第三章 导波与波导(1).ppt
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1、第三章第三章 导波与波导导波与波导3.1 3.1 引言引言3.2 3.2 规则金属波导规则金属波导3.3 3.3 矩形金属波导矩形金属波导3.4 3.4 金属圆波导金属圆波导3.5 3.5 同轴线与平行双线同轴线与平行双线3.6 3.6 传输线理论的推广传输线理论的推广3.7 3.7 带线和微带线带线和微带线3.8 3.8 介质波导介质波导3.9 3.9 光纤简介光纤简介3.10 3.10 激励耦合激励耦合13.1 引言 在微波工程中使用着多种类型的传输线,如同轴线、平行双线、矩形波导、圆波导、介质线、带状线等,如图3.1所示。工程技术人员根据所选用的工作频段和微波根据所选用的工作频段和微波工
2、程系统的要求不同,选用不同类型的传输线工程系统的要求不同,选用不同类型的传输线。这些传这些传输线起着引导能量和传输信息的作用,它们所传输的电输线起着引导能量和传输信息的作用,它们所传输的电磁波统称为导波磁波统称为导波。研究各种类型的传输线都要涉及到下述一些概念和问题,诸如导波分类、场型分析、临界波数、传播常数、波阻抗、特性阻抗、等效阻抗、功率容量、工作频带、损耗衰减、结构尺寸、制造工艺、体积重量、工作环境等。我们不可能对每一种类型的传输线都做全面的讨论,因此,首先对导波的一般规律加以研首先对导波的一般规律加以研究,然后再分析几种常用的传输线究,然后再分析几种常用的传输线,希望能达到举一反三的目
3、的。在微波工程中有两类基本的分析方法,其一是场的两类基本的分析方法,其一是场的方法,其二是路的方法方法,其二是路的方法。2图3.1 各种类型的传输线3 图3.1所示各种具体的传输线,有的是单根空心导体,如矩形波导、圆波导;有的是多根柱状导体,如同轴线、平行双线;有的是导体与介质的混合结构,如微带线、耦合微带线;有的是单纯由介质构成的传输线,如介质光波导与光纤。这些导波机构所传播的电磁波的这些导波机构所传播的电磁波的场的构造,因导波机构的不同而有所区别,是不同类型场的构造,因导波机构的不同而有所区别,是不同类型的导波。的导波。每一种导波机构又可以有多种形式的导波场或每一种导波机构又可以有多种形式
4、的导波场或称导波模,每一个导波模就是电磁场方程的一个解,这称导波模,每一个导波模就是电磁场方程的一个解,这个解满足导波机构所给定的边界条件。个解满足导波机构所给定的边界条件。根据激励条件可判断产生哪些导波模。存在着三类根据激励条件可判断产生哪些导波模。存在着三类比较简单的但却是基本的导波模:比较简单的但却是基本的导波模:横电波、横磁波、横横电波、横磁波、横电磁波。电磁波。4(1)横电波,又称TE波,H波,其电场的纵向分量为零,即 Ez0,但磁场的纵向分量不等于零,即Hz0。(2)横磁波,又称TM波、E波,其磁场的纵向分量为零,即Hz0,但电场的纵向分量不等于零,即Ez0。(3)横电磁波,又称T
5、EM波,其电场和磁场的纵向分量都为零,即EzHz0。当单独一种TE波或TM波不能满足边界条件时,可以用TE波和TM波的组合来满足边界条件,称之混合模混合模。混合模的纵向电场和纵向磁场都不为零,但可以有某一横向场分量为零。有些导波机构,如微带线不是严格的TEM波,称之为准TEM波。53.2 规则金属波导的一般理论 3.2.1 3.2.1 直接法求解直接法求解 在柱状边界条件下求解无源电磁场有两种方法,一是直接 法,即直接求解电磁场的某一分量,然后再根据电磁场方程组 计算其余的各个场分量;二是辅助位函数法,即首先求出矢量 位A,或相应的赫兹矢位,然后再求各个电场和磁场分量。直接法求解大致可以分为以
6、下四步:(1)将时间变量与空间变量分离,简称“时空分离时空分离”。(2)将场的纵向分量与场的横向分量分离,简称“纵横分离纵横分离”。(3)按照分离变量法分离变量法对待求的函数进行空间变量的分离,便于求解。(4)最后,根据已求得的一个场分量的表示式求出其余的全部场分量。6 3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 纵向场分量和横向场分量的关系纵向场分量和横向场分量的关系纵向场分量和横向场分量的关系纵向场分量和横向场分量的关系 假定波沿着z方向传播,垂直于z方向的场分量称作横向分量,平行于z方向的场分量称作场的纵向分量。将算子也分解为横向部分和纵向部分,得 (3.2.1)在直角坐标系和圆柱坐
7、标系中,算子的横向部分分别为 算子为 (3.2.2)(3.2.3)上述三式中 为相应坐标方向的单位矢量。纵向部分为7 在无源区域,电磁场方程组的两个旋度方程可改为 (3.2.4)(3.2.5)式中,。式(3.2.4)和式(3.2.5)的横向部分和纵向部分分别相等,于是两个方程分解为下述四个方程:(3.2.6)(3.2.7)(3.2.8)(3.2.9)由(3.2.6)和(3.2.7)推导得 (3.2.10)8由无源电磁场对偶性,得 (3.2.11)k2=2,两式的右端仅含场的纵向分量,左端仅含场的横向分量,即已知场的纵向分量可以求场的横向分量.9 3.2.3 TE波、TM波和TEM波的特点 (1
8、)TE波 Ez0,且假定k2kz20,那么 (3.2.12)得到ET和HT的关系:(3.2.13)或 (3.2.14)ET和HT的数值关系之比为(z),它具有阻抗的量纲,称作TE波的波阻抗,记作TE,即 (3.2.15)10注:此式说明TE波的ET、HT和 相互垂直,且成右手关系。理想导体边界上Hz满足边界条件 (3.2.16)(2)TM波 Hz0,且假定k2kz20,那么 (3.2.17)(3.2.18)得到ET和HT的关系:(3.2.19)(3.2.20)11 式中TM为TM波的波阻抗,且 (3.2.21)注:此式说明ET、HT和 成右手关系,三者相互垂直。对于TM波,应首先求解Ez。在导
9、波机构边界上,Ez是电场的切向分量,因此当边界为理想导体时 (3.2.22)(3)TEM波 Ez和Hz同时为零,得 (3.2.23)(3.2.24)12 假设电场和磁场的横向分量有非零解,若上述二式成立,则必有kzk,这意味着沿 方向传播的TEM波的传播常数等于均匀平面波的传播常数。令TE波波阻抗中的kzk,便得到TEM波波阻抗TEM为 (3.2.25)这表明TEM波的波阻抗就等于均匀平面波的波阻抗,记作亦可。将TEM波作为TE或TM波的特殊情况处理,令 kzk,可得 (3.2.26)此式表明TEM波的ET、HT和 相互垂直,且成右手关系。13 (4)向 方向传播的TE波、TM波和TEM波 以
10、上叙述中,我们曾假设波是向 方向传播的。如果假设波向 方向传播,电磁场的各个分量必定包含 这一因子,与式(3.2.13)、式(3.2.20)和式(3.2.26)相应的关系将变为 (3.2.27)(3.2.28)(3.2.29)在广义传输线理论中(参看3.6.1小节),我们将采用下述符号:ET-和HT-表示向+方向传播的波,ET+和HT+表示向-方向传播的波。这里,下角表与指数因子 的符号相一致。14 3.2.43.2.4导波的坡印亭矢量导波的坡印亭矢量 一般情况下,将电场和磁场分解为横向分量和纵向分量后,其复数坡印亭矢量可分解为三项,即为 (3.2.30)式中,*号表示取共轭。对于TEM波,复
11、数坡印亭矢量中仅含 上式中的第一项;对于TE波或TM波则仅含上式中的两项,为 第一、二项或第一、三项。Ez或Hz都可写成实的横向分布函数 与指数因子e-jkz相乘的形式,如果媒质和导波机构是无耗的,可以证明上式中的第二项和第三项都是纯虚数。因此式(3.2.30)中的第一项代表了沿z方向传播的功率,记作Sz,且 (3.2.31)15 在本节的最后,我们给出两个简单而重要的矢量关系图,如图 3.2所示。图中描述了TE波、TM波和TEM波的ET+、HT+和Sz的矢量 关系。式(3.2.13)、式(3.2.20)和式(3.2.26)与图(3.2 (a)对应,表明了传播因子为 的波向正z方向传播;式 (
12、3.2.27)、式(3.2.28)和式(3.2.29)与图(3.2.(b)对应,表明了传播因子为 的波向负z方向传播。图3.2 ET、HT和Sz的矢量关系图 (a)传播因子为 (b)传播因子为16 3.2.5 空心金属波导内不存在TEM波 可以证明,空心波导内不能传播TEM波。如前所述,所谓TEM波,指的是Ez、Hz为零的横电磁波,且由式(3.2.9)可知 (3.2.32)上式表明,在垂直于传播方向的平面内,电场是无旋的,因此可以令 ,是标量位。空心波导内不存在电荷,故电位移矢量D的散度等于零,。若媒质是均匀的 ,于是 (3.2.33)上式表明TEM波在横截面内的位函数满足二维拉普拉斯方程。上
13、两式表明在横截面内TEM波的位函数与二维静电场的电位满足同样的方程,由此可以推论,在某一传输线中若能建立起二维静电场,也必定能建立起TEM波的场,反之亦然,但是在单根空心导体内不可能建立起静电场,因而空心波导内不可能传输TEM波。173.3 矩形金属波导 矩形金属波导简称矩形波导,矩形波导的理论是成熟的并且是严格的,我们将结合这一具体波导进一步说明波导的特点和性质,包括矩形波导的通解、力线图、色散方程、k空间、相速、群速、功率、衰减等。3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 矩形波导的通解矩形波导的通解矩形波导的通解矩形波导的通解 图3.3所示是矩形波导的示意图。矩形波导的形状简单,边
14、界与直角坐标系平行,易于得出严格的 理论解。矩形波导是单根导体构成的空心波导,它不能传播TEM波,但可以传播TE波或 TM波.设波导在z方向为无限长,波导 内填充各向同性均匀媒质,通常媒质为 空气,0,0。图3.3 矩形波导与直角坐标系18 (1)TE(1)TE波波 Ez0,满足波动方程(3.3.1)在直角坐标系中上式的具体形式为 (3.3.2)设波导的传播方向为+z,传播因子为 ,对z的二次偏导数可用-kz2 代替,令(3.3.3)于是,式(3.3.2)变为 (3.3.4)式(3.3.3)称作色散方程,kc称作临界波数。应用分离变量法求解式(3.3.4),令 (3.3.5)将式(3.3.5)
15、代入式(3.3.4),得 (3.3.6)19 用X(x)Y(y)除上式,并移项,得 (3.3.7)kc是与坐标x、y无关的常数,上式的左端仅是x的函数,右端仅是 y的函数,因此可令 (3.3.8)(3.3.9)kx 和ky也是与坐标x、y无关的常数。于是式(3.3.7)变为 (3.3.10)若求出kx和ky,便求得临界波数kc,进一步可由色散方程求得z 方向的传播常数kz。式(3.3.8)和式(3.3.9)的解可以是三角 函数或指数函数,两种形式的解各具有其特定的物理解释,本 小节讨论三角函数形式的解,在3.3.3节中再说明指数形式解的物理意义。令 (3.3.11)20 在波导的内壁上,Hz所
16、满足的边界条件已由式(3.3.32)给出,具体化为 (3.3.12)(3.3.13)(3.3.14)(3.3.15)前两式可分别求得B0和D0。将其余两常数A和C合并,记作Hmn (3.3.16)代入边界条件 (3.3.17)(3.3.18)称作矩形波导的导行条件。21 由导行条件可确定kx 和ky的具体形式为 (3.3.19)式中,m,n0,1,2,。最后得Hz(x,y,z)的表示式 (3.3.20)现在用kc2取代k2kz2,并且具体化为直角坐标系,式(3.2.12)改写为 (3.3.21)则:(3.3.22)(3.3.23)(3.3.24)一组m、n的标号代表了一个TE波的模,注意,标号
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