第2章规则金属波导PPT讲稿.ppt

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1、第第2章规则金属波导章规则金属波导第1页，共100页，编辑于2022年，星期一 1.规则金属管内电磁波规则金属管内电磁波 对由均匀填充介质的金属波导管建立如图2-1 所示坐标系,设z轴与波导的轴线相重合。由于波导的边界和尺寸沿轴向不变,故称为规则金属波导。为了简化起见,我们作如下假设:波导管内填充的介质是均匀、线性、各向同性的;波导管内无自由电荷和传导电流的存在;波导管内的场是时谐场。2.1导波原理导波原理第2页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2 1 金属波导管结构图第3页，共100页，编辑于2022年，星期一 电磁场理论,对无源自由空间电场E和磁场H满足以下矢量亥姆霍茨方程:式中,

2、k2=2。现将电场和磁场分解为横向分量和纵向分量,即 E=Et+azEz H=Ht+azHz(2-1-1)(2-1-2)第4页，共100页，编辑于2022年，星期一式中,az为z向单位矢量,t 表示横向坐标,可以代表直角坐标中的(x,y);也可代表圆柱坐标中的(,)。为方便起见,下面以直角坐标为例讨论,将式（2-1-2）代入式(2-1-1),整理后可得 下面以电场为例来讨论纵向场应满足的解的形式。设 为二维拉普拉斯算子,则有(2-1-3)(2-1-4)第5页，共100页，编辑于2022年，星期一利用分离变量法,令代入式(2-1-3),并整理得 上式中左边是横向坐标(x,y)的函数,与z无关;而

3、右边是z的函数,与(x,y)无关。只有二者均为一常数，上式才能成立,设该常数为2,则有(2-1-6)(2-1-5)(2-1-7)第6页，共100页，编辑于2022年，星期一 上式中的第二式的形式与传输线方程(1-1-5)相同,其通解为 A+为待定常数,对无耗波导=j,而为相移常数。现设Eoz(x,y)=A+Ez(x,y),则纵向电场可表达为 Ez(x,y,z)=Eoz(x,y)e-jz 同理,纵向磁场也可表达为:Hz(x,y,z)=Hoz(x,y)e-jz(2-1-8)(2-1-10a)(2-1-10b)(2-1-9)由前面假设,规则金属波导为无限长,没有反射波,故A=0,即纵向电场的纵向分量

4、应满足的解的形式为 第7页，共100页，编辑于2022年，星期一 式中,k2c=k2-2为传输系统的本征值。由麦克斯韦方程,无源区电场和磁场应满足的方程为 将它们用直角坐标展开,并利用式（2-1-10）可得:(2-1-11)(2-1-12)而Eoz(x,y),Hoz(x,y)满足以下方程:第8页，共100页，编辑于2022年，星期一(2-1-13)第9页，共100页，编辑于2022年，星期一从以上分析可得以下结论:在规则波导中场的纵向分量满足标量齐次波动方程,结合相应边界条件即可求得纵向分量Ez和Hz,而场的横向分量即可由纵向分量求得;既满足上述方程又满足边界条件的解有许多,每一个解对应一个波

5、型也称之为模式,不同的模式具有不同的传输特性;kc是微分方程（2-1-11）在特定边界条件下的特征值,它是一个与导波系统横截面形状、尺寸及传输模式有关的参量。由于当相移常数=0时,意味着波导系统不再传播,亦称为截止,此时kc=k,故将kc称为截止波数。第10页，共100页，编辑于2022年，星期一(2-1-14)1)相移常数和截止波数 在确定的均匀媒质中,波数 与电磁波的频率成正比,相移常数和 k 的关系式为2.传输特性传输特性第11页，共100页，编辑于2022年，星期一 2)相速p与波导波长g 电磁波在波导中传播,其等相位面移动速率称为相速,于是有(2-1-15)式中,c为真空中光速,对导

6、行波来说kkc,故pc/,即在规则波导中波的传播的速度要比在无界空间媒质中传播的速度要快。第12页，共100页，编辑于2022年，星期一 导行波的波长称为波导波长,用g表示,它与波数的关系式为(2-1-16)另外,我们将相移常数及相速p随频率的变化关系称为色散关系,它描述了波导系统的频率特性。当存在色散特性时,相速p已不能很好地描述波的传播速度,这时就要引入“群速”的概念,它表征了波能量的传播速度,当kc为常数时,导行波的群速为(2-1-17)第13页，共100页，编辑于2022年，星期一 3)波阻抗 定义某个波型的横向电场和横向磁场之比为波阻抗,即(2-1-18)第14页，共100页，编辑于

7、2022年，星期一式中,Z为该波型的波阻抗。4)传输功率 由玻印亭定理,波导中某个波型的传输功率为第15页，共100页，编辑于2022年，星期一 3.导行波的分类导行波的分类 1)即kc=0 这时必有Ez=0和Hz=0,否则由式（2-1-13）知Ex、Ey、Hx、Hy将出现无穷大,这在物理上不可能。这样kc=0 意味着该导行波既无纵向电场又无纵向磁场,只有横向电场和磁场,故称为横电磁波，简称TEM波。对于TEM波,=k,故相速、波长及波阻抗和无界空间均匀媒质中相同。而且由于截止波数kc=0,因此理论上任意频率均能在此类传输线上传输。此时不能用纵向场分析法,而可用二维静态场分析法或前述传输线方程

8、法进行分析。第16页，共100页，编辑于2022年，星期一 2)这时20,而Ez和Hz不能同时为零,否则Et和Ht必然全为零,系统将不存在任何场。一般情况下,只要Ez和Hz中有一个不为零即可满足边界条件,这时又可分为两种情形:(1)TM波 将Ez0而Hz=0的波称为磁场纯横向波,简称TM波,由于只有纵向电场故又称为E波。此时满足的边界条件应为(2-1-20)式中，S表示波导周界。第17页，共100页，编辑于2022年，星期一 而由式（2-1-18）波阻抗的定义得TM波的波阻抗为(2-1-21)第18页，共100页，编辑于2022年，星期一 (2)TE波 将Ez=0而Hz0 的波称为电场纯横向波

9、,简称TE波,此时只有纵向磁场，故又称为H波。它应满足的边界条件为(2-1-22)式中，S表示波导周界；n为边界法向单位矢量。而由式（2-1-18）波阻抗的定义得TE波的波阻抗为(2-1-23)无论是TM波还是TE波,其相速 均比无界媒质空间中的速度要快,故称之为快波。第19页，共100页，编辑于2022年，星期一3)这时而相速,即相速比无界媒质空间中的速度要慢,故又称之为慢波。第20页，共100页，编辑于2022年，星期一2.2 矩形波导矩形波导1.矩形波导中的场矩形波导中的场 1)TE波此时Ez=0,Hz=Hoz(x,y)e-jz 0,且满足(2-2-1)第21页，共100页，编辑于202

10、2年，星期一图 2 2 矩形波导及其坐标第22页，共100页，编辑于2022年，星期一在直角坐标系中 ,上式可写作应用分离变量法,令 Hoz(x,y)=X(x)Y(y)代入式（2-2-2）,并除以X(x)Y(y),得(2-2-1)(2-2-2)(2-2-3)第23页，共100页，编辑于2022年，星期一要使上式成立,上式左边每项必须均为常数,设分别为 和 ,则有于是,Hoz(x,y)的通解为(2-2-4)(2-2-5)第24页，共100页，编辑于2022年，星期一 其中,A1A2B1B2为待定系数,由边界条件确定。由式（2-1-2）知,Hz应满足的边界条件为 将式（2-2-5）代入式（2-2-

11、6）可得(2-2-6)(2-2-7)第25页，共100页，编辑于2022年，星期一于是矩形波导TE波纵向磁场的基本解为 代入式（2-1-13），则TE波其它场分量的表达式为(2-2-8)(2-2-9)式中,Hmn为模式振幅常数,故Hz(x,y,z)的通解为 第26页，共100页，编辑于2022年，星期一(2-2-10)第27页，共100页，编辑于2022年，星期一 式中,为矩形波导TE波的截止波数,显然它与波导尺寸、传输波型有关。m和n分别代表TE波沿x方向和y方向分布的半波个数,一组m、n,对应一种TE波,称作TEmn模;但m和n不能同时为零,否则场分量全部为零。因此，矩形波导能够存在TEm

12、0模和TE0n模及TEmn(m,n0)模;其中TE10模是最低次模,其余称为高次模。第28页，共100页，编辑于2022年，星期一 2)TM波 对TM波,Hz=0,Ez=Eoz(x,y)e-jz,此时满足其通解也可写为 由式（2-1-20）,应满足的边界条件为(2-2-11)(2-2-12)（2-2-13）第29页，共100页，编辑于2022年，星期一 用TE波相同的方法可求得TM波的全部场分量（2-2-14）第30页，共100页，编辑于2022年，星期一式中,，Emn为模式电场振幅数。TM11模是矩形波导TM波的最低次模,其它均为高次模。总之,矩形波导内存在许多模式的波,TE波是所有TEmn

13、模式场的总和,而TM波是所有TMmn模式场的总和。第31页，共100页，编辑于2022年，星期一对应截止波长为(2-2-16)(2-2-15)2.矩形波导的传输特性矩形波导的传输特性 1)截止波数与截止波长 由式（2-2-10）和（2-2-14）,矩形波导TEmn和TMmn模的截止波数均为第32页，共100页，编辑于2022年，星期一其中,=2/k，为工作波长。可见当工作波长 小于某个模的截止波长 c时,20,此模可在波导中传输,故称为传导模;当工作波长 大于某个模的截止波长 c时,20,即此模在波导中不能传输,称为截止模。一个模能否在波导中传输取决于波导结构和工作频率（或波长）。对相同的m和

14、n,TEmn和TMmn模具有相同的截止波长故又称为简并模,虽然它们场分布不同,但具有相同的传输特性。图 2-3 给出了标准波导BJ-32各模式截止波长分布图。此时,相移常数为(2-2-17)第33页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2-3BJ-32波导各模式截止波长分布图第34页，共100页，编辑于2022年，星期一 可见，该波导在工作频率为3GHz时只能传输TE10模。例例2-1 设设某某矩矩形形波波导导的的尺尺寸寸为为a=8cm,b=4cm;试试求求工工作频率在作频率在3GHz时该波导能传输的模式。时该波导能传输的模式。解：解：第35页，共100页，编辑于2022年，星期一 例例2

15、-2空气填充的矩形波导中空气填充的矩形波导中a=2.3cm,b=1cm。求。求 TE10、TE01、TE20、TE11、TM11、TM21和和TM12模的模的 截止频率；截止频率；f=10GHz 时时,可能有哪些传输模？可能有哪些传输模？若填充介质若填充介质er=2,mr=1,结结果又如何？果又如何？第36页，共100页，编辑于2022年，星期一解解:根据介质为空气的截止频率计算公式根据介质为空气的截止频率计算公式可得各模的截止频率可得各模的截止频率 fc：模式模式TE10 TE01TE20TE11TM11TM21TM12fc(GHz)6.521513.0416.3616.3619.8830.

16、7导通条件为导通条件为f fc。当。当 f=10GHz 时时,只能传输只能传输TE10 模。模。第37页，共100页，编辑于2022年，星期一若填充介质若填充介质er=2,mr=1,截截止频率计算公式为止频率计算公式为得各模的截止频率得各模的截止频率fc：模式模式TE10 TE01TE20TE11TM11TM21TM12fc(GHz)4.6110.69.2211.57 11.5714.0621.71当当 f=10GHz 时时,能传输能传输TE10和和TE20模。模。第38页，共100页，编辑于2022年，星期一 例例2-3 空气填充的矩形波导中空气填充的矩形波导中a=7.2cm,b=3.4cm

17、。(1)当真空波长当真空波长(l=c/f)分别为分别为16、8、6.5cm时，此波导时，此波导可能有哪几个传输模？可能有哪几个传输模？(2)求求 TE10 单单模传输的频率范围，模传输的频率范围，并要求此频带的低端比并要求此频带的低端比TE10的的 fc大大5%，其高端比最相近的高，其高端比最相近的高阶模的阶模的 fc 低低5%。第39页，共100页，编辑于2022年，星期一解解:(1)传输条件传输条件:l 2b,故而故而根据题目对频带的要求为根据题目对频带的要求为TE10 单单模传输的频率范围为模传输的频率范围为第44页，共100页，编辑于2022年，星期一2)主模TE10的场分布及其工作特

18、性 在导行波中截止波长 c最长的导行模称为该导波系统的主模,因而也能进行单模传输。矩形波导的主模为TE10模,因为该模式具有场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等特点,所以实用时几乎毫无例外地工作在TE10模式。第45页，共100页，编辑于2022年，星期一Ex=Ez=Hy=0(2-2-18)(1)TE10模的场分布 将m=1,n=0,kc=/a,代入式（2-2-10）,并考虑时间因子e jt,可得TE10模各场分量表达式第46页，共100页，编辑于2022年，星期一 由此可见,场强与y无关,即各分量沿y轴均匀分布,而沿x方向的变化规律为(2-2-19)第47页，共100页，编辑于2022年，星期

19、一 其分布曲线如图 2-4（a）所示,而沿z方向的变化规律为 其分布曲线如图 2-4（b）所示。波导横截面和纵剖面上的场分布如图2-4（c）和（d）所示。由图可见,Hx和Ey最大值在同截面上出现,电磁波沿z方向按行波状态变化;Ey、Hx和Hz相位差为90,电磁波沿横向为驻波分布。(2-2-20)第48页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2 4 矩形波导TE10模的场分布图第49页，共100页，编辑于2022年，星期一 (2)TE10模的传输特性 截止波长与相移常数:将m=1,n=0 代入式（2-2-15）,得TE10模截止波数为于是截止波长为而相移常数为(2-2-23)(2-2-22)

20、(2-2-21)第50页，共100页，编辑于2022年，星期一 波导波长与波阻抗：对TE10模,其波导波长为而TE10模的波阻抗为(2-2-24)(2-2-25)第51页，共100页，编辑于2022年，星期一式中,为自由空间光速。(2-2-27)(2-2-26)相速与群速：由式（2-1-15）及（2-1-16）可得TE10模的相速p和群速g分别为第52页，共100页，编辑于2022年，星期一 传输功率:由式（2-1-21）得矩形波导TE10模的传输功率为(2-2-28)其中,是Ey分量在波导宽边中心处的振幅值。由此可得波导传输TE10模时的功率容量为(2-2-29)第53页，共100页，编辑于

21、2022年，星期一 其中,Ebr为击穿电场幅值。因空气的击穿场强为30kV/cm,故空气矩形波导的功率容量为 可见:波导尺寸越大,频率越高,则功率容量越大。而当负载不匹配时,由于形成驻波,电场振幅变大,因此功率容量会变小,则不匹配时的功率容量 和匹配时的功率容量Pbr的关系为(2-2-31)(2-2-30)其中,为驻波系数。第54页，共100页，编辑于2022年，星期一 衰减特性:当电磁波沿传输方向传播时,由于波导金属壁的热损耗和波导内填充的介质的损耗必然会引起能量或功率的递减。对于空气波导,由于空气介质损耗很小,可以忽略不计,而导体损耗是不可忽略的。设导行波沿z方向传输时的衰减常数为,则沿线

22、电场、磁场按e-z规律变化,即(2-2-32)第55页，共100页，编辑于2022年，星期一所以传输功率按以下规律变化:P=P0 e-2z上式两边对z求导:因沿线功率减少率等于传输系统单位长度上的损耗功率Pl,即比较式（2-2-34）和式（2-2-35）可得(2-2-33)(2-2-34)(2-2-35)(2-2-36)(Np/m)第56页，共100页，编辑于2022年，星期一 由此可求得衰减常数。在计算损耗功率时,因不同的导行模有不同的电流分布,损耗也不同,根据上述分析,可推得矩形波导TE10模的衰减常数公式:式中,RS=为导体表面电阻,它取决于导体的磁导率、电导率和工作频率f。(2-2-3

23、7)(dB/m)第57页，共100页，编辑于2022年，星期一由式（2.2.37）可以看出:衰减与波导的材料有关,因此要选导电率高的非铁磁材料,使RS尽量小。增大波导高度b能使衰减变小,但当ba/2时单模工作频带变窄,故衰减与频带应综合考虑。衰减还与工作频率有关,给定矩形波导尺寸时,随着频率的提高先是减小,出现极小点,然后稳步上升。我们用MATLAB编制了TE10模衰减常数随频率变化关系的计算程序,计算结果如图 2-5 所示。第58页，共100页，编辑于2022年，星期一 图2-5 TE10 模衰减常数随频率变化曲线第59页，共100页，编辑于2022年，星期一3.矩形波导尺寸选择原则矩形波导

24、尺寸选择原则 选择矩形波导尺寸应考虑以下几个方面因素:1)波导带宽问题 保证在给定频率范围内的电磁波在波导中都能以单一的TE10模传播,其它高次模都应截止。为此应满足:（2-2-38）第60页，共100页，编辑于2022年，星期一将TE10模、TE20模和TE01模的截止波长代入上式得：或写作 即取。第61页，共100页，编辑于2022年，星期一2)波导功率容量问题 在传播所要求的功率时,波导不致于发生击穿。由式（2-2-29）可知，适当增加 b可增加功率容量,故 b 应尽可能大一些。第62页，共100页，编辑于2022年，星期一 3)波导的衰减问题 通过波导后的微波信号功率不要损失太大。由式

25、（2-2-27）知,增大b也可使衰减变小,故b应尽可能大一些。综合上述因素,矩形波导的尺寸一般选为通常将b=a/2的波导称为标准波导;为了提高功率容量,选ba/2这种波导称为高波导;为了减小体积,减轻重量,有时也选ba/2的波导,这种波导称为扁波导。（2-2-39）第63页，共100页，编辑于2022年，星期一2.3 圆形波导圆形波导 1.圆波导中的场圆波导中的场 与矩形波导一样,圆波导也只能传输TE和TM波型。设圆形波导外导体内径为a,并建立如图 2-6 所示的圆柱坐标。第64页，共100页，编辑于2022年，星期一图2-6 圆波导及其坐标系第65页，共100页，编辑于2022年，星期一 1

26、)TE波 此时Ez=0,Hz=Hoz(,)e-jz0,且满足应用分离变量法,令(2-3-1)(2-3-2)(2-3-3)在圆柱坐标中，上式写作：第66页，共100页，编辑于2022年，星期一代入式（2-3-2）,并除以R()(),得(2-3-4)要使上式成立,上式两边项必须均为常数,设该常数为m2,则得(2-3-5a)(2-3-5b)第67页，共100页，编辑于2022年，星期一 式中,Jm(x),Nm(x)分别为第一类和第二类m阶贝塞尔函数式（2.3.5b）的通解为(2-3-6b)(2-3-6a)式（2-3-5a）的通解为：第68页，共100页，编辑于2022年，星期一 式（2-3-6b）中

27、后一种表示形式是考虑到圆波导的轴对称性,因此场的极化方向具有不确定性,使导行波的场分布在方向存在cosm 和sinm 两种可能的分布,它们独立存在,相互正交,截止波长相同,构成同一导行模的极化简并模。另外,由于0时Nm(kc)-,故式（2-3-6a）中必然有A2=0。于是Hoz(,)的通解为 由边界条件 由式（2 3-7）得(2-3-7)第69页，共100页，编辑于2022年，星期一于是圆波导TE模纵向磁场Hz基本解为 令模式振幅Hmn=A1B,则Hz(,z)的通解为 的第n个根为mn,则有(2-3-8)(2-3-9)(2-3-10)第70页，共100页，编辑于2022年，星期一于是可求得其它

28、场分量:（2-3-11）第71页，共100页，编辑于2022年，星期一 可见,圆波导中同样存在着无穷多种TE模,不同的m和n代表不同的模式,记作TEmn,式中,m表示场沿圆周分布的整波数,n表示场沿半径分布的最大值个数。此时波阻抗为式中,(2-3-12)第72页，共100页，编辑于2022年，星期一 2)TM波通过与TE波相同的分析,可求得TM波纵向电场Ez(,z)的通解为(2-3-13)第73页，共100页，编辑于2022年，星期一(2-3-14)其中,mn是m阶贝塞尔函数Jm(x)的第n个根且 =mn/a,于是可求得其它场分量:第74页，共100页，编辑于2022年，星期一 可见，圆波导中

29、存在着无穷多种TM模,波型指数m和n的意义与TE模相同.此时波阻抗为(2-3-15)式中,相移常数第75页，共100页，编辑于2022年，星期一 2.圆波导的传输特性圆波导的传输特性 1)截止波长 由前面分析,圆波导TEmn模、TMmn模的截止波数分别为(2-3-16)第76页，共100页，编辑于2022年，星期一 式中,mn和 mn分别为m阶贝塞尔函数及其一阶导数的第n个根。于是,各模式的截止波长分别为 在所有的模式中,TE11模截止波长最长,其次为TM01模,三种典型模式的截止波长分别为(2-3-17)第77页，共100页，编辑于2022年，星期一 2)简并模 在圆波导中有两种简并模,它们

30、是E-H简并和极化简并。(1)E-H简并 由于贝塞尔函数具有J0(x)=-J1(x)的性质,所以一阶贝塞尔函数的根和零阶贝塞尔函数导数的根相等,即:0n=1n,故有,从而形成了TE0n模和TM1n模的简并。这种简并称为E-H简并。第78页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2-7 圆波导中各模式截止波长的分布图第79页，共100页，编辑于2022年，星期一 (2)极化简并 由于圆波导具有轴对称性,对m0的任意非圆对称模式,横向电磁场可以有任意的极化方向而截止波数相同,任意极化方向的电磁波可以看成是偶对称极化波和奇对称极化波的线性组合。偶对称极化波和奇对称极化波具有相同的场分布,故称之为极

31、化简并。正因为存在极化简并,所以波在传播过程中由于圆波导细微的不均匀而引起极化旋转,从而导致不能单模传输 同时,也正是因为有极化简并现象,圆波导可以构成极化分离器、极化衰减器等。第80页，共100页，编辑于2022年，星期一 3)传输功率 由式（2-1-19）可以导出TEmn模和TMmn模的传输功率分别为(2-3-18)(2-3-19)其中，第81页，共100页，编辑于2022年，星期一 3.几种常用模式几种常用模式 1)主模TE11模 TE11模的截止波长最长,是圆波导中的最低次模,也是主模。它的场结构分布图如图 2-8 所示。由图可见,圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分

32、布很相似,因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导,如图 2-9 所示,从而构成方圆波导变换器。但由于圆波导中极化简并模的存在,所以很难实现单模传输,因此圆波导不太适合于远距离传输场合。第82页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2-8 圆波导TE11场结构分布图第83页，共100页，编辑于2022年，星期一2-9 方圆波导变换器 第84页，共100页，编辑于2022年，星期一 2)圆对称TM01模TM01模是圆波导的第一个高次模,其场分布如图2-10所示。由于它具有圆对称性故不存在极化简并模,因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工作模式,另外因其磁场只有H分量,故波导内壁

33、电流只有纵向分量,因此它可以有效地和轴向流动的电子流交换能量,由此将其应用于微波电子管中的谐振腔及直线电子加速器中的工作模式。第85页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2-10 圆波导TM01场结构分布图第86页，共100页，编辑于2022年，星期一 3)低损耗的TE01模TE01模是圆波导的高次模式,比它低的模式有TE11、TM01、TE21模,它与TM11模是简并模。它也是圆对称模，故无极化简并。其电场分布如图 2-11 所示。由图可见,磁场只有径向和轴向分量,故波导管壁电流无纵向分量,只有周向电流。因此,当传输功率一定时,随着频率升高,管壁的热损耗将单调下降,故其损耗相对其它模式

34、来说是低的。因此可将工作在TE01模的圆波导用于毫米波的远距离传输或制作高Q值的谐振腔。为了更好地说明TE01模的低损耗特性,图2-12 给出了圆波导三种模式的导体衰减曲线。第87页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2 11 圆波导TE01场结构分布图第88页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2 12 不同模式的导体衰减随频率变化曲线第89页，共100页，编辑于2022年，星期一 1.电激励电激励 将同轴线内的导体延伸一小段，沿电场方向插入矩形波导内，构成探针激励,如图2-13(a)所示。由于这种激励类似于电偶极子的辐射,故称电激励。在探针附近,由于电场强度会有Ez分量,电磁场

35、分布与TE10模有所不同,而必然有高次模被激发。但当波导尺寸只允许主模传输时,激发起的高次模随着探针位置的远离快速衰减,因此不会在波导内传播。为了提高功率耦合效率,在探针位置两边波导与同轴线的阻抗应匹配,为此往往在波导一端接上一个短路活塞,如图2-13(b)所示。调节探针插入深度d和短路活塞位置l,使同轴线耦合到波导中去的功率达到最大。短路活塞用以提供一个可调电抗以抵消和高次模相对应的探针电抗。2.4 波导的激励与耦合波导的激励与耦合第90页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2-13 探针激励及其调配第91页，共100页，编辑于2022年，星期一 2.磁激励磁激励 将同轴线的内导体延伸

36、一小段后弯成环形,将其端部焊在外导体上,然后插入波导中所需激励模式的磁场最强处,并使小环法线平行于磁力线,如图 2-14 所示。由于这种激励类似于磁偶极子辐射,故称为磁激励。同样,也可连接一短路活塞以提高功率耦合效率。但由于耦合环不容易和波导紧耦合,而且匹配困难,频带较窄,最大耦合功率也比探针激励小,因此在实际中常用探针耦合。3.电流激励电流激励 除了上述两种激励之外,在波导之间的激励往往采用小孔耦合,即在两个波导的公共壁上开孔或缝,使一部分能量辐射到另一波导去,以此建立所要的传输模式。第92页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2-14 磁激励示意图第93页，共100页，编辑于2022

37、年，星期一 由于波导开口处的辐射类似于电流元的辐射，故称为电流激励。小孔耦合最典型的应用是定向耦合器。它在主波导和耦合波导的公共壁上开有小孔，以实现主波导向耦合波导传送能量,如图 2-15 所示。另外小孔或缝的激励还可采用波导与谐振腔之间的耦合、两条微带之间的耦合等。第94页，共100页，编辑于2022年，星期一图 2-15 波导的小孔耦合第95页，共100页，编辑于2022年，星期一习习 题题 2.1 试说明为什么规则金属波导内不能传播TEM波？2.2 矩形波导的横截面尺寸为a=22.86mm,b=10.16mm,将自由空间波长为20mm,30mm和50mm的信号接入此波导,能否传输？若能,

38、出现哪些模式？2.3 矩形波导截面尺寸为ab=23mm10 mm,波导内充满空气,信号源频率为10 GHz,试求：波导中可以传播的模式。该模式的截止波长c,相移常数,波导波长g及相速vp。第96页，共100页，编辑于2022年，星期一 2.4 用BJ-100矩形波导以主模传输10 GHz的微波信号,则 求c、g、和波阻抗Zw。若波导宽边尺寸增加一倍,上述各量如何变化?若波导窄边尺寸增大一倍,上述各量如何变化？若尺寸不变,工作频率变为15GHz,上述各量如何变化？2.5 试证明工作波长,波导波长g和截止波长c满足以下关系:第97页，共100页，编辑于2022年，星期一 2.6 设矩形波导a=2b

39、,工作在TE10模式,求此模式中衰减最小时工作频率f。2.7 设矩形波导尺寸为ab=60mm30 mm,内充空气,工作频率为3GHz,工作在主模,求该波导能承受的最大功率为多少？2.8 已知圆波导的直径为50mm,填充空气介质。试求:TE11、TE01、TM01三种模式的截止波长。当工作波长分别为70 mm,60 mm,30 mm时,波导中出现上述哪些模式？当工作波长为=70 mm时,求最低次模的波导波长g。第98页，共100页，编辑于2022年，星期一 2.9 已 知 工 作 波 长 为8mm,信 号 通 过 尺 寸 为ab=7.112mm3.556mm的矩形波导,现转换到圆波导TE01模传

40、输,要求圆波导与上述矩形波导相速相等,试求圆波导的直径;若过渡到圆波导后要求传输TE11模且相速一样,再求圆波导的直径。2.10 已知矩形波导的尺寸为ab=23mm10 mm,试求:传输模的单模工作频带。在a,b不变情况下,如何才能获得更宽的频带？第99页，共100页，编辑于2022年，星期一 2.11 已知工作波长=5mm,要求单模传输,试确定圆波导的半径,并指出是什么模式？2.12 什么叫模式简并？矩形波导和圆形波导中模式简并有何异同？2.13 圆波导中最低次模是什么模式？旋转对称模式中最低阶模是什么模式？损耗最小的模式是什么模式？2.14 为什么一般矩形(主模工作条件下)测量线探针开槽开在波导宽壁的中心线上？2.15 在波导激励中常用哪三种激励方式？第100页，共100页，编辑于2022年，星期一