第5章電磁場與微波技術+課件PPT(黃玉蘭)

1、第第5 5章章 微波傳輸線微波傳輸線 金屬波導傳輸線的一般分析金屬波導傳輸線的一般分析5.1矩形波導矩形波導5.2圓波導圓波導5.3 帶狀線帶狀線 5.5 微帶線微帶線 5.6同軸線及其高次模同軸線及其高次模5.4圖圖5.1 5.1 金屬波導傳輸線金屬波導傳輸線 5.1.1 5.1.1 導波方程及其求解導波方程及其求解 （5.15.1） （5.25.2） （5.35.3） （5.45.4）E EH HjHHE Ej0H H0E E 圖圖5.2 5.2 任意截面形狀的金屬波導任意截面形狀的金屬波導 （5.65.6） （5.75.7）),(),(),(zvuEzvuzvuzzte eE EE E)

2、,(),(),(zvuHzvuzvuzzte eH HHH （5.155.15） （5.165.16） （5.175.17）（5.185.18） 022ttkE EE E022ttkHHH H022zzEkE022zzHkH（5.225.22） （5.235.23） vHhuEhkjEzzcu212uHhvEhkjEzzcv122（5.245.24） （5.255.25）vEhuHhkjHzzcu212uEhvHhkjHzzcv122 5.1.2 5.1.2 波沿波導傳輸?shù)囊话悴ㄑ夭▽鬏數(shù)囊话闾匦蕴匦?1. 1. 波導中傳輸模的種類波導中傳輸模的種類 E Ez z=0=0且且H Hz z=0

3、=0的傳輸模稱為橫電磁模，的傳輸模稱為橫電磁模，也稱為橫電磁波，記作也稱為橫電磁波，記作TEMTEM波。波。 (2)E(2)Ez z=0=0而而H Hz z00的傳輸模稱為橫電的傳輸模稱為橫電?；虼拍?，記為?；虼拍?，記為TETE?；蚰；騂 H模；模；E Ez z00而而H Hz z=0=0的傳輸模稱為橫磁模或電的傳輸模稱為橫磁?；螂? =模，記為模，記為TMTM?；蚰；駿 E模。空心金屬管模?？招慕饘俟懿▽е荒軅鬏斶@類模。波導只能傳輸這類模。 (3)E(3)Ez z00且且H Hz z00的傳輸模稱為的傳輸模稱為混合模，分為混合模，分為EHEH模和模和HEHE模。模。 2. 2. 截止波長截止

4、波長 （5.275.27）222ckkcck2 3. 3. 波的速度波的速度 相速度定義為波型的等相位面沿波導相速度定義為波型的等相位面沿波導縱向移動的速度。公式為縱向移動的速度。公式為 （5.285.28）22111ccpvkkkv 群速度是指由許多頻率組成的波群的群速度是指由許多頻率組成的波群的速度，或者說是波包的速度。定義為速度，或者說是波包的速度。定義為 （5.295.29）21cgvvdd 4. 4. 波導波長波導波長（5.315.31）21cppfv 5. 5. 波阻抗波阻抗 （5.325.32） （5.335.33）21cvuHEZTE21cvuHEZTM 6. 6. 功率流功率

5、流 （5.345.34）SvuvuPzttdRedReSSe eHHE ES SHHE E,212100 圖圖5.3 5.3 矩形波導矩形波導 圖圖5.4 5.4 矩形波導的形成矩形波導的形成 5.2.1 5.2.1 矩形波導中的波型矩形波導中的波型及場分量及場分量 1. TM1. TM模模 (5.44)(5.44)zjzeybnxamEEsinsin0 zjcyzjcxzjcyzjcxeybnxamEamkjHeybnxamEbnkjHeybnxamEbnmkjEeybnxamEamkjEsincoscossincossinsincos02020202 222bnamkc 2. TE 2.

6、TE模模zjzeybnxamHHcoscos0 zjcyzjcxzjcyzjcxeybnxamHbnkjHeybnxamHamkjHeybnxamHamkjEeybnxamHbnkjEsincoscossincossinsincos02020202 222bnamkc 5.2.2 5.2.2 矩形波導中波的縱向矩形波導中波的縱向傳輸特性傳輸特性1. 1. 截止波長截止波長 或或 (5.52)(5.52)22ckkc (5.54)(5.54) (5.55)(5.55)222bnamc222bnamvfcc圖圖5.5 BJ-1005.5 BJ-100型波導的截止波長分布圖型波導的截止波長分布圖2.

7、 2. 相速度和相波長相速度和相波長21cpvv21cp 3. 3. 群速度群速度21cgvv 例例5.15.1用用BJBJ3232型波導作饋線，試問：型波導作饋線，試問：（1 1）當工作波長為）當工作波長為6cm6cm時，波導中能時，波導中能傳輸哪些模式傳輸哪些模式? ?（2 2）為保證單模傳輸，工作波長范）為保證單模傳輸，工作波長范圍應為多少圍應為多少? ?（3 3）在傳輸）在傳輸TETE1010模時，測得相鄰兩波模時，測得相鄰兩波節(jié)點的距離為節(jié)點的距離為10.9cm10.9cm，工作波長，工作波長和和波導波長波導波長p p為多少？為多少？（4 4）當波導中傳輸工作波長為）當波導中傳輸工作

8、波長為10cm10cm的的TETE1010模時，模時，pp、v vp p及及v vg g為多少？為多少？解（解（1 1）BJ-32BJ-32型波導，型波導，由公式，由公式既工作波長為既工作波長為6cm6cm時，波導中能傳輸時，波導中能傳輸TE10TE10模、模、TE20TE20模、模、TE01TE01模、模、TE11TE11模和模和TM11TM11模。模。cm214. 7acm404. 3b222bnamc（2）為保證單模傳輸，工作波長范圍應為）為保證單模傳輸，工作波長范圍應為工作波長為工作波長為cm 14.428cmcm214. 703.12（4）當波導中傳輸工作波長為）當波導中傳輸工作波長

9、為10cm的的TE10模時，模時， 光速光速cm87.13428.1410110122cpm/s881016. 41387. 01 . 0103pppcfvm/s821016. 2pgvcv 5.2.3 5.2.3 矩形波導中模式的矩形波導中模式的場結構圖場結構圖0cossinsin00202yzxzjzzjcxzjcyHEEexaHHexaHakjHexaHakjE圖圖5.6 TE105.6 TE10模的電場分布模的電場分布圖圖5.7 TE105.7 TE10模的磁場分布模的磁場分布圖圖5.8 TE105.8 TE10模的電磁場分布模的電磁場分布（a a）TE20TE20模的電磁場分布模的電

10、磁場分布 ） TE01TE01模的電磁場分布模的電磁場分布圖圖5.9 TE205.9 TE20模和模和TE01TE01模的電磁場分布模的電磁場分布（a a）TE11TE11模的電磁場分布模的電磁場分布 （b b）TM11TM11模的電磁場分布模的電磁場分布圖圖5.10 TE115.10 TE11模和模和TM11TM11模的電磁場分布模的電磁場分布 5.2.4 5.2.4 矩形波導的管壁電流矩形波導的管壁電流圖圖5.11 5.11 矩形波導矩形波導TE10TE10模的管壁電流分布圖模的管壁電流分布圖（a a）測量縫）測量縫 （b b）輻射縫）輻射縫圖圖5.12 5.12 矩形波導矩形波導TE10

11、TE10模開縫位置圖模開縫位置圖 5.2.5 5.2.5 矩形波導尺寸的設計矩形波導尺寸的設計考考 保證矩形波導單模傳輸?shù)臈l件為保證矩形波導單模傳輸?shù)臈l件為 （5.695.69）20,2ba圖圖5.13 5.13 脊波導脊波導圖圖5.14 5.14 圓波導圓波導 5.3.1 5.3.1 圓波導中的波型及場圓波導中的波型及場分量分量1. TM1. TM模模（5.785.78）mncvR2)(xJm)(xNm、圖圖5.15 5.15 和和 的變化曲線的變化曲線)(xJm mnvcmnvc波型波型值值值值波型波型值值值值TMTM0101TMTM1111TMTM2121TMTM02022.4052.4

12、053.8323.8325.1355.1355.5205.5202.62R2.62R1.64R1.64R1.22R1.22R1.14R1.14RTMTM1212TMTM2222TMTM0303TMTM13137.0167.0168.4178.4178.6508.65010.17310.1730.90R0.90R0.75R0.75R0.72R0.72R0.62R0.62R表表5.1 TM5.1 TM波型的截止波長波型的截止波長 zjmmcmczjmmcmcrzjmmcmzzjmmcmczjmmcmcrerkJEkjHerkJErkmjHerkJEEerkJErkmjEerkJEkjEcossin

13、0sincos02cossin0sincos02cossin0 2. TE 2. TE模模zjmmcmzzjmmcmczjmmcmcrzjmmcmczjmmcmcrerkJHHerkJHrkmjHerkJHkjHerkJHkjEerkJHrkmjEcossin0sincos02cossin0cossin0sincos02 mncR2mncmnc波型波型值值值值波型波型值值值值TETE1111TETE2121TETE0101TETE31311.8411.8413.0543.0543.8323.8324.2014.2013.41R3.41R2.06R2.06R1.64R1.64R1.50R1.50

14、RTETE1212TETE2222TETE0202TETE13135.3325.3326.7056.7057.0167.0168.5368.5361.18R1.18R0.94R0.94R0.90R0.90R0.74R0.74R表表5.2 TE5.2 TE波型的截止波長波型的截止波長 3. 3. 圓波導中的波型及截止波長圓波導中的波型及截止波長圖圖5.16 5.16 圓波導中波型的截止波長分布圖圓波導中波型的截止波長分布圖 5.3.2 5.3.2 圓波導中的三個主圓波導中的三個主要波型及其應用要波型及其應用 1. TE1. TE11 11模模圖圖5.17 5.17 圓波導圓波導TETE1111模

15、的場結構圖模的場結構圖圖圖5.18 5.18 矩形波導矩形波導TETE1010模與圓波導模與圓波導TETE1111模的波型轉換器。模的波型轉換器。 2. TM 2. TM01 01模模zjzjzzjrerRJERjHerRJEEerRJERjE405. 2405. 2405. 2405. 2405. 2001001001圖圖5.20 5.20 圓波導圓波導TMTM0101模的場結構模的場結構 3. TE 3. TE01 01模模zjzzjrzjerRJHHerRJHRjHerRJHRjE832. 3832. 3832. 3832. 3832. 3001001001圖圖5.21 5.21 圓波導

16、圓波導TETE0101模的場結構模的場結構5.4.1 5.4.1 同軸線的主模同軸線的主模TEMTEM模模0zzHEzjrteabrUlne eE EzjteabrUlne eH H 圖圖5.225.22同軸線同軸線 圖圖5.23 5.23 同軸線中同軸線中TEMTEM模的電磁場分布模的電磁場分布 5.4.3 5.4.3 同軸線的尺寸選擇同軸線的尺寸選擇 由式（由式（5.96）可以得到工作波長與同）可以得到工作波長與同軸線尺寸的關系為軸線尺寸的關系為 ab. .獲得最小的導體損耗衰減獲得最小的導體損耗衰減. .獲得最大的功率容量獲得最大的功率容量 591. 3ab649. 1ab 圖圖5.24

17、 5.24 帶狀線的結構及主模場結構帶狀線的結構及主模場結構 5.5.1 5.5.1 特性竹抗特性竹抗 1. 1.寬導體帶情況寬導體帶情況 W/(b-tW/(b-t)0.35)0.35 （5.975.97）CCvCLZrp1001031 圖圖5.25 5.25 帶狀線的分布電容帶狀線的分布電容 （5.985.98）)(0885. 0115.94103100rfrrCbtbWCZ 2. 2.窄導體帶情況窄導體帶情況W/(b-tW/(b-t)0.35)11時，式（時，式（5.1065.106）右側不等）右側不等于于0 0，因此等式左側的縱向磁場分量也不等，因此等式左側的縱向磁場分量也不等于于0 0。yrzrzHjyHyH1（5.1075.107） 即當即當rr11時，由式（時，由式（5.1075.107）右側不）右側不等于等于0 0可得等式左側的縱向電場分量也不等可得等式左側的縱向電場分量也不等于于0 0。yrzzEjyEyE1 2. 2. 微帶線的高次模微帶線的高次模 （5.1085.108）（5.1095.109） rW2minrch201TM 5.6.2 5.6.2 微帶線的傳輸特性微帶線的傳輸特性圖圖5.29 5.29 分析微帶線特性的示意圖分析微帶線特性的示意圖（5.1115.111）,reprepcv（5.11