項(xiàng)目三波導(dǎo)傳輸線理論

/阿克蘇職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)課程名稱電信傳輸原理教學(xué)項(xiàng)目名稱項(xiàng)目三、波導(dǎo)傳輸線本項(xiàng)目學(xué)時(shí)數(shù)６hours課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)計(jì)算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)分析掌握波導(dǎo)和導(dǎo)波的概念；掌握金屬波導(dǎo)的結(jié)構(gòu);掌握波導(dǎo)特性分析步驟；了解金屬矩形波導(dǎo)的場(chǎng)分量及傳輸特性。學(xué)習(xí)者分析本次教授學(xué)生為高職三年制學(xué)生，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較為扎實(shí)，通過(guò)前面兩年的學(xué)習(xí)學(xué)生們已經(jīng)掌握了前導(dǎo)課程的相關(guān)概念。對(duì)于本章節(jié)的學(xué)習(xí)沒(méi)有太大難度，主要是基本概念的學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐漸對(duì)本課程產(chǎn)生興趣。學(xué)習(xí)內(nèi)容分析本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)內(nèi)容包括:３．1波導(dǎo)傳輸線及應(yīng)用

３.2分析規(guī)則金屬波導(dǎo)時(shí)常采用的方法及一般特性３。3矩形波導(dǎo)及其傳輸特性3．4金屬圓波導(dǎo)及其傳輸特性3.5同軸線及其傳輸特性教學(xué)策略本課程上課學(xué)生規(guī)模為34人，為此我設(shè)計(jì)了鼓勵(lì)式、討論式、引導(dǎo)式、互動(dòng)式、研究式等經(jīng)典教學(xué)方法用于有線傳輸線常用分析方法、無(wú)線通信傳輸信道常用分析方法等基礎(chǔ)理論的教學(xué)內(nèi)容，目的在于突破課堂教學(xué)的限制,引導(dǎo)學(xué)生課外對(duì)感興趣的領(lǐng)域深入鉆研和探索,使學(xué)生的學(xué)習(xí)參與性更強(qiáng)、積極性更高.同時(shí)采用“聯(lián)系實(shí)際提出問(wèn)題→引導(dǎo)學(xué)生思考討論→解決方案的多種可能性→對(duì)比論證→→引入基本原理與基本方法→得出結(jié)論"的教學(xué)方法，這樣的方法不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,同時(shí)也訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力與分析解決問(wèn)題的能力,將真正獲取知識(shí)本身的思考過(guò)程還給學(xué)生,而不是從老師的口中獲取現(xiàn)成的答案和知識(shí)。學(xué)習(xí)成果教學(xué)評(píng)價(jià)

項(xiàng)目(單元）教學(xué)設(shè)計(jì)(2學(xué)時(shí)）步驟教學(xué)內(nèi)容時(shí)間分配明確任務(wù)項(xiàng)目三、波導(dǎo)傳輸線理論（1)3.1波導(dǎo)傳輸線及應(yīng)用?3。2分析規(guī)則金屬波導(dǎo)時(shí)常采用的方法及一般特性2'項(xiàng)目引導(dǎo)1。清點(diǎn)學(xué)生人數(shù)２．復(fù)習(xí)上節(jié)課知識(shí)點(diǎn):（１）傳輸線的工作狀態(tài)包括哪三種?（2）串音的概念是什么?8’知識(shí)講解第3章波導(dǎo)傳輸線理論不同的傳輸線，適用于不同的頻段范圍,如雙線傳輸線主要適用于低頻段幾百兆赫茲之內(nèi),若頻率太高,能量輻射損耗嚴(yán)重，還有“趨膚效應(yīng)"導(dǎo)致信號(hào)電流趨向表面，使電流流過(guò)的有效面積減小，從而電阻值也就增大,同時(shí)導(dǎo)線周?chē)慕^緣介質(zhì),因頻率升高而漏電造成的能量損耗明顯，無(wú)法遠(yuǎn)距離傳輸.對(duì)微波波段信號(hào)的有線傳輸,只有用空心金屬波導(dǎo)管來(lái)做傳輸線才能勝任其要求。波導(dǎo)傳輸線及應(yīng)用。。凡是用來(lái)引導(dǎo)電磁波的單導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的傳輸線都可以稱為波導(dǎo)。波導(dǎo)是由空心金屬管構(gòu)成的傳輸系統(tǒng)，根據(jù)其橫截面形狀不同，可以分為矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)和橢圓波導(dǎo)等,如圖3-1所示。這類傳輸線上傳輸?shù)牟ㄐ褪荰E波和TM波,傳輸?shù)念l率是微波段的電磁波,例如厘米波和毫米波，且傳輸功率也比較;i。由于波導(dǎo)橫截面的寸與傳輸信號(hào)載波波長(zhǎng)有丨關(guān)，因此，在微波的低頻波段不采用波導(dǎo)來(lái)傳輸能量，否則波導(dǎo)尺寸。.．矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)較為廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)距離能量傳輸,常用波導(dǎo)的電參數(shù),矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)是在微波技術(shù)中采用最多的一種波導(dǎo)管,如微波中繼、雷達(dá)、衛(wèi)星通狺的天饋線部分等，其傳輸長(zhǎng)度小于100米，如圖３-2所示，而目前移動(dòng)通信基站收/發(fā)機(jī)到譯射天線的饋線部分大多采用輕便的射頻直徑為７／８英寸的中同軸電纜。3．1。3金屬波導(dǎo)和同軸線（同軸波導(dǎo))的另一個(gè)應(yīng)用是微波諧振器和方圓波導(dǎo)的應(yīng)用是模式變換器，微波諧振器，如圖3－３所示。諧振器在低頻電路中通常用ＬＣ回路并聯(lián)構(gòu)成。當(dāng)要求提髙諧振頻率時(shí),必須減小i和C。減小電容的措施是增大平行板距離，減小電感的措施是減少電感線圈的匝數(shù)，直到僅有一匝為止,如圖３-4(b）所示；還要再進(jìn)一步提高頻率的方法是,將多個(gè)單匝線圈并聯(lián)以減小電感進(jìn)一步增加電感數(shù)目,以致相連成片，形成一個(gè)封閉的中間凹進(jìn)去的導(dǎo)體空腔這就成了重入式空腔諧振器;繼續(xù)把構(gòu)成電容的兩極拉開(kāi)，則諧振頻率可進(jìn)一步提高，這樣就形成了一個(gè)圓盒子和方盒子，這是微波空腔諧振器的常用形式。雖然它們與最初的諧振電路相比已經(jīng)面目全非了,但兩者之間的作用完全一樣,只是適用的頻率不同而已。波導(dǎo)除了可做諧振器外，還可以做模式變換器，如圖3-5所示。圓波導(dǎo)中模的場(chǎng)分布與矩形波導(dǎo)的TE1（）模的場(chǎng)分布很相似，因此,在工程上通過(guò)將矩形波導(dǎo)的橫截面逐漸過(guò)渡變?yōu)閳A波導(dǎo)，從而構(gòu)成方圓波導(dǎo)變換器,起波導(dǎo)耦合器的作用。波導(dǎo)傳輸線的常用分析方法及一般特性第2章中采用“路”的分析方法,以平行雙導(dǎo)線、同軸線為例討論了傳輸TＥM波均銅輸線的傳輸特性及阻抗匹配問(wèn)題。這一章將采用“場(chǎng)”的分析方法討論另一類傳輸TE翱TM波的規(guī)則金屬波導(dǎo)的傳輸特性。在雙線傳輸線理論中所討論的是沿雙線傳輸線傳輸?shù)腡EM波,而在金屬波導(dǎo)中是不親TEM波的。這是因?yàn)槿艚饘俨▽?dǎo)管中存在ＴEＭ波，那么磁力線應(yīng)在橫截面上,而磁力鏇是閉合的。根據(jù)右手嫘旋規(guī)則，必有電場(chǎng)的縱向分量匕,即位移電流支持磁場(chǎng)。60’知識(shí)深化分析過(guò)程矢量波動(dòng)方程在直角坐標(biāo)系中求標(biāo)量波動(dòng)方程矢量Ｅ可分解為三個(gè)分量:Ｚ方向標(biāo)量形式波動(dòng)方程:5’歸納總結(jié)本節(jié)課我們講述了波導(dǎo)的基本概念、分類及一般分析的方法，大家在學(xué)習(xí)的過(guò)程中如果遇到不理解的地方注意去復(fù)習(xí)一下以前學(xué)習(xí)過(guò)的高數(shù)知識(shí)和電磁學(xué)的知識(shí).3’作業(yè)布置課后練習(xí)Ｐ802＇其他?項(xiàng)目（單元）教學(xué)設(shè)計(jì)(２學(xué)時(shí)）步驟教學(xué)內(nèi)容時(shí)間分配明確任務(wù)項(xiàng)目三、波導(dǎo)傳輸線理論（２)3．3矩形波導(dǎo)及其傳輸特性3．4金屬圓波導(dǎo)及其傳輸特性2'項(xiàng)目引導(dǎo)1。清點(diǎn)學(xué)生人數(shù)2.復(fù)習(xí)上節(jié)課知識(shí)點(diǎn)：（1）(２）8＇知識(shí)講解3.３金屬矩形波導(dǎo)及其傳輸特性1、金屬矩形波導(dǎo)是橫截面為矩形的金屬管，其軸線與ｚ平行。ZbaXZbaXμεY3．3。1矩形波導(dǎo)中的場(chǎng)推導(dǎo)思路:①TM、TE模的波動(dòng)方程②用分離變量法將偏微分方程變?yōu)閮蓚€(gè)獨(dú)立的常微分方程，解常微分方程③解出波導(dǎo)中場(chǎng)縱向分量ＥZ和HＺ表達(dá)式④利用縱向場(chǎng)與橫向場(chǎng)分量之間的關(guān)系⑤解出各個(gè)橫向場(chǎng)分量Ex，Ey，Hx,Hy3.3.1。１TM波(ＥZ≠0，ＨＺ=0）先求EZ分量，再求其它E、H分量波導(dǎo)橫截面上縱向分量Ez(x，y）應(yīng)滿足波動(dòng)方程（3.７）:２.常微分方程(3。2５-a）式的解的形式為：應(yīng)用歐拉公式展開(kāi)同理，（3．2５—b）式的解為：式中:常數(shù)A，B,C,D，kx,ky都為待定常數(shù)，將由矩形波導(dǎo)的邊界條件決定。3。利用邊界條件確定常數(shù)理想波導(dǎo)是理想的導(dǎo)體，與其管壁相切的電場(chǎng)分量應(yīng)為零。從而有:即波導(dǎo)左右兩壁上（x=０,x＝a)上，Ｅｚ＝0波導(dǎo)上下兩壁上(y=0,y=ｂ）上，Ez＝０,將(３。30-a）代入（３.2９）,可得m、n分別是場(chǎng)強(qiáng)沿ｘ、ｙ方向變化的半波個(gè)數(shù)，即波形最大值的個(gè)數(shù)。３．4金屬圓波導(dǎo)及其傳輸特性3。4.1金屬圓波導(dǎo)中ＴE、TＭ模式的場(chǎng)分量對(duì)于圓形波導(dǎo)，利用圓柱坐標(biāo)系r、θ、z最方便,并且使ｚ軸與管軸一致，如圖3-9所示。圓柱坐標(biāo)下E和H的場(chǎng)分量為Ｅr、、Ez、Hr、、Hｚ,它們都是ｒ、θ、z的函數(shù)。此時(shí)，邊界條件為：式中a為波導(dǎo)半徑；為角向切線分量電場(chǎng)強(qiáng)度;Ez為軸向切線分量電場(chǎng)強(qiáng)度。設(shè)圓波導(dǎo)為規(guī)則波導(dǎo),分別討論TE波和TM波。3。4.1圓波導(dǎo)中TE和TＭ模式的場(chǎng)分量TM模式(HZ=０,ＥZ≠0,先求EＺ）各場(chǎng)分量的求解在圓柱坐標(biāo)系中,拉普拉斯算子▽2的形式為以Ez（r，θ,z）＝Ｅz分量為例，其標(biāo)量波動(dòng)方程為：60’知識(shí)深化圓波導(dǎo)中TE、TM模式的特點(diǎn)TＥ、TM各場(chǎng)分量的表達(dá)式與m、n有關(guān)。m是從零起的正整數(shù),ｎ是從1開(kāi)始的正整數(shù)，并且每一對(duì)ｍ、n值都對(duì)應(yīng)著某一種確定的場(chǎng)分布狀態(tài).在圓波導(dǎo)中場(chǎng)分量的m、n值可以有無(wú)窮多，所以，可能存在無(wú)窮多個(gè)導(dǎo)模TEmｎ、TMｍn。TＥm0、TＭm0不能在圓波導(dǎo)存在，原因是n≠０，否則將無(wú)意義。TE1１模的截止波長(zhǎng)3。4１a最長(zhǎng)，TE１1模是TE模中的最低模。ＴＭ0１截止波長(zhǎng)2。6２ａ最長(zhǎng)，TM０1模是TM模中的最低模。又因,所以在圓波導(dǎo)中TE11模是主模。15'歸納總結(jié)本節(jié)課主要介紹了波導(dǎo)中常見(jiàn)的矩形和圓波導(dǎo)，對(duì)于他們的分析大家了解即可，但是傳輸特性需要大家牢記。3’作業(yè)布置課后練習(xí)P8０２＇其他

項(xiàng)目（單元)教學(xué)設(shè)計(jì)（２學(xué)時(shí)）步驟教學(xué)內(nèi)容時(shí)間分配明確任務(wù)項(xiàng)目三、波導(dǎo)傳輸線理論（３）3。５同軸線及其傳輸特性２'項(xiàng)目引導(dǎo)1。清點(diǎn)學(xué)生人數(shù)２.復(fù)習(xí)上節(jié)課知識(shí)點(diǎn):(１)矩形波導(dǎo)的電磁波傳輸特性時(shí)什么？（2）圓波導(dǎo)的ＴM場(chǎng)分量表達(dá)式是什么？８'知識(shí)講解3。5同軸線及其傳輸特性同軸線是寬頻帶傳輸線,它既可用于傳輸?shù)皖l信號(hào)又可用予傳輸高頻信號(hào),它即是TEM波,又能髙次模，故本節(jié)采用“場(chǎng)”理論來(lái)分析同軸線傳輸波型及傳輸性能'進(jìn)在TE?、TM?模中應(yīng)用最廣泛的波是ＴE10模式，因?yàn)樵撃Ｊ骄哂袌?chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、頻帶寬和損耗小等特點(diǎn)，所以工程上幾乎毫無(wú)例外地工作在ＴE10模式。下面著重來(lái)討論TE10模式的場(chǎng)分布及傳輸特性.通常天線的饋線部分大多采用長(zhǎng)度小于１００米的波導(dǎo).目前移動(dòng)通信基站到發(fā)射天線的饋線部分大多采用輕便的射頻大、中同軸電纜。金屬波導(dǎo)和同軸線的另一個(gè)應(yīng)用是微波諧振器，如3-16所示.諧振器在低頻電路中通常用LＣ回路并聯(lián)構(gòu)成，它的諧振頻率為:波導(dǎo)在模式變化器件的應(yīng)用波導(dǎo)的模式變化器，如圖3—18所示.圓波導(dǎo)中TE１1模的場(chǎng)分部與矩形波導(dǎo)的TE10模的場(chǎng)分部很相似,因此，在工程上通過(guò)將矩形波導(dǎo)的橫截面逐漸過(guò)渡變?yōu)閳A波導(dǎo)，從而構(gòu)成方圓波導(dǎo)變換器。起作波導(dǎo)耦合器的作用。理想波導(dǎo)是指一條無(wú)限長(zhǎng)而且直的波導(dǎo),特性沿長(zhǎng)度不變。波導(dǎo)管壁是理想導(dǎo)體，電導(dǎo)率為無(wú)窮大；波導(dǎo)內(nèi)空間介質(zhì)各向同性、均勻且無(wú)損耗;波導(dǎo)中無(wú)自由電荷和傳導(dǎo)電流；波導(dǎo)是無(wú)限長(zhǎng)的管子，在管子內(nèi)沒(méi)有反射,截面形狀、大小、結(jié)構(gòu)及媒質(zhì)分布不變；傳播的電流是簡(jiǎn)諧的。雙線傳輸線不能傳輸所有頻率的電磁波。由于在高頻傳輸時(shí)存在“集膚效應(yīng)”導(dǎo)致信號(hào)電流損耗增大而終止傳輸.通常將“用來(lái)引導(dǎo)電磁波，使它按人們意圖向某個(gè)方向傳輸?shù)脑O(shè)備"統(tǒng)稱為波導(dǎo)。沿波導(dǎo)行進(jìn)的波叫作導(dǎo)行波,簡(jiǎn)稱導(dǎo)波或?qū)?分析平行雙導(dǎo)體、同軸線或是空心金屬波導(dǎo)管等設(shè)備傳輸電磁波的問(wèn)題，從原則上講，都可以采用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行分析，并且是比較嚴(yán)密的.分析規(guī)則金屬波導(dǎo)時(shí)經(jīng)常采用的方法是假設(shè)波導(dǎo)是理想波導(dǎo)，求取矢量形式的波動(dòng)方程;根據(jù)波導(dǎo)的幾何形狀選擇合適的坐標(biāo)系統(tǒng)求得標(biāo)量形式的波動(dòng)方程；采用分離變量法對(duì)標(biāo)量波動(dòng)方程求解；求解沿縱向傳播（關(guān)于z）的常微分方程和橫截面電磁場(chǎng)分布的偏微分方程；6０’知識(shí)深化利用麥克斯韋方程求出Ex、Ey、Hｘ、Hy與Eｚ、Ｈz的關(guān)系及各場(chǎng)分量的表達(dá)式。進(jìn)一步分析傳輸特性。在金屬矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)中同時(shí)存在有TEｍｎ和TMm