微波技术总结优秀PPT.ppt

传输线理论是微波技术的核心，引入了传输线方程。开尔芬在铺设大西洋海底电缆时，发觉了长线效应，电报信号的反射、传输与低频有很大的差别。电压、电流不但是时间的函数，而且是地点的函数，存在反射、损耗增大；也就是当线长与波长可以比拟时，传输线为长线。长线理论还是一种电路理论、建立方程是利用基尔霍夫定律，存在行波、驻波、行驻波，与低频电路不同。传输线理论从从简简到繁的分析到繁的分析过过程程传传输输线线理理论论：最最简简洁洁的的传传输输系系统统、它它把把截截面面、不不匀匀整整性都忽性都忽视视了，只探了，只探讨传输讨传输方向的状况。方向的状况。导导波波系系统统，我我们们只只考考虑虑具具体体的的截截面面；如如矩矩形形波波导导、圆圆形形波波导导、同同轴轴线线、微微带带线线、带带线线。不不仅仅考考虑虑一一维维传传播播方向的方向的变变更，更，还还要考要考虑虑横截面的横截面的变变更更对对于于微微波波器器件件，不不仅仅要要考考虑虑横横截截面面的的变变更更，三三维维的的不不连续连续性性变变更更传输线理论（1 1）导导波思想波思想低低频频封封闭闭的的导线导线 微波低端微波低端开放空开放空间间 高端高端封封闭闭空空间间图图 5-1导波系统 导波系统 分析问题的方法分析问题的方法 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。又起先用枝节再一次封闭起来，使能量在内部传输。这是由开放封闭的其次过程。但是这一次所封闭的不是导线内部，而是空间内部。这这种做法使微波能量既在空种做法使微波能量既在空间传输间传输，又是封，又是封闭闭的。的。那是否有可能再开放？那是否有可能再开放？光光纤纤、介介质质波波导导。这这个个开开放放比比原原来来又又上上了了一一个个层层次次，整个整个导导波系波系统统就是在封就是在封闭闭、开放循、开放循环环中向上中向上发发展。展。导波系统 TE10波主要特性波主要特性M代表沿宽边出现最大值（驻波的个数。TE10,1是M，代表x方向变更的个数，0是N，代表y方向变更的个数（2 2）矩形波）矩形波导导导波系统 TE10波主要特性波主要特性场结场结构构图图5-25-21、为什么电场两边不能密？2、能量是如何传输的（1）曲折性传输两个导体板无穷大，距离为a。干脆传输无法满足边界条件，只能曲折性传输。矩形波导只能传输两种波TE、TM波TE波H波横电波Ez=0；Hz0TM波E波横磁波Hz=0；Ez0 x导波系统（2）相速大于光速VpCC=dr/dt相速度：看过去等相位面在波导中走的是dz，实际走了drVp=dz/dt（可视相速）dr=dzsin能速Ve=CsinVpVe=C2（相速再大，能量是守恒的）drdz导波系统（3）截止的概念曲折性传播说明最有力越大传播越好，当=0时，就不能传播了因此，曲折传播有个极限，=0，sin=0drdzc=2a，原地踏步导波系统（3）截止的概念电磁波借助于波导的全反射在波导中进行传输（a）模式不同或者频率不同的电磁波具有不同的角，因而具有不同的相速度和群速度（b）当=0时，电磁波处于截止状态，电磁波在波导壁之间来回震荡（c）电磁波频率越高，角越大导波系统(4)高次模对于矩形波导用作传输线时，TE10波是主模，传输模。其它模式都是高次模。在匀整波导中不出现任何高次模，但是一旦波导中有不匀整性，则在不匀整性四周就有高次模存在。高次波相当流体中的涡旋。什么是涡旋？导波系统 十九世纪，人们在考虑飞机的速度提高不上去？涡旋也称旋涡。是指一种半径很小的圆柱在静止流体中旋转引起四周流体作圆周运动的流淌现象。旋涡是飞行器绕流中的重要流淌现象，对飞行器的空气动力特性有重要影响。一般来说，流水形成的涡旋被称做漩涡，大气形成的涡旋则有可能形成热带气旋或者龙卷风。导波系统 涡旋的产生伴随着机械能的耗损，从而相对物体(飞机、船舶、水轮机、汽轮机）产生流体阻力或降低其机械效率。但是，另一方面，正是依靠涡旋，才使机翼获得举力。在水利工程例如泄水口中，为了爱护坝基不被急泻而下的水流冲坏，接受消能设备，人为地制造涡旋以消耗水流的动能。这些就是探讨涡旋的实际背景。事实上，我们要消退涡旋，另外产生涡旋，把形成的涡旋消退掉。导波系统 60、70年头人类探讨青蛙，90年头探讨鲨鱼产生涡旋，降低水和空气的阻力导波系统 昆虫靠漩涡在水上行走昆虫靠漩涡在水上行走试验表明，能在水面上行走的昆虫是利用其多毛的长足，在水中制造出螺旋状的漩涡，借助漩涡的推动力，以每秒60英寸以上的速度向前行走。昆虫在水面上行走的动力，主要来自于水表下形成的漩涡。每秒钟走自己身长的150-200倍。导波系统 图图 5 5-3-3流体中的涡旋流体中的涡旋 a.a.谐振窗高次模有利于传输谐振窗高次模有利于传输 b.b.喇叭高次模造成反射喇叭高次模造成反射 导波系统 图图 5 5-4-4不均性中高次模对于主模相当于不均性中高次模对于主模相当于jBjB。涡旋，对于微波来说，就是高次模。从阻抗的概念上来说，假如电磁波特别通畅，阻抗匹配。所谓高次模，不是损耗，而是反射；对于主模全部的电抗都是高次模。电抗就是高次模，假如只有jB，确定会产生反射。如何消退反射？导波系统 导波系统 长线理论是一种电路理论，基本参量是电压和电流，并建立在TEM传输线的基础上的,因此电压和电流有明确的物理意义,而且电压和电流只与纵向坐标z有关,与横截面无关。而实际的非TEM传输线如金属波导等,其电磁场E与H不仅与z有关,还与x、y有关,这时电压和电流的意义特别不明确,例如在矩形波导中,电压值取决于横截面上两点的选择,而电流还可能有横向重量。因此有必要引入等效电压和电流的概念,从而将匀整传输线理论应用于随意导波系统,这就是等效传输线理论，我们必需建立等效电压、电流和阻抗的概念。5.1 匀整波导系统与长线的等效对于规则波导，探讨的主要问题是电磁波在波导横截面上分布规律和它沿波导纵向的传播特性。我们从功率入手，在微波技术中，功率不仅有明确的物理意义，也可以干脆测量的参数，所以通过功率引入等效参量比较自然。依据坡印廷矢量，匀整传输系统中传输的功率为：依据广义传输线定理等效电压和等效电流等效电压和等效电流对对于无耗于无耗传输线传输线可表示可表示为为：R=0R=0，G=0 G=0 这时这时方程写出方程写出 二次求二次求导导的的结结果果 (2-7)(2-7)(2-6)(2-6)等效电压和等效电流最最终终，求解的，求解的结结果也作了果也作了类类比比.(2-8)(2-8)其中，特性阻抗其中，特性阻抗 均匀平面波中波阻抗均匀平面波中波阻抗等效电压和等效电流下面我下面我们们建立切向建立切向电场电场与与电压电压之之间间的关系的关系e(x,y)、h(x,y)是二维矢量实函数,仅与横向坐标x，y有关。它们的大小表示电压与电流与横向电场和横向磁场的比例关系。V(z)和I(z)是一维标量复函数，它们反映了横向电磁场各模式沿传播方向的变更规律,故称为模式等效电压和模式等效电流值得指出的是这里定义的等效电压、等效电流是相对于传输功率有贡献的观点而定义的一种等效参量，其数值的量纲在选择上具有随意性。等效电压和等效电流值得指出的是这里定义的等效电压、等效电流是相对于传输功率有贡献的观点而定义的一种等效参量，其数值的量纲在选择上具有随意性，不是唯一性。因此，它只作为分析问题的一种描述手动，只是形式上的，并不真实存在。等效电压和等效电流方向和函数关系方向和函数关系一个矢量可以是x，y，z方向；z方向的函数又可以随x，y方向变更等效电压和等效电流