电磁场与电磁波-- 规则金属波导

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1、电磁场与电磁波--规则金属波导长沙理工大学讲稿《微波技术基础》第三章规则金属波导第4章规则金属波导微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的传输线。微波传输线的种类很多，比较常用的有平行双线、矩形波导、圆波导、同轴线、带状线和微带线等。导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无，可分为以下三种波型(或模)：(1)横磁波(TM波)，又称电波(E波)：Hz?0,Ez?0(2)横电波(TE波)，又称磁波(H波)：Ez?0,Hz?0(3)横电磁波(TEM波)：Ez?0,Hz?0其中横电磁波只存在于多导体系统中，而横磁波和横电波一般存在于单导体系统中，它们是色散波。4-1电磁场理论

2、基础一、导波概念:1、思想（1）导波思想：（2）广义传输线思想：（3）本征模思想3-1长沙理工大学讲稿《微波技术基础》第三章规则金属波导2、方法：波导应该采用具体措施（1）坐标匹配（2）分离变量法（3）边界确定常数二、导行波的概念及一般传输特性1、导行波的概念1）导行系统：用以约束或引导电磁波能量定向传输的结构。其主要功能有二：(1)无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能量从一处传输至另一处，称这为馈线；(2)设计构成各种微波电路元件，如滤波器、阻抗变换器、定向耦合器等。导行系统分类：按其上的导行波分为三类：(1)TEM或准TEM传输线，(2)封闭金属波导，(3

3、)表面波波导（或称开波导）。如书上图1.4-12）规则导行系统：无限长的笔直导行系统，其截面形状和尺寸，媒质分布情况，结构材料及边界条件沿轴向均不变化。3-2长沙理工大学讲稿《微波技术基础》第三章规则金属波导3）导行波的概念能量的全部或绝大部分受导行系统的导体或介质的边界约束，在有限横截面内沿确定方向（一般为轴向）传输的电磁波。简单地说就是沿导行系统定向传输的电磁场波，简称为“导波”。由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E或磁场H都是x、y、z三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型：（1）横电磁波（TEM波）：（Transver

4、seElectronicandmagneticWave）各种传输线使电磁能量约束或限制在导体之间空间沿其轴向传播，其导行波是横电磁（TEM）波或准TEM波。TEM波的特征是：电场E和磁场H均无纵向分量，亦即：Ez?0,Hz?0。电场E和磁场H，都是纯横向的。TEM波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在封闭金属波导中传播的,只能在导体之间的空间沿其轴向传播。（2）横电（TE）波和横磁（TM）波封闭金属波导使电磁能量完全限制在金属管内沿轴向传播，其导行波是横电（TE）波和横磁（TM）波。（a）横电波（TE波）：TE波即是横电波或称为“磁波”（H波），其特征是Ez

5、?0,而Hz?0。亦即：电场E是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。（b）横磁波（TM波）：TM波即是横磁波或称为“电波”(E波)，其特征是Hz?0，而Ez?0。亦即：磁场H是纯横向的，而电场E则具有纵向分量。（3）表面波开波导使电磁波能量约束在波导结构的周围（波导内和波导表面附近）沿轴向传播，其导行波是表面波。3）导模导行波的模式，是能够沿导行系统独立存在的场型。其特点是：①在导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布，且是完全确定的。这一分布与频率无关，并与横截面在导行系统上的位置无关；②导模是离散的，具有离散谱；当工作频率一定时，每个导模具有唯一3-3长沙理工大学讲稿

6、《微波技术基础》第三章规则金属波导的传播常数，③导模之间相互正交，彼此独立，互不耦合；④具有截止特性，截止条件和截止波长因导行系统和模式而异。2、导行波的一般传输特性：（1）导模的截止波长与传输条件定义：导行系统中某导模无衰减所能传播的最大波长为该导模的截止波长，用?C表示；导行系统中某导模无衰减所能传播的最抵频率为该导模的截止的频率，用fc表示在截止波长以下，导行系统可以传播某种导模而无衰减；在截止波长以上传播就有衰减。通过对衰减机理的分析，可以求得相应导行系统中导模的截止条件和截止波长。截止频率为fc?kc2???截止波长则为?c?2?kc---导波的横向截止

7、波数kc由上述分析可知，导模无衰减传输条件是其工作波长小于截止波长（?＜?c），或其工作频率大于截止频率（f＞fc）。只有当自由空间的波长?小于临界波长?c时，电磁波才能在矩形波导中得到传播。（2）相速度和群速度相速度定义为导模等相位面移动的速度：vp??vv????(?C)2Gr，???0式中v?cr，c和?0分别为自由空间的光速和波长；G??(?0)2称为波导因子或色散因子。群速度定义为波包移动速度或窄带信号的传播速度。群速Vc是表示能量沿波导纵向传播的速度。vg?d??v?(?C)2?vGd?由以上两式可见导模的传播速度随频率变化，表明相应导行系统具有严重色

8、散现象。T