1、第八章 波 导,Waveguide,序,矩形波导,谐振腔,导行电磁波的分类及其一般特性,下 页,返 回,Introduction,8.0.1 频谱表 (Frequency Table),8.0 序,下 页,上 页,返 回,图8.0.1 各种载波体,低、中频区(双导体）,中高频区(微带线）,高频区(金属波导）,8.0.2 波导类型 (Waveguide Forms),下 页,上 页,返 回,8.0.2 微波特点 (Microwave Characteristic),1.类似于光波的特性,波长很短，直线传播。可将电磁能量集中在很小的角度内定向辐射（雷达；航天遥控、遥感、遥测、通信等）,2.穿越电离
2、层的透射性,给空间通信、卫星导航、卫星遥感、射电天文学等提供了无线通道。,下 页,上 页,返 回,4.抗低频干扰特性,大多数自然干扰（来自宇宙、大气层）和人为干扰（电气、电子设备等产生的电子垃圾）集中在数十兆以下的低、中频域内，用微波滤波器便可拒之门外。,信息传输的速度越来越高，如1s内传输 个数据，非微波莫属。,3.宽频带特性,传输的信息越多，占用的频带越宽。 30kM100kM带宽可以传送200路电视或 100000 路双向电话，这是短波通信望尘莫及的。,下 页,上 页,返 回,图8.0.3 不同波长的传播途径,长 波 传 播,短 波 传 播,微 波 传 播,图8.0.2 对流层、同温层和
3、电离层的配置（白天）,下 页,上 页,返 回,8 . 1 导行电磁波分类及其一般特性,8.1.1 导行波的分类 (Guided Waves Types),Guided Electromagnetic Waves Types and Characteristic,设：,载波体无限长，具有轴向均匀性（无反射）,载波体为完纯导体，其周围是理想介质（无损耗）,载波体中无激励源,电磁波沿 z 轴传播，且随时间作正弦变化。,下 页,上 页,返 回,式中 ，沿 z 轴传播的通解为,代入式（1)、(2），得到波动方程,横向拉普拉斯算子。,式中,下 页,上 页,返 回,根据纵向场法解得 和 ，再由Maxwell
4、 方程解得其它四个场分量,波动方程,下 页,上 页,返 回,2、TE 波（ ）,3、TM 波（ ）,亦称横电波 (Transverse Electric),亦称横磁波 (Transverse Magnetic),1、TEM 波,说明，任一时刻，在x0y平面上场的分布与稳态场相同。,下 页,上 页,返 回,8.1.2 波导中波的传播特性 (Propagation Characteristic in Waveguide),传播特性取决于传播常数 g，由 ，,衰减模式,（截止波长）cutoff wavelength,b 为波导中的相位常数，它不同于无界空间的相位常数。,可知,（截止频率）cutoff
5、 frequency,或,下 页,上 页,返 回,临界状态,可传播模式,a. 波导的滤波作用,b. 波导中的相位常数,波导中的相位常数小于无界空间的相位常数。,c. 波导波长,当工作频率（信号源频率） 或 时，信号可以传播，否则呈衰减波。,下 页,上 页,返 回,8.2 矩形波导,8.2.1 TM 波( Hz=0 ) (TM Wave),边界条件,方程,图8.2.1 矩形波导,Rectangular Waveguide,用分离变量法得通解,下 页,上 页,返 回,其余四个场分量,b、m 0 和n0 ，即不存在 TM00，TMn0，TMm0波。,a、沿 z 轴方向传播非均匀平面波， 沿x，y方向
6、为 驻波，m，n分别为驻波波腹点的个数。,已知,传播特性：,下 页,上 页,返 回,8.2.2 TE波（ ）(TE Wave),同上推导,方程,边界条件,传播特性： a. 同TM波 b. m，n不同时为零，即不存在TE00波。,下 页,上 页,返 回,8.2.3 传播特性 (Propagation Characteristic),1. 截止频率和截止波长,2. 传播模式,m, n不同时为零的任意组合成TEmn波, 最低模式为TE10；,3. 简并现象,波导中fc最小的模式称为最低模式，所以,不同的波具有相同的 ，称为简并现象。除TEm0，TE0n之外的所有波均有简并模式。如TE11与TM11，
7、TE21与TM21等。,m 和n 的任意组合构成TMmn波，最低模式TM11；,下 页,上 页,返 回,8.2.4 电磁场的分布 (Electromagnetic Fields Distribution),TE10波：,图8.2.2 TE10波的电场分布,图8.2.4 TE10波的立体电磁场分布,图8.2.5 矩形波导中TE10模的管壁电流,图8.2.3 TE10波的磁场分布,下 页,上 页,返 回,例8.2.1 矩形波导的截面尺寸a=7cm，b=3cm。求(1)截止波长；2）若工作频率f=3109Hz， ，波导中可以传播哪些波；3）若只传播TE10波，波导尺寸 如何改变？,解（1）根据,(2
8、) 工作波长,（TE10TE11 )故波导中可以传播这5个模式的波。,简并模式,下 页,上 页,返 回,（3）若只传播TE10波，工作波长必须满足条件：,工作波长,可选a3.5cm，b=1.5cm (通常a略大于b的两倍）,下 页,上 页,返 回,8.3.1 谐振腔的形成过程 (Fabry Perots Transforming),图8.3.1 从LC回路到谐振腔的演变过程,谐振频率,下 页,上 页,返 回,图8.3.2 几种常见的微波谐振腔,（a）矩形腔,（b）圆柱腔,（c）同轴腔,（d）孔缝腔,（e）扇形腔,下 页,上 页,返 回,谐振腔的特点：,1. 电磁波集中在空腔体内，没有辐射损耗，
9、没有介质损耗，流过高频电流的金属表面增加， 损耗小，品质因数高。,2. 电磁波没有传播，沿 x, y, z 三个方向均为驻波，即电磁波发生振荡。,3. 谐振腔可共存多种模式，因此具有多谐性。,谐振腔主要用于高频滤波器、频率计、回波箱等。,下 页,上 页,返 回,8.3.2 谐振腔中的场结构 (Field Distribution in Fabry Perot),1. TM波（ ）,边值问题：,的通解,图8.3.3 矩形谐振腔,1. 电磁场不在腔内传播，而是随时间振荡（驻波）。,其余四个场分量与 的表达式相似。,2 . 的最低次模为 模。,特点：,下 页,上 页,返 回,2. TE波（ ）,边值
10、问题：,的通解,（2）m,n不可同时为零；,图8.3.4 谐振腔中电磁分布,其余场分量与 相似,(1) 与TM波相同,特点:,下 页,上 页,返 回,3. 谐振频率,将TE、TM波型中任一解代入微分方程，得到特征方程,谐振频率为,可见，fo仅与谐振腔的形状、尺寸、填充介质及波型有关。,谐振腔的特点,a) 多谐性：当谐振腔尺寸确定后，有无穷多个谐 振频率。,b) 简并模式：不同的模式其具有相同的谐振频率。,c) 主模：最低谐振频率的模式为TM110（当abl ),下 页,上 页,返 回,4. 品质因数,与集总电路中谐振回路的品质因数定义相同,计算略,下 页,上 页,返 回,其余四个分量,式中,返 回,其余场量,返 回,雷 达,设置在海上的卫星遥感浮标,下 页,返 回,遥感卫星接收解调技术,微波通讯,下 页,上 页,返 回,微 波 通 讯,雷 达,下 页,上 页,返 回,遥感卫星影像的应用,雷 达,上 页,返 回,
