西电微波技术基础Ch13.ppt

第13章 矩形波导TE10波 TE10ModeinRectangularWaveguide 我们先回顾一下矩形波导产生的思想过程 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 又开始用枝节再一次封闭起来 使能量在内部传输 这是由开放 封闭的第二过程 它是对第一次的否定 但是这一次所封闭的不是导线内部 而是空间内部 这种做法使微波能量既在空间传输 又是封闭的 低频 封闭的导线微波低端 开放空间高端 封闭空间图13 1 TE10波主要特性 TE10波主要特性 TE10波主要特性 一 TE10波的另一种表示 我们在上面给出的TE10波表达式 是以Hz为领矢矢量的 然而 在实用上也常有用Ey作领矢矢量 即设 利用Maxwell方程 13 1 一 TE10波的另一种表示 于是最终得到 很明显 13 2 二 TE10波的功率和容量 根据电磁场理论 13 3 其中是Poynting矢量 二 TE10波的功率和容量 图13 3计算功率时的面积元 二 TE10波的功率和容量 13 4 二 TE10波的功率和容量 请注意 对非磁介质波导 表示介质中的波长 二 TE10波的功率和容量 在实际工程中有个功率容量问题 E0不能超过击穿场强Emax 所以 13 5 讨论 1 功率容量Pmax与波导面积ab成正比 所以 低频雷达功率容量大 此外 同样的情况波导比同轴线功率容量大 二 TE10波的功率和容量 很明显 x愈接近1则功率容量愈低 且x 0 5会出现其它模式 2 Pmax与有关设 图13 4 13 6 二 TE10波的功率和容量 目前的雷达战中 对提高峰值功率容量极为重视 因为在一定意义上 功率就是作用距离 所以增加传输线功率容量相当重要 气体击空的实质是场拉出游离电子在撞到气体分子之前已具有足够的动能 再次打出电子 形成连锁反应 以致击穿 如果在概念上 我们加大气体密度 就不会出现很大动能的电子 所以加大气压和降低温度是增加耐压功率的常用办法 实验表明 对于空气耐功率近似与气压的5 4次方成正比 而与绝对温度成反比 绝对湿度每增加2 5克 米3 耐功率下降6 二 TE10波的功率和容量 在工程中常见的气体是SF6和cd2F2 不同气体 不同气压时耐功率实验结果 相对值 二 TE10波的功率和容量 不同温度时的饱和不汽密度 二 TE10波的功率和容量 上面所讨论的认为系统传输行波 倘若传输驻波则耐功率还会降低 如果令Pmax是驻波比为 时的入射功率 则 13 7 一般地说 驻波系数影响安全系数 只要打四倍余地完全足够 此外 在传输过程中尖端棱角是最容易发生打火击穿的地方 在高功率运用时一定要注意去掉毛刺 二 TE10波的功率和容量 图13 5尖端效应影响耐功率 三 TE10波内壁电流 在电磁理论中已经讲过波导管壁的传导电流分布是由管内磁场的切向分量所决定 13 8 图13 6波导管内壁电流 三 TE10波内壁电流 管壁电流处于波导内壁 因为有SkinEffect 大小等于 方向由决定 三 TE10波内壁电流 三 TE10波内壁电流 三 TE10波内壁电流 三 TE10波内壁电流 三 TE10波内壁电流 总的内壁电流见图所示 图13 7 三 TE10波内壁电流 中间的源由场的变化 也即位移电流给予连续 在波导中凡是切断电流的都要引起辐射和损耗 所以 波导与法兰的连接一定要密切配合 四 TE10波衰减 在矩形波导作传输线运用时 功率容量和衰减是一个问题的两个方面 增加功率是为了使通讯雷达 看 远 减小衰减是为了保证功率不受损失 一个 增产 一个 节支 相互依存 缺一不可 一般认为波导空间 AirSpace 是无耗的 所谓衰减是指电流的壁损耗 假定P0是理想导体波导的传输功率 则 四 TE10波衰减 于是 13 9 其中 表示单位长度内的功率损耗 负号代表功率减少 在小衰减的条件下 P P0 于是 13 10 四 TE10波衰减 图13 8衰减计算用图 四 TE10波衰减 在波导内表面壁d dldz上衰减功率式中 Jsm 表面电流密度 Rs 表面电阻 13 11 四 TE10波衰减 其中 dP dPL 另一方面 13 12 所以得到 13 13 四 TE10波衰减 其中 式 13 13 给出的是NP m 一般应采用dB m 有adB m 8 686aNP m 13 14 四 TE10波衰减 四 TE10波衰减 四 TE10波衰减 具体对于铜材料于是有 13 15 矩形波导衰减小 要求b大 这样功率容易分散 对频率a有最佳值 a数量级是0 01dB m左右 为了要确保电流损耗小 镀复厚度要超过趋肤深度 四 TE10波衰减 图13 9衰减曲线 附录 APPENDIX 矩形波导衰减极值已经知道 在矩形波导TE10波中 可以令 且 于是 对a优化时 所考虑的极值函数为 也即 附录 APPENDIX 最后得到 附录 APPENDIX 其中a b 极限值是 附录 APPENDIX 所以 能获得最小衰减的 附录 APPENDIX PROBLEMS13 一 当波导内填充相对介电常数为的介质时