微波技术基础导波的分类及各类导波的特性.ppt

1 k kc代表的物理意义及三者之间的关系 2 简述金属柱面波导中 导波的三种状态 复习 1 3导波的分类及各类导波的特性1 3 1导波的分类导波的类型是指满足无限长匀直导波系统横截面边界条件 能独立存在的导波形式 按导波有无纵向场分量可以分为两大类 横电磁波 TEM波 Ez Hz 0有纵向场分量的电磁波 这又细分为以下三种类型横电波 TE波 或磁波 H波 Ez 0 Hz 0横磁波 TM波 或电波 E波 Ez 0 Hz 0混合波 EH波或HE波 Ez 0 Hz 0 1 无纵向场分量 即Ez Hz 0的电磁波 这种波只有横电磁场 故称为横电磁波 TEM波 电 磁力线位于导波系统的横截面内 横电磁波只能存在于多导体导波系统中 如双线 同轴线等这类导波系统中 自由空间波 TEM波 Ex Ey Hx Hy Ez 0 Hz 0 2 有纵向场分量的电磁波 这种波又细分为以下三种类型 1 Ez 0 Hz 0的波称为横电波 TE波 或磁波 H波 其电力线全在导波系统的横截面内 磁力线为空间曲线 2 Ez 0 Hz 0的波称为横磁波 TM波 或电波 E波 其磁力线全在导波系统的横截面内 电力线为空间曲线 3 Ez 0 Hz 0的波称为混合波 EH波或HE波 这种波可视为TE波和TM波的线性叠加 TM11 1 Ez 0 Hz 0的波称为横电波 TE波 或磁波 H波 2 Ez 0 Hz 0的波称为横磁波 TM波 或电波 E波 3 Ez 0 Hz 0的波称为混合波 EH波或HE波 前两种波 TE波和TM波可以独立存在于金属柱面波导 圆柱介质波导和无限宽的平板介质波导中 后一种波 EH波或HE波 则存在于一般开波导和非均匀波导 如波导横截面尺寸变化 波导填充的介质不均匀等 中 这是由于单独的TE波或TM波不能满足复杂的边界条件 必须二者线性叠加方能有合适的解之故 相速 是没有受到任何调制的单频稳态正弦波的波前 等相位面 在传播方向上推进的速度 相对论 宇宙间任何物体的运动速度 任何信号或能量的传播速度不可能超过光速 这种 早就开始振荡和传播 并且持续不断的 波 不载有任何信息 三TE波 TM波的特性分析 群速 波包中心行进的速度 d d 代表能量或信号的传播速度 相速是波包中某个单频的相位移动速度 光在真空中 群速和相速相等 都等于c 记一下 1 63a 1 63b 2 群速 群速即信号传播速度 用vg表示 它是指 略有不同的两个或两个以上的正弦平面波 在传播中叠加所产生的拍频传播速度 即波群的传播速度 之所以这样定义它 是因为电磁波要传送信号 必须对它进行调制 信号的传播速度应当是调制波中能反映信号的成分 例如调幅波波群 或波包 的传播速度 由两个频率相差甚微 从而相位常数也相差甚微的等幅波叠加而成的波 设 三TE波 TM波的特性分析 式中 合成波为 1 64 可见合成场为一调幅波 振幅函数是一个慢变化的波 它叠加在高频载波上形成合成波的幅度包络线 或称为合成波的波包 合成波的变化规律如图1 4所示 三TE波 TM波的特性分析 图1 4 1 65 1 66 在的极限情况下 上式变为 调幅波的信号是由波包内的波群作为一个整体在传播方向上运动来传递的 因此波包的传播速度就代表了信号传递的速度 波包的传播速度很容易用相位恒定条件求出 即 对t求导数可得群速表示式 1 67 三TE波 TM波的特性分析 双负介质 DNGmedia Double Negativemetamtaterials 负折射率介质 NIMs Negative IndexMaterials NRI Negative Refractive Index 左手介质 LHM Left HandedMaterial 后向波介质 BWmedia Backward Wavemedia 人工复合材料 CMM CompositeMetamaterial 孔金瓯 KongJA 教授建议其中文名称为 异向介质 光子晶体 PC PhotonicCrystals 手征介质 Chiralmedia 1 1称谓 异向介质介绍 1金属导线阵列和开路环谐振器2用Drude介质模型或Lorentz介质模型来等效3传输线上加载串联电容和并联电感构成的复合介质 实现方法 实验制得的左手材料结构 左手材料的研制被 科学 杂志评为2003年度全球十大科学进展 1 2早期研究进展及实现方法 均匀排列的细金属开路环谐振器基本结构单个谐振环基本结构 1 金属导线阵列和开路环谐振器 图2 3D R Smith制作出的微波波段的异向介质 对称环结构S型嵌套结构各种结构的开路环谐振器 1 3实现方法 均匀排列的细金属 1 金属导线阵列和开路环谐振器 金属阵列的等效介电系数将遵循下面的形式 2 1 式 2 1 中 0为真空介电常数 为入射波频率 p为等离子体频率 为等离子体电子碰撞频率 为金属导线的电导率 我们可以通过调整金属导线周期尺寸a和导线的粗细d在需要的频段得到负的介电系数 实现方法 开路环谐振器基本结构单个谐振环基本结构 1 金属导线阵列和开路环谐振器 PendryJB和KoschnyT等人同时指出用开路环谐振器 SRRs SplitRingResonators 见图2 1 b 阵列可以构造等效 和 为负的介质即 2 2 式中 m为磁等离子体频率 m为磁谐振频率 为磁等离子体电子碰撞频率 表示其损耗特性 0为电谐振频率 同样通过调整SRRs的环宽度w 环间距s 环开口g在需要的频段得到负的磁导系数 将图2 1 a 和多个图2 1 b 的SRRs 介质板周期排列结合 可以得到异向介质材料 如图2 1 c 异向介质的介电系数和磁导系数可以通过提取S参数来求出 实现方法 2 等效的Drude介质模型或Lorentz介质模型 1 3实现方法 3 传输线上加载串联电容和并联电感构成的复合介质 纯右手材料纯左手材料复合介质等效电路模型 微带线 交叉指电容和接地的短桩电感电容增强型蘑菇结构物理实现 1 3实现方法 异向介质的应用前景 理想 透镜 异向介质实现定向天线原理图 超薄谐振腔结构 吸波隐身材料等 导行波分为 和三类这时 导行波的传播特性与均匀平面波相同 是TEM波 由k与kc的不同关系 这种导行波又可分为以下三种状态 相位速度 群速度 波导波长 特点 是相速大于平面波速 即大于该媒质中的光速 而群速则小于该媒质中的光速 同时导波波长大于空间波长 这是一种快波 临界状态沿z方向没有波的传播过程 k称为临界 截止 波数 临界 截止 角频率 临界 截止 频率 临界 截止 波长 这时场的振幅沿z方向呈指数变化而相位不变 它不再是行波而是衰减场 式中第一项代表沿 z方向衰减的 第二项代表沿 z方向衰减的场 这种状态称为截止状态或过截止状态 这种导行波的相速小于无界媒质中的波速 而波长小于无界媒质中的波长 这是一种慢波 可用周期结构实现 回旋振荡管 慢波 特点 发展最早 现在已经比较成熟 工作频率从厘米波段到亚毫米波段 在毫米波和亚毫米波波段是目前最有优势的高平均功率源 图2回旋振荡管结构图 图回旋速调管的结构示意图 回旋速调管 微波功率发生器 空间功率合成 波束控制 接收天线 微波整流电路 整流天线组阵技术等 1 3 2TEM波的特性分析场分量TEM波无纵向场分量 将代入横向场与纵向场的关系式有 可得 TEM波的场分量 与传播方向互相垂直 并按成右手螺旋关系 TEM波的波阻抗和波导纳为 与无界媒质相同 于是传播特性由横 纵场关系可知 当时 要使等式 1 2 38 和式 12 39 左端的场不为零 横场若为零 则TEM波不存在 只有kc等于零 即TEM波有 或 此式说明TEM波无低频截止 即双线 同轴线等传输线 理论上可以传播任意低频率的电磁波 再由得 无耗时此式表明导波中TEM波的传播常数与无界均匀媒电磁波的传播常数相同 再由 波的相位速度vp定义为波的等相位