福州大学电磁场 第七章 导行电磁波课件.ppt

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1、第七章导行电磁波*导波系统的分类：图8.0.1各种载波体a.传输线(低、中频区)b.微带线(中高频区）c.金属波导(高频区)由导体或介质引导电磁波沿指定路径传播的波称为导波。*横电磁波（TEM波）：En=0与Hn=01、导行波的分类*横磁波（TM波或E波）：Hn=0*横电波（TE波或H波）：En=07.1传输线方程及其解本节内容：传输TEM波的双导体传输线的传播特性。研究TEM波特性由两种方法：场解法：求E（与静态场方法类似），电路方法：把传输线作分布参数电路处理，得到传输　　　　　线的等效电路，由基尔霍夫定律导出传输线方程（当信号的波长与传输线长度可比拟时

2、）。原因：传输高频信号时，会出现分布参数效应。•L1(H/m)导线中通I时，周围出现磁场•R1(/m)导线中通I时，导线会发热7.1.1分布参数的概念•G1(S/m)导线间绝缘不善，出现漏电流电场---电压波，磁场---电流波•C1(F/m)导线间有电压，则导线间有电场7.1.2传输线方程及其解设信号源为正弦波，则每个物理量均含有ejwt因子。由基尔霍夫定律得u(z,t)图8.4.1有损耗均匀传输线等效电路u(z+dz,t)根据约去公共因子ejwt得其中特性阻抗Um+与Um-的值由传输线边界条件确定(两种）。(1)已知终端电压、电流设ZLUsEsULILIs

3、lzz’图8.4.2由端电压确定积分常数双曲函数形式表示：选终端为坐标起始点，设z’=l-z(2)已知始端电压、电流设双曲函数形式表示：7.1.3传输线上波的传输特性参数1、特性阻抗传输线的特性阻抗为行波电压与电流的比值。对于无损耗线：R1=0,G1=0,例1求无损耗同轴线与平行双线的特性阻抗。2、传播系数对于无损耗线：3、输入阻抗4、相速度对于无损耗线：5、导波波长6、反射系数反射系数定义为反射波电压（电流）与入射波电压（电流）的比值。其中电压电流7.1.4传输线的工作状态传输线的工作状态取决于终端负载ZL。1、行波状态只有入射波的状态。对于无损耗线：（1

4、）沿线电流、电压振幅不变。（2）电流、电压同相。（3）沿线各点的输入阻抗等于特性阻抗。行波状态无损耗线特点：2、驻波状态（全反射）对于无损耗线：而（1）ZL=0终端短路（2）终端开路（3）终端纯容抗或感抗驻波的特点：（1）两个方向相反的行波合成驻波，其不具有传输　　特性，在线上作简谐振荡。（2）在时间和空间位置上U、I有900的相差。（3）U、I有固定的波节面和波腹面。（4）ZL=0或时，z’不同，传输线可等效成电容、　　电感或LC谐振电路。图8.6.1终端短路线上的驻波电压和电　　　　流及输入阻抗和等效电路例2在工作波长为l的高频电路中，为了得到300欧姆

5、的感抗，利用特性阻抗为75欧姆的终端短路线来实现，问所需的传输线长度为多少？若想获得300欧姆的容抗，则传输线长又应取多少？解：ZL=0时，电抗元件取最短的线，3、混合波状态终端接任意阻抗负载时，为混和波状态。上式变为：上式前一项为行波分量，后一项为驻波分量。对于无损耗线：驻波系数：驻波系数和反射系数的关系可如下导出：行波系数：为定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数：7.2导波纵向场法:纵向场法指求解麦克斯韦方程时，将场的四个横向分量用两个纵向分量来表示，而纵向分量的大小由求解波动方程确定。设：•载波体无限长，具有轴向均匀性（无反射）

6、•载波体为完纯导体，其周围是理想介质（无损耗）•电磁波沿z轴传播，且随时间作正弦变化。•载波体中无激励源(J=0,r=0)7.2.1导波的分析方法根据因得出用纵向场量Ez来Hz表示其余的横向场量得Ez和Hz由波动方程求得。波动方程可写成：由边界条件可确定Ez和Hz解。讨论（1）TEM波（Ez=0,Hz=0)TEM波不能用纵向场法求解分量。另外，可得：此结果与二维无源区静态场所满足的关系相同。二维无源区静态场：结论：能维持静态场的装置能维持TEM波（平行双导线、同轴线）。7.2.2矩形波导(空芯波导管）图8.2.1矩形波导为了减少传输损耗，并阻止电磁波向外泄露

7、，采用空心金属管做波导装置。空芯金属管可以传播TE、TM波，但不能传播TEM波。？1、TM波(Hz=0)思路：根据波动方程，采用分离变量法先求出Ez，而后得出Ex、Ey、Hx和Hy。上式已约去公共因子：设：两边除以fg得上式中的待定系数由边界条件Et=0确定。a.x=0,Ez=0Ez=C1(C3cos(kyy)+C4sin(kyy))=0C1=0Ez=C2sin(kxx)(C3cos(kyy)+C4sin(kyy))b.y=0,Ez=0Ez=C2C3sin(kxx)=0C3=0Ez=C2C4sin(kxx)sin(kyy)c.x=a,Ez=0Ez=C2C4s

8、in(kxa)sin(kyy)=0d.y=b,Ez=