导行电磁波性质7.2矩形波导

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1、第七章导行电磁波§7.1导行电磁波的基本性质§7.2矩型波导§7.3传输线方程§7.4谐振腔研究前提§7.1导行电磁波的基本性质所谓直行是指波导不弯折、无分支；所谓均匀是指在任何垂直于电磁波传播方向的横平面上，波导具有相同的截面形状和截面面积波导中的介质各向同性、线性、均匀，在整个长度上保持一致；研究区域远离信号源和接收设备，且不存在自由电荷和电流；导体理想、介质理想；研究正弦场。以理想波导，即直行均匀导波装置为研究对象；7.1.1导行电磁波的分类★TEM波（横电磁波）：在电磁波传播方向上没有电场和磁场分量，电场和磁场完全在垂直传播方向的横平面

2、内。★TM波（横磁波）：在电磁波传播方向上没有磁场分量，磁场完全在垂直传播方向的横平面内。★TE波（横电波）：在电磁波传播方向上没有电场分量，电场完全在垂直传播方向的横平面内。7.1.2导行电磁波场量表达式设波沿x方向传播，对于正弦电磁波相量形式所有的场量都是只与坐标y，z相关的相量形式，而与坐标x相关的公共因子已消去，用电场和磁场的x分量表示场量的其它分量，即有由此可见，整个问题归结为如何求解电场和磁场的x分量。这种方法称为纵向分量法。用电场和磁场的x分量表示场量的其它分量，即有正弦电磁波的波动方程为赫姆霍兹方程将2在直角坐标系中进行分解：与传播方向

3、一致与传播方向垂直赫姆霍兹方程可写为同理7.1.3横电磁波（TEM）电磁场无传播方向的分量，即由应有相速波阻抗场量之间的关系与无源区域的静态场所满足的关系一致。由此可见，TEM波电场所满足的微分方程也是同一装置在静态场所满足的微分方程，如果它们的边界条件相同，那么场结构就会完全一样。2维拉氏方程结论：任何能确立静态场的均匀导波装置，也能维持TEM波。例如同轴线系列，但空心金属导波管内不可能存在TEM波，7.1.4横磁波（TM）传播方向上不存在磁场分量，即Hx＝0，由电场纵向分量表示的各场量为：波阻抗场量之间的关系7.1.5横电波（TE）传播方向上不存在电

4、场分量，即Ex＝0，由磁场纵向分量表示的各场量为：波阻抗场量之间的关系例1波导中不能传播TEM波。证明：由于波导要传输电磁能量。也就是说，必须要有x向的坡印亭矢量，所以，它必须具有横向的电场和磁场。磁场必须是封闭成圈的，因而只有如图a和b两种可能。根据Maxwell方程要求上面可能(a)明显有Hz分量不满足TEM波要求。而可能性(b)的小巢中间要末有传导电流J，要末有E。情况(c)有中心导体——也即同轴线，它可以传播TEM波，但不属于这里讨论的“空心”波导。情况(d)很明显存在Ex分量，当然不是TEM波。(c)有中心导体(d)有中心电场由此归纳出：

5、空心波导不存在TEM波。0TEMfcTE(或TM)fTE,TM有截止频率的高通特性值得指出：TEM波和TE(或TM)波的最大区别是TEM波的频率可以0→∞，而TE(或TM)则是fc→∞，见图所示。§7.2矩形波导在微波范围，为了减少传输损耗和防止电磁波干扰，往往采用空心的金属管做为传输电磁能量的导波装置。这种空心金属导波装置通常称作波导，电磁能量在波导管内部被导引传送。低频传输线的能量主要封闭在导线内部。随着频率的提高，能量开放在导线之间的空间(Space)。这是由封闭→开放的第一过程。随着频率的进一步提高，开放空间受干扰，影响太大。又开始再一次封闭起来

6、，使能量在内部传输。这是由开放→封闭的第二过程，但是这一次所封闭的不是导线内部，而是空间内部。频谱表频段2音频(VF)3极低频(VLF)4低频(LF)5中频(MF)6高频(HF)7甚高频(VHF)8特高频(UHF)9超高频(SHF)10极高频(EHF)11121314超长波(VLW)长波(LW)中波(MW)超短波(VSW)(米波)分米波厘米波毫米波3Hz30Hz300Hz3kHz30kHz300kHz3MHz30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz3THz30THz300THz105km104km103km102km10km1km100m10

7、m1m10cm1cm1mm100101（公里）（米）（厘米）（毫米）（微米）无线电电磁频谱表短波(SW)音频雷达频率微波频率红外视频微波简介把电磁波按波长(或频率)划分，大致把300MHz—300GHz，(对应空气中波长λ是1m—1mm)这一频段的电磁波称之为微波。纵观“左邻右舍”它处于超短波和红外光波之间。超短波红外线Microwave微波与超短波、短波相比较，大大扩展了通信通道，开辟了微波通信与卫星通信微波与光波段比较，光通过雨雾衰减很大，特别是雾天兰光、紫光几乎看不见，这正采用红光作警戒的原因。而微波波段穿透力强。信息传输的速度越来越高，如1

8、秒钟内传输个数据，非微波莫属。微波特点1.类似于光波的特性波长很短，直线传播。可