波导特性阻抗的新概念

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1、波导特性阻抗的新概念史锦顺中国电子科技集团公司第27研究所郑州450005摘要讨论波导特性阻抗概念，指出沿袭应用的矩形波导特性阻抗是个不恰当的概念。对定义波导特性阻抗的法则作了新的分析，给出矩形波导特性阻抗的合理定义，并将特性阻抗概念应用于远程圆波导。提出关于矩形波导截面尺寸公差要求的一种新看法。关键词波导矩形波导特性阻抗圆波导截面尺寸公差1引言阻抗是电路理论的基本概念。特性阻抗是传输线理论与微波电路理论的基本概念。波导特性阻抗是波导这种电磁能量传输系统的基本而又实用的概念。波导特性阻抗的主要应用是计算截面尺寸变化产生的反射，由此可以对波导生产工艺提出合理的公差要求。许多国家都有

2、波导标准，并有国际性的波导标准（IEC标准）。波导标准中工艺公差的规定是以特性阻抗理论为依据的。特性阻抗的具体应用还有设计波导过渡、设计波导滤波器、计算截面变化型标准负载反射值等。由谢昆诺夫引入[1]并载入大量书籍(例如[2~5])而被长期应用的矩形波导特性阻抗（部分书籍又称等效阻抗，以下简称旧特性阻抗）是个不正确的概念。它从三十年代末产生到此文前，一直陷于物理意义的费解和逻辑上的混乱。用此概念计算反射与实验不符，更是其致命伤。国际上多次出现对旧特性阻抗的异议[6~9]，但一则未指明旧特性阻抗的弊病，二则所提出的唯象阻抗本身也不完整，遂未能变革这个概念。本文分析了旧特性阻抗的弊病

3、，提出关于定义波导特性阻抗的法则，建立了矩形波导与远程圆波导特性阻抗的新概念，并联系到实际应用的问题。2矩形波导旧特性阻抗的问题矩形波导旧特性阻抗是类比于双线、同轴线引入的，用了总电流的概念，并随意选取电压电流值。所得结果为其中，a为矩形波导宽边长，b为窄边长，Zo为波阻抗，C为某一常数，随定义方式而不同：由宽边中间电压与电流定义时，C=π/2；由功率与宽边中间电压定义时，C=2；由功率与电流定义时，C=π/8。这样定义的特性阻抗，有下列问题：(1)定义量选取的随意性由电压与电流定义特性阻抗时，电压V取宽边中间电压值或空间均方根值。这种选取是人为的。用集总参数的量代表分布参数的量

4、，还有多种乃至无数种选取方式。定义量选取的随意性，说明这样定义的特性阻抗不受电磁运动规律的约束，不是某一电磁运动规律的表达。(2)由电流电压定义的阻抗不能计算能流由阻抗不能计算能流，这本已说明阻抗定义的不合理性，却又反过来用功率与电压、功率与电流定义两个特性阻抗。谢昆诺夫还证明，电压电流阻抗ZVI、功率电压阻抗ZWV与功率电流阻抗ZWI三者之间的关系为由于三种定义都是人为的规定，它们之间的关系不可能反映客观规律，这种推证是没有意义的。且看，任意给出三个毫无关系的量a、b、c，总有这不反映任何物理规律，不过是在数学上兜圈子。(3)用来计算反射，前提错误类比于双线，用特性阻抗计算截面

5、尺寸变化引起的反射时，是必然承认两个前提的，即主波电压连续与纵向电流连续。事实上，当宽边变化时，主波纵向电流是不连续的。连续条件错了，就是以阻抗处理变截面问题的前提错了，特性阻抗也就失去了其主要的应用意义。(4)不具有确定性在一定边界条件下，场方程的解是唯一的，也就是说，波导中场的存在与分布关系是确定的。这使得表征电路特性的阻抗（二场量在此特定电路中的关系）也应具有确定性（即唯一性）。旧特性阻抗不具有确定性，是它不反映客观规律的一种表现。(5)与实验不符引入特性阻抗的主要目的是处理传输反射问题，用旧特性阻抗计算宽边变化引起的反射与实验不符[7]。谢昆诺夫在首次阐述旧特性阻抗概念时

6、[1],曾说明这个概念被人们认为是“不自然的”。但他却解释说：“这可能是概念本身的发展及人们对新理论的不熟悉”。其实，当初人们的怀疑是有道理的——确是这个概念本身有问题。J.Schwinger曾给出定义波导特性阻抗的一般方法[5]，即：a）选取电V，使其正比于横向电场强度；b）选取电流I，使其正比于横向磁场强度；c）令VI/2=P，定义V比I为特性阻抗。显然，J.Schwinger的方法是为了弥补谢昆诺夫阻抗概念对矩形波导来说不唯一、不能计算能流这些欠缺并进行一般化而提出来的；但是，此法比谢昆诺夫的方法更差些：人为地规定电压电流值，即改变电压电流这些客观存在的物理量，让它去适应心

7、目中的某种阻抗概念的需要，这就颠倒了主观与客观的关系。3关于定义特性阻抗的法则以往采用这样的方式：电场强度比磁场强度为波阻抗；电压比电流为特性阻抗。对于双线与同轴线，这样做都是成功的；但用来定义矩形波导的特性阻抗却出了问题。问题出在法则上。我们来分析一下。在集总参数电路中，阻抗定义为电压与电流之比。集总参数电路的特点是一个个独立的元件，被导线所连接，构成相互关联的整体。阻抗能成功地处理电路问题，基于如下三点：（1）阻抗表征二量（电压、电流）的关系，这个关系是物理定律（欧姆定律、法