金属波导壁电流分布及应用.ppt

通信一班2组,微波技术与天线,壁电流,讨论内容,一、矩形金属波导二、矩形金属波导在主模TE10模下电磁场和壁电流分布三、矩形金属波导壁电流特性在实践中的应用,矩形金属波导,实物图片,定义：通常将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气介质的规则金属波导的统称。优点：结构简单，机械强度大，其封闭的结构可以避免外界干扰和辐射损耗，又因为它无内导体，所以导体损耗低，功率容量大。目前的大功率的微波系统中常采用矩形波导作为传输线和构成微波元器件。,一、矩形金属波导,什么叫波导的主模,波导的主模是波导中截止频率最低的模式，可以在波导中单独存在，作为单模传输。高于主模的其他模式，统称为高次模。,矩形波导中的主模是TE10模,矩形波导的主模,将m=1n=0代入传输特性公式，可得主模传输特性。,由上式可以看出，矩形波导中，TE10波沿Z方向为行波，沿X方向为驻波，Hz沿x方向按余弦分布，Hx、Ey沿x方向按正弦分布，Hx、Ey、Hz的振幅均与y无关。,主模传输特性,、电场分布,Ey与x轴有关，且Ey与成正比；如图，沿宽边a电场按正弦律变化。在x=0和x=a处，电场Ey为零；在x=a/2处，电场Ey为最大；为一个半驻波分布；波沿+z方向传播，即整个场型沿z轴传播。,其电场只有Ey分量，电力线是些平行于y轴的电力线；其幅度不随y变化（与y无关），故沿b边电场无变化。,、磁场的分布,平行于波导宽边的xz平面内，磁力线是闭合曲线。同样，磁场与y无关（在y方向场不变）；,Hx在波导宽边上为正弦分布，而Hz在波导宽边上为余弦分布；,磁场有Hx和Hz两个分量,TE10模式下电磁场的结构图,1、定义：当波导内传输电磁波时，波导内壁上将会感应高频电流，称为壁电流。,2、研究管壁电流的意义,管壁电流与场结构密切相关，场结构决定管壁电流的分布，反过来，管壁电流也决定场结构的分布。对于波导的激励、波导参数的测量以及波导器件的设计都需要了解和理由管壁电流的分布。,二、壁电流,Js=nHr,管壁电流的求解,利用理想导体的边界条件：,因此，只要知道波导表面切向磁场的分布，就可得出管壁电流分布。由TE10模的磁场表达式（省去传播因子），有:,表面电流密度,内壁面法相单位矢量,内表面切向方向的磁场,壁电流分布,在X=0的侧壁上,在X=a的侧壁上,窄壁面,b,a,0,结论：电流只有Y分量，且在x=0和x=a侧管壁电流相等，电流密度为常数。,宽壁面,0,b,a,（1）在y=0的下壁面上,法向为y+轴方向，切向磁场分量有Hx和Hz,其中，,与Hx对应的Js为:,与Hz对应的Js为:,0,b,a,（1）在y=b的上壁面上,法向为-y轴方向，切向磁场分量有Hx和Hz,其中，,与Hx对应的Js为:,与Hz对应的Js为:,宽壁上面,结论：在y=0和y=b的管壁电流相反。,壁中央电流分布,在波导宽边中央，TE10模的管壁电流只有沿z方向的电流分量。,壁电流分布图,管壁电流的连续性,在宽壁上管壁电流有中断现象,似乎电流不连续；实际上除了波导壁上有壁电流以外,在波导内还存在位移电流。位移电流与壁电流组成了闭合的电流线。,位移电流分布与电场分布相似,仅是时间相位上位移电流超前电场/2,因此只要把电场图形向z方向移动p/4,便得到位移电流,位移电流：,电场力线图,位移电流：,由位移电流公式可知，当电场强度最大时位移电流达到最大值。即，x=a/2波导宽壁中央位置时Ey振幅最大，也即位移电流取得最大位置处。,三、壁电流特性在实际工程中的应用,开槽问题若窄缝是沿电流取向，它将不会影响或极少影响场强的分布；若窄缝切断了管壁电流，则场型将被扰乱，其结果将会引起辐射和管内波的反射等现象。,因为矩形波导中的主模为TE10模,而由TE10的管壁电流分布可知,在波导宽边中线处只有纵向电流.因此沿波导宽边的中线开槽不会因切断管壁电流而影响波导内的场分布,也不会引起波导内电磁波由开槽口向外辐射能量,辐射性槽,非辐射性槽,1、辐射性槽的应用,在利用波导作为微波天线或解决某些激励耦合问题时需要在波导壁上开槽缝，目的为了让高频能量从波导中适量辐射出去。,开槽,切断壁电流,辐射性槽,辐射电磁波,如图，缝隙B切断了壁电流线，迫使缝边缘电流改道绕行，而大部分壁电流以位移电流的形式穿越槽缝流通，这意味着存在横跨缝隙的强电场，它与平行于槽缝的场一起构成了指向波导外测的坡印亭矢量，引起电磁波向外辐射。,B,在波导宽壁上偏离中心轴线且平行于该轴线开一系列窄缝隙，每一槽缝构成该天线阵的一个阵元，若同侧两相邻缝相距p、对面两相邻缝相距p/2，由TE10模壁电流的分布规律知。每一个阵元上壁电流方向相同，故构成相辐射而在空间叠加。,波导