微波技术基础课件-第2次课(与“系统”有关的文档共25张)

1、微波技术基础课件第2次课(与“系统”有关的文档共25张)微波技术基础课件第2次课(与“系统”有关的文档共25张)第1章 导波的一般特性电磁波1.1 导波和导波系统定义 导波在含有不同媒质边界的空间传播的电磁波； 导波系统构成不同媒质边界的装置。它的作用是束缚并引导电磁波传播。 不同频段和用途的导波系统低频段导波系统 结构两根平行导线； 缺点随着信号频率升高，导线电阻损耗增大，不能有效引导微波。 自由空间波无界导波有界第二页，共25页。第1章 导波的一般特性电磁波自由空间波无界第二页，共25页微波频段导波系统 米波频段结构改进型双导线即平行双导体线； 分米波厘米波频段结构封闭式双导体导波系统即同

2、轴线； 厘米波毫米波频段结构柱面金属波导； 毫米波亚毫米波频段结构柱面金属波导、介质波导。 导波系统的主要功能1）、无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能量从一处有效传输至另一处，称之为馈线; 第三页，共25页。微波频段导波系统第三页，共25页。2）、用以设计构成各种微波电路元件，如滤波器、阻抗变换器、定向耦合器等。导波系统按导行波分类横电磁TEM或准TEM传输线 第四页，共25页。2）、用以设计构成各种微波电路元件，如滤波器、阻抗变换器封闭金属波导表面波波导（或称开波导） 第五页，共25页。封闭金属波导第五页，共25页。导模导行波的模式。又称传输模、正规模，是能够沿导行系统独立存在的场型。

3、特点： 在导行系统横截面上的电磁场呈驻波分布，且是完全确定的。这一分布与频率无关，并与横截面在导行系统上的位置无关； 导模是离散的，具有离散谱，当工作频率一定时，每个导模具有唯一的传播常数； 导模之间相互正交，彼此独立，互不耦合； 具有截止特性，截止条件和截止波长因导行系统和模式而异。 与之对应的截止模第六页，共25页。导模导行波的模式。又称传输模、正规模，是能够沿导行系统独立规则导行系统 定义：无限长的笔直导行系统，其截面形状和尺寸、媒质分布情况、结构材料及边界条件沿轴向均不变化。均直无限长 第七页，共25页。规则导行系统 第七页，共25页。1.2 导波的场分析方法 导行波沿规则波导（a）和

4、双导体传输线（b）的传输 图为均直无限长导行系统。设媒质为各向同性，媒质中无源；又设导行波的电场和磁场为时谐场ejwt，它们满足如下麦克斯韦方程组： 麦克斯韦方程组边界条件第八页，共25页。1.2 导波的场分析方法 导行波沿规则波导（a）和双导体传输采用广义柱坐标系（u，z），设导波沿z向（轴向）传播，微分算符和电场、磁场可以表示成： 第九页，共25页。采用广义柱坐标系（u，z），设导波沿z向（轴向）传播，第展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等 两边乘以j 两边作运算 第十页，共25页。展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等 两边乘以j由、可得：由此两式消去 ：第十一页，共25页

5、。由、可得：由此两式消去 ：第十一页，共2同理，由、可得： 重要结论：规则导行系统中，导波场的横向分量可 由纵向分量完全确定。无界媒质中电磁波的传播常数第十二页，共25页。同理，由、可得： 重要结论：规则导行系统中，导波场的再由出发：第十三页，共25页。再由出发：第十三页，共25页。整理得：既：同理，由可得： 重要结论：导波的横向场满足矢量亥姆霍兹（Helmholtz）的方程。它只有在正交坐标系中才能分解为两个标量亥姆霍兹方程。第十四页，共25页。整理得：既：同理，由可得： 重要结论：导波的横向场满足矢再由出发：第十五页，共25页。再由出发：第十五页，共25页。整理得：既：同理，由可得： 重要

6、结论：规则导行系统中导波场的纵向分量满足标量亥姆霍兹方程 。第十六页，共25页。整理得：既：同理，由可得： 重要结论：规则导行系统中导波色散关系式 纵向场分量可以表示成横向坐标r和纵向坐标z的函数，即代入 第十七页，共25页。色散关系式 纵向场分量可以表示成横向坐标r和纵向坐标z的函数以 求解为例，应用分离变量法，令 令左边第一项等于 令左边第二项等于 第十八页，共25页。以 求解为例，应用分离变量法，令 令左边还可以写成或者 求解 Kc为截止波数，为传播常数，由衰减常数和相位常数 构成，= +j。 重要结论：色散关系式正向波反向波第十九页，共25页。还可以写成或者 求解 Kc为截止波数，为传

7、播常数，由衰减常本征值方程是导波场的本征值方程（若kc0） kc是此方程在特定边界条件下的本征值，称为导波的横向截止波数。它与导行系统的截面形状、尺寸及模式有关。 广义柱坐标系中的表示式 h1和h2正交坐标系的拉梅系数第二十页，共25页。本征值方程是导波场的本征值方程（若kc0） kc是此方程在这样，规则导行系统中沿正z方向传播的导波纵向场分量可以表示为:横-纵向场关系式把 ， 代入到横向场的表达式中，并整理得到：第二十一页，共25页。这样，规则导行系统中沿正z方向传播的导波纵向场分量横-纵向场 重要结论：横-纵向场关系式波阻抗 与波导纳第二十二页，共25页。 重要结论：横-纵向场关系式波阻抗第二十二页，共25页。第二十三页，共25页。第二十三页，共25页。第二十四页，共25页。第二十四页，共25页。重要结论：横纵向场关系，将电磁场的三维分量联系起来，只要求得纵向分量E0z