微波傳輸線教育課件

微波傳輸線PPT講座1、各類傳輸線的特點（1）平行雙線平行雙線是微波傳輸線的最一般形式。在較低的頻率上使用這種開放的系統(tǒng)是可以的，但是當(dāng)頻率很高，即當(dāng)信號波長與雙導(dǎo)體線截面尺寸以及雙線間距離可比擬時，雙線的輻射損耗急劇增加，傳輸效果明顯變差，因此真正用于微波段的傳輸線多為封閉系統(tǒng)。特點：成本低，安裝方便，多用于電視接收機上的饋線，工作頻率低（2）同軸線

同軸線是一種應(yīng)用非常廣泛的雙線傳輸線，其最大優(yōu)點是外導(dǎo)線圓筒可以完善的屏蔽周圍電磁場對同軸線本身的干擾和同軸線本身傳送信號向周圍空間的泄漏。同時，由于其導(dǎo)電面積比雙線傳輸線大得多，因此降低了導(dǎo)體的熱損耗。但當(dāng)工作頻率升高時，同軸線橫向尺寸要相應(yīng)減小，內(nèi)導(dǎo)體損耗增加，所傳輸?shù)墓β室彩艿较拗啤Ｌ攸c：抗干擾，損耗低，工作頻帶寬，工作頻率較高（3）金屬波導(dǎo)波導(dǎo)是微波傳輸線的一種典型類型，它已不再是普通電路意義上的傳輸線。雖然電磁波在波導(dǎo)中的傳播特性仍然符合本書第二章中關(guān)于傳輸線的概念和規(guī)律，但是深入研究導(dǎo)行電磁波在波導(dǎo)中的存在模式及條件、橫向分布規(guī)律等問題，則必須從場的角度根據(jù)電磁場基本方程來分析研究。特點：損耗小，功率容量大，工作頻帶窄，工作頻率高（4）微帶傳輸線受晶體管印刷電路制作技術(shù)的影響，提出并實現(xiàn)了這種半開放式結(jié)構(gòu)的傳輸線。特點：體積小，重量輕，工作頻帶寬，缺點是損耗大，功率容量小，用于小功率傳輸系統(tǒng)。討論前提：假設(shè)傳輸線是均勻的，不彎曲的，無限長，無損耗3、所傳輸電磁波的模式（波型）（1）TEM波（橫電磁波）：在傳播方向上沒有電場和磁場的分量，即電磁場完全分布在橫截面內(nèi)。（平行雙線、同軸線）（2）TM波（橫磁波/E波/電波）：在傳播方向上只有電場分量而無磁場分量，即磁場完全分布在橫截面內(nèi)。（3）TE波（橫電波/M波/磁波）：在傳播方向上只有磁場分量而無電場分量，即電場完全分布在橫截面內(nèi)。

對于一個傳輸系統(tǒng)來說，由于邊界條件復(fù)雜，或因為頻率以及填充介質(zhì)等原因，可能使電磁場分布情況十分復(fù)雜。但是，不管電磁場分布多么復(fù)雜，我們都可以把它看成是用幾個甚至很多個上述模式的適當(dāng)輻度和相位組合的結(jié)果。因此傳輸系統(tǒng)中可能存在的模式不會超出以上三種類型。當(dāng)然，在條件合適的情況下，傳輸系統(tǒng)中有可能只存在一種具體的模式，這時場分布情況就比較簡單。

導(dǎo)行電磁波的傳輸形態(tài)受導(dǎo)體或介質(zhì)邊界條件的約束，邊界條件和邊界形狀決定了導(dǎo)行波的電磁場分布規(guī)律、存在條件以及傳播特性。常用的金屬波導(dǎo)有矩形波導(dǎo)和圓形波導(dǎo)。3－2矩形波導(dǎo)設(shè)矩形波導(dǎo)的寬邊內(nèi)尺寸為a,窄邊內(nèi)尺寸為b,并建立如圖3-2所示的坐標(biāo)，波導(dǎo)的z軸是波導(dǎo)的縱向，即電磁波能量的傳播方向。

圖2–2矩形波導(dǎo)及其坐標(biāo)問題：矩形波導(dǎo)能否傳輸TEM波？答：不能。由于TEM波沒有縱向的磁場分量，所以其磁場必然在橫截面內(nèi)形成閉合的磁力線。由電磁場理論可知，若使這種橫向閉合的磁力線存在，必須有縱向電流來支持。由于在波導(dǎo)內(nèi)部沒有象同軸線那樣的內(nèi)導(dǎo)體，所以不可能有縱向的傳導(dǎo)電流，因此支撐這種磁場的應(yīng)該是縱向的位移電流。眾所周知縱向的位移電流是由縱向的交變電場形成的，可見，要使波導(dǎo)內(nèi)存在TEM波，就必須有縱向的交變電場存在，顯然這種說法與TEM波的規(guī)定是互相矛盾的，所以說在波導(dǎo)內(nèi)部不可能存在TEM波。一、直角坐標(biāo)系中電磁場關(guān)系1、基本方程對于無損耗的媒質(zhì)來說，電磁場中的基本方程，即麥克思韋方程變?yōu)?/p>

（1）為了求解方便，設(shè)場量按正弦規(guī)律變換，則

（2）由此看出，電磁場時間上為正弦率，沿z軸有幅度和相位上的變化，但總的能量不變。把（2）式帶入（1）式，得：(3)……..基本方程2、把基本方程用直角坐標(biāo)系中的三個分量表示因為：而：

提取相對應(yīng)的系數(shù)，得到：

因為：

帶入到上式中，得到下面的三個簡化分量表示

（書P33，3－6式）同理，根據(jù)

可以得到磁場的直角分量為

（書P33，3－6式）用Ez和Hz表示其它場分量，由上述兩個式子可以得到：（3－7）

其中，

對于無耗情況，

由3－7式可以看出，Ez和Hz不能同時為零，否則橫向場分量全部為零。由此可得到矩形波導(dǎo)不能傳輸TEM波。

3、矢量波動方程（1）基本波動方程（赫姆霍茲波動方程）（2）改進的波動方程二、E波（TM波）（1）E波中EZ分量的表達式為2、相關(guān)概念模式：在場分量表達式中，m和n可以取不同的多個值，則矩形波導(dǎo)中可同時存在多種獨立模式，代表不同的場結(jié)構(gòu)。其中m表示場在矩形截面寬邊方向出現(xiàn)的“半波數(shù)”（從波節(jié)到波節(jié)，或從波腹到波腹），n表示場量在截面窄邊方向出現(xiàn)的“半波數(shù)”。m和n越小，模式越低，則E11模（TM11）為E波中的最低次模。3、有關(guān)參量（1）截止頻率（臨界頻率）（2）截止波數(shù)（3）截止波長（4）相移常數(shù)（5）相速度（6）波導(dǎo)波長（7）波阻抗三、H波（TE波，橫電波）1、場分量表達式此時邊界條件：解得：其中m和n不能同時為0，則最低次模為TE10或TE01模。

（1）相關(guān)概念主模：在導(dǎo)行波中截止波長λc最長的導(dǎo)行模稱為該導(dǎo)波系統(tǒng)的主模,因而也能進行單模傳輸。TM11模為E波中的最低次模，但不是矩形波導(dǎo)的主模，TE10模是M波的最低次模，也是矩形波導(dǎo)的主模。簡并模：對相同的m和n,TEmn和TMmn模具有相同的截止波長故又稱為簡并模,雖然它們場分布不同,但具有相同的傳輸特性。

（2）常用低次模的截止波長：

例1：矩形波導(dǎo)尺寸為a=8cm，b=4cm；試求工作頻率在3GHz時該波導(dǎo)能傳輸?shù)哪Ｊ健?/p>

3、波導(dǎo)尺寸的選?。?）目的：只傳輸H10模，抑制H20模和H01模，即只傳輸主模。因為這樣可以使信號能量集中，減小損耗，且避免模式間干擾和多模式傳輸引起的附加色散。（2）選取原則：4、有關(guān)參量除了波阻抗有所不同外，其它參量表達式均相同。5、色散問題（了解）群速度：電磁波能量傳輸?shù)乃俣?。得出vg與vp的關(guān)系為計算可得：

結(jié)論：（1）相速度和群速度都與工作頻率有關(guān)，這樣現(xiàn)象稱為色散。（2）色散由波導(dǎo)本身特點引起，因此波是一種色散裝置。（3）由于所傳信號帶寬與波導(dǎo)傳輸?shù)碾姶挪l率相比很小，且波導(dǎo)一般不用于長距離傳輸線，故色散造成的影響不大。例1：空心矩形金屬波導(dǎo)的尺寸為a×b=22.86×10.16mm2，當(dāng)信源的波長分別為10cm，8cm和3.2cm時，問：（1）哪些波長的波可以在該波導(dǎo)中傳輸？對于可以傳輸?shù)牟ㄔ诓▽?dǎo)中可能存在哪些模式（2）若信源的波長仍如上所述，而波導(dǎo)尺寸為a×b=72.14×30.4mm2，此時情況又如何？例2：矩形波導(dǎo)截面尺寸為a×b=72×30mm2，波導(dǎo)內(nèi)充滿空氣，信號源頻率為3GHz，試求：（1）波導(dǎo)中可以傳播的模式？（2）該模式的截止波長，相移常數(shù)，波導(dǎo)波長，相速度，群速度和波阻抗？

2、模式圖圖2-3BJ-32波導(dǎo)各模式截止波長分布圖電場的方向為，即垂直于波導(dǎo)寬壁，平行于波導(dǎo)窄壁。其振幅是壁電流分布（1）寬壁上的壁電流呈輻射狀，即從中心向外發(fā)散或由外向中心匯聚；（2）窄壁上的壁電流平行于y軸，且沿y軸均勻分布；研究壁電流的應(yīng)用若為了測量和充氣，則應(yīng)盡可能不割斷壁電流，如縫隙1、2。若為了形成縫隙天線，則應(yīng)盡可能多割斷壁電流，如縫隙3、4。高次波型1.H20模（，）可以將H20模的場結(jié)構(gòu)看成由兩個H10模的場結(jié)構(gòu)并排而成，且左邊的一個與右邊的一個呈反對稱。圖模高次波型2.H01模（,）可以將H01模的場結(jié)構(gòu)看成由H10模的場結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)而成。圖H01模高次波型3.H11和E11模（，）H11和E11模對應(yīng)相同的截止頻率，是簡并模。（1）在頻率域不能消除簡并模，因為其截止波長相同；（2）利用場結(jié)構(gòu)的差異可以消除簡并模，因為簡并模的場結(jié)構(gòu)往往存在明顯不同。

圖E