第三章规则波导和空腔谐振器ppt课件

1、微波技术与天线微波技术与天线第3章 规则波导和空腔谐振器本章开始以矩形本章开始以矩形波导为例，学习波导为例，学习微波电路微波电路场场的分的分析方法析方法xyzOba宽边宽边窄边窄边0tt DHJBEBD麦克斯韦方程波动方程边界条件+ +xyzOba22222200EEtHHt ss1212121200DDnBBnEEnJHHn矩形波导参数及场分布q Ez= 0， Hz= 0 的波，称为横电磁波，简记为的波，称为横电磁波，简记为 TEM 波波q Ez 0， Hz= 0 的波的波 ，称为横磁波，简称为，称为横磁波，简称为 TM 波或波或 E 波波q Ez= 0， Hz 0 的波，称为横电波，简称为

2、的波，称为横电波，简称为 TE 波或波或 H 波。波。 传导电磁波的分类传导电磁波的分类波导中可存在的波型矩形波导矩形波导TE波的通解为：波的通解为：mn( , )cos()cos()zmnHx yHxyab0 1 2 3,m ， ，0 1 2 3,n ， ，mn2cmn2cmn2cmn2c( , , )sin()cos()e( , , )cos()sin()ej( , , )cos()sin()ej( , , )sin()cos()ezxzyzxzymmnH x y zHxykaabnmnHx y zHxykbabnmnE x y zHxykbabmmnE x y zHxykaab( , ,

3、 )0zE x y z nm和 不能同等于零m m、n n的物理解释的物理解释0( , , )cos()sin()ezxmnE x y zHxyab以以TETE波电场的波电场的x x分量为例分量为例当当m=1m=1，n=2n=2时时y y一定时，一定时，x x从从0 0到到a a，ExEx存在存在2 2个极点，个极点，1 1个零点，经历了一个个零点，经历了一个”半波半波“x x一定时，一定时，x x从从0 0到到a a，ExEx存在存在2 2个极点，个极点，3 3个零点，经历了两个个零点，经历了两个”半波半波“m：表示场沿波导截面宽边分布的半波数n：表示场沿波导截面窄边分布的半波数02( ,

4、, )cos()sin()ezxE x y zHxyab波导为一个天然的高通滤波器，不同波导模波导为一个天然的高通滤波器，不同波导模式都对应于相应的截止频率式都对应于相应的截止频率fcfc，只有高与此频率的，只有高与此频率的该模式的波才能够在波导中传播。该模式的波才能够在波导中传播。波导的截止频率及截止波长波导的截止频率及截止波长单模传输条件单模传输条件波导中仅有一个模式的波可以传播的条件。波导中仅有一个模式的波可以传播的条件。j0j0j00jsine0jsine0cosexzyczzxcyzzEEHxkaEHHxkaHHHxa 3.2 3.2 矩形波导矩形波导TE10TE10模模波导主模波导

5、主模TETE1010模的场结构模的场结构xyzObaTETE1010模场表达式的瞬时形式模场表达式的瞬时形式000sinsintsinsintcoscostycxczEHxzkaHHxzkaHHxza 瞬时形式瞬时形式以下研究以下研究t=0t=0时，时，TE10TE10模式场的分布情况模式场的分布情况3.2.1 TE103.2.1 TE10模的场结构模的场结构电场分布电场分布1 1、电场只有、电场只有y y分量，垂分量，垂直与波导宽边直与波导宽边, ,平行与波平行与波导窄边。导窄边。2 2、电场沿波导宽边呈正弦、电场沿波导宽边呈正弦分布，中间最强，两边壁分布，中间最强，两边壁处为处为0 0 x

6、yzOba4 4、电场的模值沿、电场的模值沿y y方向方向均匀不变均匀不变000sinsinsinsincoscosycxczEHxzkaHHxzkaHHxza 3 3、电场沿纵向呈正弦分布、电场沿纵向呈正弦分布红色红色线条代表电力线线条代表电力线3.2.1 TE103.2.1 TE10模的场结构模的场结构磁场分布磁场分布1 1、磁场由、磁场由x x和和z z分量共同分量共同构成，平行与波导宽边。构成，平行与波导宽边。2 2、磁力线闭合，呈现跑、磁力线闭合，呈现跑道形状道形状3 3、磁场的模值沿、磁场的模值沿y y方向方向均匀不变均匀不变xyzOba000sinsinsinsincoscosy

7、cxczEHxzkaHHxzkaHHxza 4 4、沿纵向，、沿纵向，HxHx最弱的位最弱的位置对应与电场置对应与电场EyEy最弱的最弱的位置。位置。HzHz最弱的位置对最弱的位置对于与于与EyEy最强的位置。最强的位置。蓝色蓝色线条代表磁力线线条代表磁力线 a b 传播方向 p/2 TE10TE10模式场的三维图形模式场的三维图形xyzOba3.2.3 TE103.2.3 TE10模的壁电流分布模的壁电流分布TE10TE10模的壁电流分布模的壁电流分布00sinsintcoscostxczHHxzkaHHxza 已知矩形波已知矩形波导内部磁场导内部磁场的分布的分布ssJnH 波导壁上的电流分

8、布波导壁上的电流分布例如，例如，t=0t=0时刻，对于时刻，对于x=0 x=0处的处的波导壁上波导壁上0coszHHzxne0cossyJe Hz 3.2.3 TE103.2.3 TE10模的壁电流分布模的壁电流分布2、宽壁上的壁电流呈辐射状，即从中心向外发散或由外向中心汇聚；1、窄壁上的壁电流平行于y轴，且沿y轴均匀分布图3-2-3 波导壁上的缝隙3.2.3 TE103.2.3 TE10模的壁电流分布模的壁电流分布研究壁电流分布的应用研究壁电流分布的应用1、若为了测量和充气，则应尽可能不割断壁电流，如缝隙1、2。2、若为了形成缝隙天线，则应尽可能多割断壁电流，如缝隙3、43.2.5 TE10

9、3.2.5 TE10模的等效阻抗模的等效阻抗等效电压和等效电流等效电压和等效电流波导中两点间的电压不存在唯一性波导中两点间的电压不存在唯一性若取路径若取路径AEDCAEDC，则，则ACAC两点间的电压为零；两点间的电压为零；若取路径若取路径ABCABC，则，则ACAC两点间的电压不为零。两点间的电压不为零。dCACAUEl定义：定义：TE10TE10模的等效电压为，对电场沿路径模的等效电压为，对电场沿路径ABCABC积分积分所得电压所得电压bHkyEVcbaxye002d等效电压等效电压022002dHaxJIabyze 或3.2.5 TE103.2.5 TE10模的等效阻抗模的等效阻抗定义：

10、定义：TE10TE10模的等效电流为，流过一个波模的等效电流为，流过一个波导宽壁的纵向电流导宽壁的纵向电流等效电流等效电流等效阻抗等效阻抗eeeUZI22eeUZP22eePZI用等效阻抗用等效阻抗 取代长线中的特性阻抗取代长线中的特性阻抗 后，可以将长后，可以将长线理论推广应用到波导问题中，并称之为广义长线理论。线理论推广应用到波导问题中，并称之为广义长线理论。eZ0Z3.2.6 3.2.6 高次波型高次波型1 1、首先判断是、首先判断是TETE波还波还是是TMTM波波2 2、电场在、电场在x x方向出现方向出现了了2 2个最大点，在个最大点，在y y方方向均分布向均分布2m 0n 此为此为

11、TE20TE20波的场波的场结构图结构图3.2.6 3.2.6 高次波型高次波型1 1、首先判断是、首先判断是TETE波还波还是是TMTM波波2 2、电场在、电场在x x方向均匀方向均匀分布，在分布，在y y方向出现方向出现1 1个最大点个最大点0m 1n 此为此为TE01TE01波的场波的场结构图结构图3.2.6 3.2.6 高次波型高次波型通过研究场分布，可以设计抑制该波型的结构通过研究场分布，可以设计抑制该波型的结构TE01TE01波的电场波的电场消除消除TE01TE01波金属隔板波金属隔板3.2.7 3.2.7 激励与耦合激励与耦合激励与耦合激励与耦合激励：在波导中建立所需波型的方法激

12、励：在波导中建立所需波型的方法耦合：从波导中取出所需波型的能量的方法耦合：从波导中取出所需波型的能量的方法激励激励耦合耦合激励方法激励方法电场激励：在某一截面上建立起电力线，这些电力电场激励：在某一截面上建立起电力线，这些电力线的形状和方向与所需波型的一样；线的形状和方向与所需波型的一样；3.2.7 3.2.7 激励与耦合激励与耦合磁场激励：在波导中建立起磁力线，这些磁力线的形磁场激励：在波导中建立起磁力线，这些磁力线的形状和方向与所需波型的一样；状和方向与所需波型的一样；电流激励：在波导壁上建立起壁电流，这些壁电流的电流激励：在波导壁上建立起壁电流，这些壁电流的方向和分布与所需波型相一致。方

13、向和分布与所需波型相一致。激励装置激励装置探针激励探针激励在波导内插入一电偶极子，电偶极子的取向与所需在波导内插入一电偶极子，电偶极子的取向与所需波型的电场方向相一致波型的电场方向相一致3.2.7 3.2.7 激励与耦合激励与耦合 a b 传播方向 p/2 激励激励TE10TE10模的探针激励装置模的探针激励装置1 1、探针在波导宽边的最中心、探针在波导宽边的最中心2 2、波导同轴过渡结构中，探针处在距离短路面、波导同轴过渡结构中，探针处在距离短路面/4处处激励激励TE20TE20模的探针激励装置模的探针激励装置3.2.7 3.2.7 激励与耦合激励与耦合线环激励线环激励在波导内置入一磁偶极子，磁偶极子的取向与所需波型在波导内置入一磁偶极子，磁偶极子的取向与所需波型的磁场方向相一致的磁场方向相一致 a b 传播方向 p/2 3.2.7 3.2.7 激励与耦合激励与耦合小孔激励小孔激励图图a a的公共壁为