交坐標(biāo)系的拉梅系數(shù)第二十頁，共25頁。本征值方程是導(dǎo)波場(chǎng)的本征值方程（若kc0） kc是此方程在這樣，規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中沿正z方向傳播的導(dǎo)波縱向場(chǎng)分量可以表示為:橫-縱向場(chǎng)關(guān)系式把 ， 代入到橫向場(chǎng)的表達(dá)式中，并整理得到：第二十一頁，共25頁。這樣，規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中沿正z方向傳播的導(dǎo)波縱向場(chǎng)分量橫-縱向場(chǎng) 重要結(jié)論：橫-縱向場(chǎng)關(guān)系式波阻抗 與波導(dǎo)納第二十二頁，共25頁。 重要結(jié)論：橫-縱向場(chǎng)關(guān)系式波阻抗第二十二頁，共25頁。第二十三頁，共25頁。第二十三頁，共25頁。第二十四頁，共25頁。第二十四頁，共25頁。重要結(jié)論：橫縱向場(chǎng)關(guān)系，將電磁場(chǎng)的三維分量聯(lián)系起來，只要求得縱向分量E0z