第九導(dǎo)行電磁波演示文稿

第九導(dǎo)行電磁波演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一優(yōu)選第九導(dǎo)行電磁波現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一解給定的電場(chǎng)強(qiáng)度可改寫為

可見，平面波的傳播方向位于xy

平面內(nèi)，因此波面平行于z

軸。由于場(chǎng)強(qiáng)振幅與z有關(guān)，因此，它是一種非均勻平面波。根據(jù)上式求得傳播常數(shù)、波長(zhǎng)、頻率分別為

現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一xyzk波面因?yàn)?，求?/p>

因電場(chǎng)強(qiáng)度的x

分量與y

分量構(gòu)成線極化波，它與z

分量合成后形成橢圓極化波。由于分量比Ez

分量的相位滯后，因此合成矢量形成的橢圓極化波是右旋的。

(Ex+Ey)(Ex+Ey+Ez)Ez現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一xyzkWavefront(Ex+Ey)(Ex+Ey+Ez)Ez現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一例設(shè)區(qū)域中理想介質(zhì)參數(shù)為；區(qū)域中理想介質(zhì)的參數(shù)為。若入射波的電場(chǎng)強(qiáng)度為試求：①平面波的頻率；②反射角與折射角；

③反射波與折射波。

yirt1

12

2zx現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一解入射波可以分解為垂直極化波與平行極化波兩部分之和，即其中已知

求得yirt1

12

2zx現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一由，得那么現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一反射波的電場(chǎng)強(qiáng)度為，其中折射波的電場(chǎng)強(qiáng)度為，其中

注意，上述計(jì)算中應(yīng)特別注意反射波及折射波的傳播方向和極化方向的變化情況?，F(xiàn)在是9頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一電磁波的應(yīng)用無(wú)論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防工業(yè)、以及日常生活方面，電磁波都獲得廣泛的應(yīng)用。前已指出，處于信息時(shí)代的今天，從嬰兒監(jiān)控器到各種遙控設(shè)備、從雷達(dá)到微波爐、從地面廣播和電視到太空衛(wèi)星廣播和電視、從地面移動(dòng)通信到宇宙星際通信、從室外無(wú)線局域網(wǎng)到室內(nèi)藍(lán)牙技術(shù)、以及全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)等信息技術(shù)，無(wú)不利用電磁波作為信息載體。無(wú)線信息高速公路更使人們能在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間同任何人取得聯(lián)系。在附錄中也簡(jiǎn)述了各波段電磁波的應(yīng)用，下面從電磁波特性的角度介紹幾個(gè)方面的典型應(yīng)用?，F(xiàn)在是12頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一1，縮波效應(yīng)的應(yīng)用已知電磁波的頻率是由波源決定的，但是波長(zhǎng)與介質(zhì)參數(shù)有關(guān)。由于介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)總是大于1，而大多數(shù)介質(zhì)的磁導(dǎo)率又接近1，因此電磁波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)比真空中的波長(zhǎng)短，這種現(xiàn)象稱為縮波效應(yīng)。介電常數(shù)越大，或磁導(dǎo)率越高，這種縮波效應(yīng)愈加顯著。第九章將要介紹微帶傳輸線是由介質(zhì)基片支撐的，電磁波主要集中在基片中傳播。介質(zhì)基片的介電常數(shù)越大，其內(nèi)電磁波的波長(zhǎng)越短。微波集成電路即是利用光刻技術(shù)制成的微帶電路，通常使用陶瓷作為基片，相對(duì)介電常數(shù)高達(dá)100的陶瓷基片已經(jīng)問(wèn)世。這樣的陶瓷基片意味著可使電磁波的波長(zhǎng)縮短十分之一，因此大大減小了設(shè)備的尺寸。尺寸小、重量輕對(duì)于航天及軍用設(shè)備尤為重要。此外，廣泛應(yīng)用的微帶天線，也可利用這種縮波效應(yīng)減小天線的尺寸，這是當(dāng)前減小天線尺寸的行之有效的措施。埋入地中或水中的天線也可利用縮波效應(yīng)減小天線尺寸。現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一2，吸波效應(yīng)的應(yīng)用當(dāng)電磁波在有耗介質(zhì)中傳播時(shí)，與介質(zhì)相互作用后，電磁能量將會(huì)丟失，這種現(xiàn)象稱為吸波效應(yīng)。隱形飛行器的隱形功能來(lái)自兩個(gè)方面：85%依靠外形設(shè)計(jì)，15%依靠涂敷在表面的能夠吸收電磁波的吸波材料。一架外形設(shè)計(jì)合理，表面涂復(fù)優(yōu)良吸波材料的隱形飛機(jī)，其雷達(dá)散射截面僅為0.01m2左右。也就是說(shuō)，雖然隱形戰(zhàn)斗機(jī)體積龐大，但在雷達(dá)看來(lái)，僅相當(dāng)于一只老鷹。為了提高吸收效果，這種吸波材料通常由很多層電磁參數(shù)不同的有耗介質(zhì)組成，而且這種損耗包括導(dǎo)電損耗、極化損耗以及磁化損耗。理論分析表明，當(dāng)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部之比等于磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部之比時(shí)，吸收作用達(dá)到最強(qiáng)。但是任何吸波材料都具有一定的頻率特性，僅在某些頻段內(nèi)性能較好。如果雷達(dá)能夠發(fā)出一個(gè)寬度很窄，因而頻帶很寬的電磁脈沖，那么即可接收到隱形飛行器反射的微弱的回波，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，所以超寬頻帶的電磁脈沖雷達(dá)是反隱形技術(shù)的重要手段之一。但是天線的頻帶通常是有限的，電磁脈沖通過(guò)天線后將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重失真，損失大部分功率。用于天線測(cè)量的微波暗室采用吸波材料制成墻壁、頂面和地面，以便消除四壁對(duì)于電磁波的反射，將有限的房間變成無(wú)限大的空間。這種吸波裝置通常是在尖劈狀的泡沫中浸注吸波材料，但是吸收效果仍具有一定的頻率特性。頻率越低，所需的尖劈長(zhǎng)度越長(zhǎng)，暗室的體積也應(yīng)越大。為了測(cè)試飛機(jī)的抗電磁干擾的性能，暗室的尺寸必須能夠容納一架戰(zhàn)斗機(jī)。此外，微波暗室應(yīng)具有良好的電磁屏蔽性能，以防室外電磁信號(hào)的干擾，同時(shí)也可防止室內(nèi)強(qiáng)大的測(cè)試電磁脈沖對(duì)于外界的干擾。由于電磁波在良導(dǎo)體中會(huì)遭到強(qiáng)烈地吸收，形成集膚效應(yīng)。因此，對(duì)于金屬制成的微波傳輸線，為了減少損耗，僅需表面涂敷貴重的銀或金即可。現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一3，透波效應(yīng)的應(yīng)用透波效應(yīng)是指電磁波穿透介質(zhì)的能力。典型的工程實(shí)例是用于保護(hù)天線的天線罩。天線罩的作用是保護(hù)天線不受外界環(huán)境的干擾，但是能讓電磁波順利通過(guò)。因此天線罩必須具有良好的透波性能。根據(jù)平面波在多層介質(zhì)中的傳播特性獲知，當(dāng)介質(zhì)板的厚度等于工作波長(zhǎng)的半波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)，具有該波長(zhǎng)的電磁波可以垂直順利通過(guò)這種介質(zhì)板。因此，天線罩的厚度通常是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。但是，顯然這種半波長(zhǎng)厚度的天線罩工作頻帶很窄。如果介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)等于相對(duì)磁導(dǎo)率，那么這種介質(zhì)的波阻抗等于真空的波阻抗，因此任何電磁波向這種介質(zhì)板垂直投射時(shí)，在邊界上不會(huì)發(fā)生任何反射。所以使用這種介質(zhì)板制成的天線罩，具有很寬的工作頻帶。但是，通常介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率達(dá)到同一數(shù)量級(jí)是十分困難的。近來(lái)研發(fā)的新型磁性材料可以在某些頻段內(nèi)滿足這個(gè)要求。一種合成介質(zhì)是在介質(zhì)中按照一定規(guī)律放置一些具有一定形狀的金屬體，這種人工合成介質(zhì)具有一定的頻率選擇性，即僅讓某些頻率的電磁波能夠通過(guò)，因此相當(dāng)于一個(gè)空間帶通濾波器。這種片狀的人工合成介質(zhì)又稱為頻率選擇表面，可作為戰(zhàn)斗機(jī)的天線罩，其頻率特性是僅讓我方雷達(dá)波順利通過(guò)，而對(duì)敵方的雷達(dá)波產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收?，F(xiàn)在是16頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一4，極化特性的應(yīng)用電磁波在介質(zhì)中的傳播特性與其極化特性密切相關(guān)，電磁波的極化特性獲得非常廣泛的實(shí)際應(yīng)用。圓極化雷達(dá)通常號(hào)稱全天候雷達(dá)，無(wú)論雨霧冰雪天氣均能正常工作。由于地球重力的影響，雨滴通常變?yōu)闄E球形狀。當(dāng)電磁波穿過(guò)雨區(qū)時(shí)，如果線極化平面波的極化方向，即電場(chǎng)方向與雨滴橢球的長(zhǎng)軸一致時(shí)，在雨滴中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這種不可逆的能量轉(zhuǎn)換使電磁波受到強(qiáng)烈的衰減。所以線極化雷達(dá)通常在雨季不能很好地工作。已知圓極化電磁波的電場(chǎng)方向不斷地旋轉(zhuǎn)，因此不可能始終與橢球雨滴的長(zhǎng)軸一致。當(dāng)電場(chǎng)方向垂直與橢球雨滴的長(zhǎng)軸時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，因而電磁波不會(huì)受到衰減。因此圓極化雷達(dá)穿過(guò)雨區(qū)時(shí)不會(huì)遭受強(qiáng)烈地吸收。在無(wú)線通信中，為了達(dá)到最佳的接收狀態(tài)，接收天線的極化特性必須和被接收的電磁波極化特性完全一致，否則不能接收或只能接收部分能量。接收天線的極化特性和被接收的電磁波極化特性完全一致的狀態(tài)稱為極化匹配。所以，極化匹配對(duì)于無(wú)線通信鏈路是非常重要的。當(dāng)然，如果為了避免信號(hào)串?dāng)_，應(yīng)該使用不同的極化特性。例如在微波中繼通信鏈路中，由于后繼微波站均位于前方，為了避免站間串?dāng)_，通信頻率及電磁波極化特性均應(yīng)逐站變更。由于鉛垂極化電磁波沿地面?zhèn)鞑r(shí)，其衰減系數(shù)小于水平極化電磁波，因此來(lái)自地面的遠(yuǎn)處工業(yè)電磁干擾主要成分是鉛垂極化。所以電視廣播臺(tái)發(fā)射水平極化電磁波，接收者使用水平接收天線可以抑制地面的電磁干擾，提高信噪比。當(dāng)電視臺(tái)的信號(hào)到達(dá)室內(nèi)時(shí)，經(jīng)過(guò)多次反射后，其極化方向很難確定。所以室內(nèi)接收電視信號(hào)時(shí)，需要不斷地旋轉(zhuǎn)線狀天線，以使導(dǎo)線的方向盡量與到達(dá)波的極化方向一致，產(chǎn)生較強(qiáng)的感應(yīng)電流，提高接收效果?，F(xiàn)在是17頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一在移動(dòng)衛(wèi)星通信和移動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星姿態(tài)不斷變化，收發(fā)天線均應(yīng)采用圓極化天線，以保證通信鏈路在任何時(shí)刻均能可靠地暢通。在移動(dòng)通信和微波通信中，通常信號(hào)很弱，而且信號(hào)的電平隨機(jī)起伏變化。但是實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)電平隨機(jī)變化的統(tǒng)計(jì)特性與電磁波的極化特性有關(guān)。兩種極化方向相互正交的電磁波，其信號(hào)電平隨機(jī)變化的統(tǒng)計(jì)特性不相關(guān)。因此可以發(fā)射兩種極化方向相互正交的電磁波攜帶同一信號(hào)，由于其信號(hào)電平隨機(jī)變化的統(tǒng)計(jì)特性不相關(guān)，它們?cè)诮邮拯c(diǎn)會(huì)相互補(bǔ)償，從而保證接收電平穩(wěn)定。這就是所謂“極化分集”技術(shù)。此外，電磁波的極化特性在微波器件中也獲得廣泛利用，例如鐵氧體環(huán)行器及單向器等。這些器件利用鐵氧體在恒定磁場(chǎng)的作用下，顯示的磁各向異性的特點(diǎn)，導(dǎo)致電磁波的極化方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成單向傳輸。在微波信號(hào)源與負(fù)載之間放置一個(gè)單向器，即可消除由于負(fù)載不匹配形成的反射波對(duì)于信號(hào)源的影響。光波也是一種電磁波，與一般電磁波不同的是，自然光的極化方向是隨機(jī)的。光學(xué)中將電磁波的極化特性稱為偏振特性，所以光波通常是無(wú)偏振的。為了獲得偏振光，必須采取一些特殊方法。最簡(jiǎn)單的方法是讓無(wú)偏振光通過(guò)具有一定偏振特性的濾光片，即可獲得偏振光。只有當(dāng)偏振光的偏振方向與偏振片的偏振方向一致時(shí)，才能順利通過(guò)。光波的偏振特性同樣也有廣泛應(yīng)用。立體電影即是利用了偏振光產(chǎn)生的立體效果。拍攝時(shí)使用兩個(gè)偏振方向相互垂直的鏡頭從不同的角度取景，放映時(shí)只要觀眾佩帶一副左右相互垂直的偏振鏡片，即能看到立體畫面。具有一定偏振特性的偏振片在攝影中獲得應(yīng)用。由于太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣散射后具有一定的偏振特性，旋轉(zhuǎn)加在照相機(jī)鏡頭前的偏振片，即可減弱藍(lán)天的亮度，從而增加藍(lán)天和白云的對(duì)比度，其效果比黃色濾光片更為顯著。此外，由于光波通過(guò)霧氣或穿過(guò)玻璃后均會(huì)具有一定的偏振特性，因此使用偏振片攝影，可以消除霧氣的散射光及玻璃的反射光，從而提高霧中景物和玻璃櫥中文物的清晰度?，F(xiàn)在是18頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一5，反射特性的應(yīng)用電磁波在邊界上發(fā)生的反射和折射現(xiàn)象十分普遍，電波傳播和光學(xué)工程中經(jīng)常必須研究這個(gè)問(wèn)題。這里首先介紹反射規(guī)律對(duì)于隱形飛機(jī)的應(yīng)用。我們已知，雷達(dá)是靠直接的反向回波發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的。如果目標(biāo)的表面與到達(dá)的電磁波方向垂直，反向回波恰好回到雷達(dá)站。如果目標(biāo)的表面與電磁波的到達(dá)方向之間的夾角很小，也就是入射角很大時(shí)，那么雷達(dá)回波即被反射到前方，雷達(dá)站接收不到目標(biāo)的回波。眾所周知，為了減少空氣阻力，飛行體的外殼應(yīng)為圓滑的流線型。但是這種圓滑形外殼，其表面大部分與雷達(dá)波的到達(dá)方向垂直，因此雷達(dá)很容易發(fā)現(xiàn)，對(duì)于隱形飛行器十分不利。隱形飛機(jī)為了避免雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，機(jī)身下部做成平板形狀，美軍B2隱形轟炸機(jī)和F117隱形戰(zhàn)斗機(jī)的底部都是平板形狀，當(dāng)雷達(dá)波到達(dá)底部時(shí)均被反射到前方。因此，收發(fā)設(shè)備同處一地的單站無(wú)法接收這種回波。如果將雷達(dá)站的收發(fā)設(shè)備分處兩地，即有可能收到這種回波，這就形成雙站雷達(dá)。所以，雙站雷達(dá)是有效的反隱身技術(shù)之一。由此可見，一架性能優(yōu)越的隱形飛機(jī)的設(shè)計(jì)必須依靠流體力學(xué)家和電磁學(xué)家的共同合作才能完成。微波中繼通信中，利用金屬板反射電磁波的特性，可以裝置一個(gè)無(wú)人職守的無(wú)源中繼站。這種裝置的作用就像月球或其它不能發(fā)光的星球反射太陽(yáng)光一樣。由于微波的波長(zhǎng)很短，其傳播規(guī)律符合幾何光學(xué)規(guī)律。目前廣泛用于衛(wèi)星通信、衛(wèi)視接收、以及地面微波通信的拋物面天線，其工作原理是利用反射定律將放在拋物面焦點(diǎn)處的饋源發(fā)出的球面波經(jīng)拋物面反射后變成平面波，從而達(dá)到聚焦電磁能量，提高天線方向性的目的。微波透鏡天線通常由透鏡狀的介質(zhì)或人工金屬制成。這種介質(zhì)或人工金屬具有一定的等效介電常數(shù)，利用折射定律將位于焦點(diǎn)的饋源發(fā)出的球面波變成平面波，會(huì)聚電磁能量，形成所需的方向性。現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一6，高功率微波的應(yīng)用家用的微波爐是高功率微波的典型應(yīng)用，其工作頻率約2.45GHz，因?yàn)樵诖祟l率附近水分子最易吸收電磁能量，因而產(chǎn)生最強(qiáng)熱效應(yīng)，所以微波爐只能加熱含有水分的食物。家用的微波爐功率通常低于1kw。工業(yè)用的大功率微波爐用于烘干貨物、木材、以及衣物等。在醫(yī)療設(shè)備中，可以利用微波電磁脈沖在人體肌肉組織中產(chǎn)生的熱效應(yīng)殺死癌細(xì)胞，這就是微波治癌技術(shù)。微波醫(yī)療可以治愈冠心病、前列腺肥大、耳道炎、肩周炎以及慢性骨髓炎等。所謂電磁炸彈即是高功率的微波束或激光束。頻率為95GHz的微波束能在5分鐘以內(nèi)使人體發(fā)熱，造成難以忍受的疼痛。現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一電磁波的應(yīng)用(Application)現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一第九章導(dǎo)行電磁波主要內(nèi)容

幾種常用的導(dǎo)波系統(tǒng)，矩形波導(dǎo)傳播特性，圓波導(dǎo)傳播特性，諧振腔，同軸線。1.

TEM波、TE波及TM波2.

矩形波導(dǎo)傳播特性3.

矩形波導(dǎo)中TE10波4.

電磁波的群速5.

圓波導(dǎo)傳播特性 6.

波導(dǎo)傳輸功率和損耗7.

諧振腔8.

同軸線現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一沿一定的路徑傳播的電磁波稱為導(dǎo)行電磁波，傳輸導(dǎo)行波的系統(tǒng)稱為導(dǎo)波系統(tǒng)。

常用的導(dǎo)波系統(tǒng)有雙導(dǎo)線、同軸線、帶狀線、微帶、金屬波導(dǎo)等。本章僅介紹同軸線和金屬波導(dǎo)。尤其是矩形金屬波導(dǎo)的傳播特性?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一帶狀線雙導(dǎo)線矩形波導(dǎo)微帶介質(zhì)波導(dǎo)光纖同軸線圓波導(dǎo)幾種常用導(dǎo)波系統(tǒng)的示意圖現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一1.TEM波、TE波及TM波

TEM波、TE波及TM波的結(jié)構(gòu)。

TEM波EHSTE波EHSTM波EHS可以證明，能夠建立靜電場(chǎng)的導(dǎo)波系統(tǒng)必然能夠傳輸TEM波。

根據(jù)麥克斯韋方程也可說(shuō)明金屬波導(dǎo)不能傳輸TEM波?，F(xiàn)在是26頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一名稱波型電磁屏蔽使用波段雙導(dǎo)線

TEM波差>3m同軸線

TEM波好>10cm帶狀線

TEM波差厘米波微帶準(zhǔn)TEM波差厘米波矩形波導(dǎo)

TE或TM波好厘米波、毫米波圓波導(dǎo)

TE或TM波好厘米波、毫米波光纖

TE或TM波差光波幾種常用導(dǎo)波系統(tǒng)的主要特性現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一根據(jù)導(dǎo)波系統(tǒng)橫截面的形狀選取直角坐標(biāo)系或者圓柱坐標(biāo)系，且令其沿z

軸放置，傳播方向?yàn)檎齴

方向。且滿足下列矢量亥姆霍茲方程

以直角坐標(biāo)系為例，則電場(chǎng)與磁場(chǎng)可以分別表示為azyxb

,現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一上式包含了六個(gè)直角坐標(biāo)分量，其中Ex,Ey,Hx,Hy

被稱為橫向場(chǎng)量，Ez,Hz

被稱為縱向場(chǎng)量。他們分別滿足標(biāo)量齊次亥姆霍茲方程。現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一根據(jù)導(dǎo)波系統(tǒng)的邊界條件，利用分離變量法即可求解這些方程?，F(xiàn)在是30頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一

FromMaxwell’sequations,wecanfindtherelationshipsbetweenthe

x-component

orthe

y-component

andthe

z-component

as現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一上式包含了及6個(gè)直角坐標(biāo)分量，分別滿足齊次標(biāo)量亥姆霍茲方程?？梢宰C明，x

和y

分量與z分量的關(guān)系為

式中只要求出z

分量，其余分量即可求出。

z分量為縱向分量，因此這種方法又稱為縱向場(chǎng)法?，F(xiàn)在是32頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一對(duì)于圓波導(dǎo)，選擇圓柱坐標(biāo)系，r和橫向分量可用z

縱向分量表示為現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一2.矩形波導(dǎo)傳播特性

矩形波導(dǎo)如圖示，寬壁的內(nèi)尺寸為a

，窄壁的內(nèi)尺寸為b。

azyxb

,已知金屬波導(dǎo)只能傳輸TE波及TM波，若僅傳輸TM波，則Hz=0

。按照縱向場(chǎng)法，此時(shí)僅需求出Ez

分量，然后即可計(jì)算其余各個(gè)分量。

現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一Ez滿足的齊次標(biāo)量亥姆霍茲方程為考慮到，其振輻也應(yīng)滿足上述方程。已知電場(chǎng)強(qiáng)度的z

分量可以表示為即現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一采用分離變量法求解上述方程。得式中X表示X

對(duì)x

的二階導(dǎo)數(shù)，Y表示Y

對(duì)y

的二階導(dǎo)數(shù)。令式中的第二項(xiàng)僅為y

函數(shù)，而右端為常數(shù)，因此，若對(duì)x

求導(dǎo)，得知左端第一項(xiàng)應(yīng)為常數(shù)。若對(duì)y

求導(dǎo)，獲知第二項(xiàng)應(yīng)為常數(shù)?，F(xiàn)在是36頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一令

式中kx

和ky

稱為分離常數(shù)。顯然兩個(gè)常微分方程的通解分別為式中常數(shù)C1

，C2

，

C3，

C4

取決于導(dǎo)波系統(tǒng)的邊界條件?，F(xiàn)在是37頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一wherealltheconstants

C1,C2,C3,C4,and

kx,ky,dependontheboundaryconditions.

Thetwoequationsaresecondorderordinarydifferentialequations,andthegeneralsolutions,arerespectively

The

z-componentoftheelectricfieldintensitycanbewrittenasBoundaryconditions:azyxb

,現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一那么矩形波導(dǎo)中TM波的各個(gè)分量為現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一

1，相位僅與變量

z

有關(guān)，而振幅與x,y

有關(guān)。因此，在z

方向上為行波，在x

及y

方向上形成駐波。

2，z

等于常數(shù)的平面為波面。但振輻與x,y

有關(guān)，因此上述TM波為非均勻的平面波。

3，當(dāng)m

或

n

為零時(shí)，上述各個(gè)分量均為零，因此m

及n

應(yīng)為非零的整數(shù)。m為寬壁上的半個(gè)駐波的數(shù)目，n為窄壁上半個(gè)駐波的數(shù)目。

4，由于m

及n為多值，因此場(chǎng)結(jié)構(gòu)均具有多種模式。

m

及n

的每一種組合構(gòu)成一種模式，以TMmn表示。例如TM11表示m=1,

n=1

的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，具有這種場(chǎng)結(jié)構(gòu)的波稱為TM11波。

5，大的m及n

模式稱為高次模，小的稱為低次模。由于m

及n

均不為零，故矩形波導(dǎo)中TM波的最低模式是TM11波。現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一

Similarly,wecanderiveallthecomponentsofa

TEwave

intherectangularwaveguide,asgivenbywhere,butbothshouldnotbezero

atthesametime.

TEwavehasthe

multi-mode

characteristicsasthe

TM

wave.

The

lowest

ordermodeofTEwaveisthe

TE01

orTE10

wave.Boundaryconditions:現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一TE波式中，但兩者不能同時(shí)為零。

與TM波一樣，TE波也具有多模特性，但是m及n不能同時(shí)為零。因此，TE波的最低模式為TE01波或TE10波?，F(xiàn)在是43頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一已知，即。若，則，意味波的傳播被截止，因此，稱為截止傳播常數(shù)。截止傳播常數(shù)和截止頻率由求出對(duì)應(yīng)于截止傳播常數(shù)的截止頻率。即現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一傳播常數(shù)當(dāng)時(shí)，為實(shí)數(shù)，因子代表向正z

方向傳播的波。當(dāng)時(shí)，為虛數(shù)，因子對(duì)于一定的模式和波導(dǎo)尺寸來(lái)說(shuō)，fc

是能夠傳輸該模式的最低頻率，波導(dǎo)相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器。表明電磁場(chǎng)沒(méi)有傳播，而是沿正z

方向不斷衰減的凋落場(chǎng)。現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一由，求得對(duì)應(yīng)于截止傳播常數(shù)的截止波長(zhǎng)為截止波長(zhǎng)截止頻率和截止波長(zhǎng)均與波導(dǎo)尺寸

a,b

及模式m,n

有關(guān)。波導(dǎo)尺寸為時(shí)，各種模式的截止波長(zhǎng)分布如圖。TM11TE01TE20TE100a2ac模次越高，截止頻率越高，截止波長(zhǎng)越短。現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一TE10波為矩形波導(dǎo)中的常用模式或稱為主模。截止區(qū)TM11TE01TE20TE100a2ac當(dāng)時(shí)，只有TE10波存在，其它模式被截止。當(dāng)時(shí)，才有其它模式出現(xiàn)。若工作波長(zhǎng)滿足，即可實(shí)現(xiàn)單模傳輸，單模傳輸?shù)奈┮荒Ｊ骄褪荰E10波。通常取，以便在波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)TE10波單模傳輸。當(dāng)時(shí)，全部模式被截止?，F(xiàn)在是47頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一窄壁尺寸的下限取決于傳輸功率，容許的波導(dǎo)衰減以及重量等。國(guó)際上對(duì)于各波段使用的波導(dǎo)尺寸已有統(tǒng)一規(guī)定。可見，當(dāng)工作波長(zhǎng)增加時(shí)，為保證單模傳輸，波導(dǎo)的尺寸必須相應(yīng)地加大。因此，實(shí)際中金屬波導(dǎo)適用于3000MHz以上的微波波段。工程上常取左右，或。將可獲知，窄壁減小會(huì)使傳輸衰減增大。為了保證僅傳輸TE10波，應(yīng)該滿足下列不等式現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一矩形波導(dǎo)的相速為式中。對(duì)于真空波導(dǎo)，。波導(dǎo)尺寸及模式不同，其相速也不同。波導(dǎo)中的相速與頻率有關(guān)。因此，電磁波在波導(dǎo)中傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)色散現(xiàn)象。已知，，求得真空波導(dǎo)中。波導(dǎo)中的相速不能代表能速。現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一矩形波導(dǎo)中電磁波的波長(zhǎng)為

式中為工作波長(zhǎng)。稱為波導(dǎo)波長(zhǎng)。已知，，故。波導(dǎo)中的橫向電場(chǎng)與磁場(chǎng)之比稱為波導(dǎo)波阻抗。求得對(duì)于TM波，其波阻抗為現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一同理可得，TE波的波阻抗為可見，當(dāng)，時(shí)，及均為虛數(shù)，表明橫向電場(chǎng)與橫向磁場(chǎng)相位相差，因此，沿z

方向沒(méi)有能量單向流動(dòng)，這就表明電磁波的傳播被截止。現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一例某一內(nèi)部為真空的矩形金屬波導(dǎo)，其截面尺寸為25mm10mm

，當(dāng)頻率的電磁波進(jìn)入波導(dǎo)中以后，該波導(dǎo)能夠傳輸?shù)哪Ｊ绞鞘裁?？?dāng)波導(dǎo)中填充介電常數(shù)的理想介質(zhì)后，能夠傳輸?shù)哪Ｊ接袩o(wú)改變？

解當(dāng)內(nèi)部為真空時(shí)，工作波長(zhǎng)為截止波長(zhǎng)為現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一若填充的理想介質(zhì)，則工作波長(zhǎng)為因此，除TE10波及TE20波外，還可傳輸其它模式。計(jì)算表明，TE01，TE30，TE11，TM11，TE21，TM21等模式均可傳輸。因?yàn)?，，更高次模的截止波長(zhǎng)更短，可見，當(dāng)該波導(dǎo)中為真空時(shí)，僅能傳輸?shù)哪Ｊ綖門E10波。

現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一TEMwaveEHesTEwaveEHesTMwaveEHes橫向場(chǎng)量縱向場(chǎng)量1.

TEM波、TE波及TM波小結(jié)現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一分離變量法azyxb

,縱向場(chǎng)量法2.

矩形波導(dǎo)傳播特性現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一TMwaveTEwavem和n都不能為零；m和n可以為零，但不能同時(shí)為零；現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一已知，即。截止傳播常數(shù)、截止頻率和截止波長(zhǎng)若，則，意味波的傳播被截止，因此，稱為截止傳播常數(shù)?，F(xiàn)在是57頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一波導(dǎo)中的相速度、波長(zhǎng)和波阻抗現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一

Example.

Arectangularwave-guideisfilledwithdielectric(perfect)medium(r=1,r=9),.andoperatesatafrequency

3GHz.Ifthedimensionsofthewave-guideis

a=2cmandb=1cmSolution：Showthatthe

canpropagateatthisfrequency

m/s

Sothe

canpropagateatthisfrequencyinthewaveguide.現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一(2)Determinephaseconstant:

rad/m

(3)Determinewaveimpedance現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一(4)Determinethephasevelocity(5)Determinetheenergyvelocity現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一homeworkThankyou!Bye-bye!答疑安排時(shí)間：?地點(diǎn)：1401，1403P293-294：9-4;9-12（試求截止頻率、波導(dǎo)波長(zhǎng)、相速度、波阻抗）;

現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一3.矩形波導(dǎo)中TE10波

令，求得TE10波方程為其余分量為零對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)值為現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一yHxEyHzxagHzHxEyzyt=0沿x方向?yàn)轳v波，沿z

方向?yàn)樾胁ā?/p>

Hz的振輻沿x

按余弦分布，Hx

及Ez的振幅沿

x

按正弦分布，但是其振幅均與y

無(wú)關(guān)。上式可簡(jiǎn)化為式中A，B，C為正實(shí)數(shù)?，F(xiàn)在是64頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一xzyxyzgba磁場(chǎng)線電場(chǎng)線zyx內(nèi)壁電流gHzHxEyzyyHxEyHzxa現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一幾種高次模的場(chǎng)分布TE10TE11TE20TE21TM21TM11磁場(chǎng)線電場(chǎng)線現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一令m=1,n=0，求得TE10波的截止波長(zhǎng)為可見，TE10波的截止波長(zhǎng)與窄壁尺寸無(wú)關(guān)。

根據(jù)，求得為了說(shuō)明TE10波的、及的物理意義以及它們之間關(guān)系，將電場(chǎng)分量Ey改寫為

現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一上式可以看成是傳播常數(shù)為k

，但傳播方向不同的兩個(gè)均勻平面波。xza①②當(dāng)時(shí)，。那么，該均勻平面波在兩個(gè)窄壁之間垂直來(lái)回反射。因此，無(wú)法傳播而被截止。

利用三角公式，上式改寫為兩個(gè)均勻平面波又可合并為在兩個(gè)窄壁之間來(lái)回反射的一個(gè)均勻平面波?，F(xiàn)在是68頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一兩個(gè)平面波的波峰相遇處形成合成波的波峰，波谷相遇處形成合成波的波谷。實(shí)線表示平面波①的波峰，虛線表示平面波②的波峰。xzaABCD若波導(dǎo)為真空，則AC長(zhǎng)度等于真空中波長(zhǎng)。線段AB長(zhǎng)度等于波導(dǎo)波長(zhǎng)，AC長(zhǎng)度等于工作波長(zhǎng)。②①由圖得現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一平面波①由A

至C

的相位變化為2

，而合成波的空間相位變化2時(shí)經(jīng)過(guò)距離為AB?？梢?，合成波的相速大于均勻平面波的相速。

再?gòu)哪芰總鞑?lái)看，當(dāng)平面波①的能量由A傳播到C時(shí)，就傳播方向z而言，此能量傳輸?shù)木嚯x僅為AD長(zhǎng)度，可見波導(dǎo)中能速小于均勻平面波的能速。由圖求出由圖求出xzaABCD②①現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一例若內(nèi)充空氣的矩形波導(dǎo)尺寸為，工作頻率為3GHz。如果要求工作頻率至少高于主模TE10波的截止頻率的20%，且至少低于TE01波的截止頻率的20%。試求：①波導(dǎo)尺寸a及b；②根據(jù)所設(shè)計(jì)的波導(dǎo)，計(jì)算工作波長(zhǎng)，相速，波導(dǎo)波長(zhǎng)及波阻抗。解

①

TE10波的截止波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的截止頻率為TE01波，對(duì)應(yīng)的截止頻率。求得，，取，。題意要求現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一

②工作波長(zhǎng)，相速，波導(dǎo)波長(zhǎng)及波阻抗分別為

現(xiàn)在是72頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一4.電磁波的群速相速無(wú)法描述含有多種頻率分量的電磁波在色散介質(zhì)中的傳播速度。本節(jié)介紹的群速，將可用來(lái)描述窄帶信號(hào)在色散介質(zhì)中的傳播特性。設(shè)電磁波僅具有兩個(gè)頻率非常接近的頻率分量為其合成信號(hào)為式中現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一

由于，，因而在一個(gè)足夠小的時(shí)間間隔內(nèi)，上式中的第一個(gè)余弦項(xiàng)尚未發(fā)生明顯變化時(shí)，第二個(gè)余弦項(xiàng)已經(jīng)歷了幾個(gè)周期的變化，所以代表載頻，代表調(diào)制頻率。若介質(zhì)是非色散的，波包隨載波一起運(yùn)動(dòng)，載波及波包都保持正弦波形。波包的移動(dòng)速度稱為群速，以表示。這是一個(gè)幅度變化緩慢的調(diào)幅信號(hào)。由，求得群速為現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一對(duì)于非色散介質(zhì)，k與的關(guān)系是線性的，因此，求得群速為

再由，求得載波相速為已知非色散介質(zhì)中，，得可見，非色散介質(zhì)中現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一對(duì)于色散介質(zhì)，對(duì)于給定的頻率，可將k作為頻率

的函數(shù)在附近展開為泰勒級(jí)數(shù)，即對(duì)于窄帶信號(hào)，僅取前兩項(xiàng)，即且可認(rèn)為，得由于色散介質(zhì)的k與

的關(guān)系是非線性的，不同的載波頻率，其群速不同。群速不再等于相速。

現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一載波以相速傳播，波包以群速傳播。為波包等相位點(diǎn)，P

為載波等相位點(diǎn)。當(dāng)P

點(diǎn)位移為d

時(shí)，由于波包速度較慢，點(diǎn)僅位移。傳播一段距離后，波包變形，導(dǎo)致信號(hào)失真。

現(xiàn)在是77頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一對(duì)于窄帶信號(hào)，上式應(yīng)為若，則，即無(wú)色散時(shí)相速等于群速。若，則，這種情況稱為正常色散。若，則，這種情況稱為非正常色散。根據(jù)上述關(guān)系，求得現(xiàn)在是78頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一矩形波導(dǎo)的相速，可見電磁波發(fā)生正常色散。

即矩形波導(dǎo)中電磁波的群速等于能速，這是正常色散介質(zhì)的共性。根據(jù)上面結(jié)果，求得矩形波導(dǎo)中電磁波的vp

與vg

滿足下列方程群速當(dāng)電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，電磁波發(fā)生非正常色散。此時(shí)，，上述關(guān)系不再成立。

現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一6.波導(dǎo)傳輸功率與損耗

根據(jù)電場(chǎng)及磁場(chǎng)的橫向分量，算出復(fù)能流密度矢量，將其實(shí)部沿橫截面積分，即可求得傳輸功率。

當(dāng)矩形波導(dǎo)傳輸TE10波時(shí)，求得的傳輸功率為若波導(dǎo)中填充介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為，則矩形波導(dǎo)的最大傳輸功率為為了安全起見，通常取現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一波導(dǎo)壁損耗的嚴(yán)格計(jì)算非常復(fù)雜，通常仍然利用理想導(dǎo)電壁情況下的場(chǎng)強(qiáng)公式計(jì)算波導(dǎo)壁的損耗。設(shè)衰減常數(shù)為，則電場(chǎng)振幅可以表示為傳輸功率可以表示為計(jì)算填充介質(zhì)產(chǎn)生的損耗，僅以有耗介質(zhì)的等效介電常數(shù)代替原來(lái)的介電常數(shù)即可。即波導(dǎo)中的損耗主要來(lái)自填充介質(zhì)和波導(dǎo)壁?，F(xiàn)在是81頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一將上式對(duì)

z求導(dǎo)，得單位長(zhǎng)度內(nèi)的功率衰減為此功率衰減就是單位長(zhǎng)度內(nèi)的功率損耗，即因此，衰減常數(shù)為為了計(jì)算波導(dǎo)壁損耗，在寬壁上取一小塊導(dǎo)體，其長(zhǎng)度及寬度均為單位長(zhǎng)度，深度等于集膚厚度，如圖示。

zy111x現(xiàn)在是82頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一當(dāng)電流為z

方向時(shí)，該小塊導(dǎo)體的電阻為式中為波導(dǎo)壁的電導(dǎo)率，RS稱為表面電阻率。

zy111x單位寬度且單位長(zhǎng)度波導(dǎo)壁內(nèi)的損耗功率為

式中表面電流

為波導(dǎo)壁表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。鋁銅銀RS金屬表面電阻率現(xiàn)在是83頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一當(dāng)矩形波導(dǎo)尺寸一定時(shí)，TE10波的損耗最小。當(dāng)寬壁尺寸一定時(shí)，窄壁愈窄，衰減愈大。

TM11

將沿單位長(zhǎng)度波導(dǎo)內(nèi)壁進(jìn)行積分，即可求得單位長(zhǎng)度內(nèi)波導(dǎo)壁引起的損耗功率。

現(xiàn)在是84頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一由左圖可見，在高頻端，圓波導(dǎo)中TE01波損耗最小。當(dāng)橫截面的面積相等時(shí)，矩形的周長(zhǎng)大于圓的周長(zhǎng)，因此，圓波導(dǎo)損耗較小。但是TE01波的截止波長(zhǎng)并不是最長(zhǎng)。若要實(shí)現(xiàn)TE01波單模傳輸，必須設(shè)法抑制TM01、TE21及TE11波?，F(xiàn)在是85頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一橢圓波導(dǎo)既可避免場(chǎng)型偏轉(zhuǎn)，又可獲得較小的損耗。但是圓波導(dǎo)傳輸TE11波時(shí)，其場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)。為了減少波導(dǎo)壁的損耗，應(yīng)提高表面的光潔度，可以鍍銀或金。還可在波導(dǎo)中充入干燥的惰性氣體以防止表面氧化?，F(xiàn)在是86頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一例計(jì)算矩形波導(dǎo)中傳輸TE10波時(shí)，波導(dǎo)壁產(chǎn)生的衰減。

解已知當(dāng)矩形波導(dǎo)傳輸TE10波時(shí)，波導(dǎo)寬壁上的電流具有x

分量及z

分量，而窄壁上只有y分量。因此，單位長(zhǎng)度內(nèi)，寬壁上的損耗功率為式中單位長(zhǎng)度內(nèi)窄壁上的損耗功率為式中zyx現(xiàn)在是87頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一再算出傳輸功率P，即可求得TE10波衰減常數(shù)為則單位長(zhǎng)度內(nèi)總損耗功率為現(xiàn)在是88頁(yè)\一共有99頁(yè)\編輯于星期一7.諧振腔

微波波段必須使用相應(yīng)波段的傳輸線形成諧振器件，這種諧振器件稱為諧振腔。因?yàn)殡S著頻率升高，必須減小LC

諧振電路的電感