电磁场5导行电磁波

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1、导行电磁波前面我们讨论了电磁波在无界空间中的传播，以及电磁波在两种不同媒质分界面处的反射与透射。下面我们要研究电磁波在导波系统中的传播，这已进入微波技术的研究范畴。导波系统一般是一个封闭的电磁系统，它可以导引电磁波在其中传播，人们把被导行的电磁波称为导行电磁波，把导波系统称为传输线或(广义的)波导。工程中，常见的传输线有双线传输线、矩形波导、圆柱形波导、同轴线、微带线、介质波导等。5.1引言5.2导行波的分析方法和分类5.3导行波的一般传播特性5.4矩形波导中的导行波5.5圆柱形波导中的导行波5.6同轴线、带状线和微带线一、微波的概念及其波段划分微波是无线电波中波长最短(频率最高)的电磁

2、波，它包含了波长从1m到0.1mm的范围，其相应的频率范围从300MHz到3000GHz，如图所示。—5.1引言—5.1引言一般又将其划分为四个波段，即：国际上将微波波段划分为更细的分波段，目前共有17个常用波段。例如：Ku波段为12.40～18.00GHz，Ka波段为26.50～40.00GHz等。分米波1m～10cm0.3～3GHz超高频UHF厘米波10cm～1cm3～30GHz特高频SHF毫米波1cm～1mm30～300GHz极高频EHF亚毫米波1mm～0.1mm300～3000GHz超极高频—5.1引言二、微波的特点与应用、微波技术的研究内容微波与其它波段的无线电波相比，具有如下

3、特点。(1)微波波长极短，它与所使用的元件、设备的尺寸可相比拟。此时即使在几厘米的导线上各点的电流也可能有显著不同，元件的参数是沿空间分布的，称之为分布参数。因此，研究微波系统必须用分布参数的观点，而且此时普通的集中参数元件(电阻、电容、电感)已不能使用，代之的是波导、谐振腔等分布参数元器件。—5.1引言(2)微波的振荡周期(约为)极短，它与电子在电子管内的渡越时间(电子从阴极发射到达阳极的时间，一般为量级)可以比拟。因此，普通的电子器件已不能有效工作，代之的是在原理和构造上完全不同的微波电子器件(速调管、磁控管和行波管等)。(3)似光性。微波介于一般无线电波与光波之间，它不仅具有无线电

4、波的性质，还具有光波某些性质；比如：以光速直线传播；有反射、折射、绕射、干涉等现象，某些几何光学原理(惠更斯原理、镜像原理、透镜聚焦、多普勒效应等)仍然适用。雷达能发现与跟踪目标就是基于这些特性。—5.1引言(4)微波的频率很高，因此在不太大的相对带宽下，其可用带宽很宽，可达数百兆至数十GHz，所以信息容量很大，有巨大的携带信息的潜力，且微波波段的电磁波能穿透电离层，可用于实现卫星通信、卫星电视广播、射电天文学的研究等。由于微波的这些特点，使微波技术在通信、雷达、导航、遥感、天文、气象、医疗以及科研等方面得到越来越广泛的应用，成为无线电电子学的一个重要分支。微波技术主要研究微波的产生、传

5、输、变换、检测、发射与接收、测量以及与之相应的微波元器件和设备等。我们将从“场”和“路”的角度讨论微波传输线问题，这是研究微波技术的基础。—5.1引言三、微波传输线及其研究方法这里，我们讨论的是均匀传输线，它是指横截面形状不变、尺寸不变、制造材料不变、填充材料不变的无限长直传输线。研究传输线上所传输电磁波的特性有两种方法：一种是“场”的分析方法(本章)，即从Maxwell方程组出发，求解特定边界条件下的电磁场波动方程，求得场量(和)随时间和空间的变化规律，由此来分析电磁波的传输特性。另一种是“路”的分析方法(下一章)，它用分布参数来处理，得到传输线的等效电路，然后根据克希霍夫定律导出传输

6、线方程，再解传输线方程，求得线上电压和电流随时间和空间的变化规律，从而分析其传输特性。—5.1引言这种“路”的分析方法，也称为长线理论。事实上，“场”的方法和“路”的方法是紧密相关，互相补充的。“电磁波沿传输线传输”问题是一类典型而简单的电磁场边值问题，它可以分为两个方面来研究。研究电磁场的横向分布特性，即研究与传输线轴线相垂直的传输线横截面上的场分布；另一方面是研究电磁场沿传输线轴线，即纵向的传播特性。下面我们将从这两方面作详细讨论。—5.2导行波的分析方法和分类一、导行波的分析方法为分析方便，对任意截面的均匀波导，选z方向为波导的轴线方向，也即传输方向，横截面所在平面为xoy平面，如

7、图，并作如下假定：(1)波导的横截面形状和媒质特性不沿轴线z变化。(2)波导内壁是理想导体，即；波导内填充均匀、线性、各向同性的理想介质，参数为。(3)波导内没有激励源，即。(4)波导内的电磁场为时谐电磁场。—5.2导行波的分析方法和分类这样，波导内电磁场满足的波动方程为：式中，为波数。既然波导轴线沿z方向，那么不论波的传播情况在波导内如何复杂，其最终的结果只能是一个沿+z方向前进的导行电磁波(或-z方向，二者性质相同，传播方向不同