《微波技術(shù)基礎(chǔ)》課件第1章

第1章引論1.1微波及其特點(diǎn)1.2微波的應(yīng)用1.3本書的內(nèi)容框圖1.4導(dǎo)行波及其一般傳輸特性本章提要

習(xí)題1.1微波及其特點(diǎn)就現(xiàn)代微波理論和技術(shù)的研究和發(fā)展而論，微波(microwave)是指頻率從300MHz至3000GHz范圍內(nèi)的電磁波，其相應(yīng)的波長從1m至0.1mm。這段電磁頻譜包括分米波(頻率從300MHz至3000MHz)、厘米波(頻率從3GHz至30GHz)、毫米波(頻率從30GHz至300GHz)和亞毫米波(頻率從300GHz至3000GHz)四個波段。在雷達(dá)、通信及常規(guī)微波技術(shù)中，常用拉丁字母代號表示微波的分波段。表1.1-1(a)、(b)分別示出常用微波分波段代號和家用電器的頻段。從電子學(xué)和物理學(xué)的觀點(diǎn)看，微波這段電磁譜具有不同于其它波段的如下重要特點(diǎn):●似光性和似聲性微波的波長很短，比地球上一般物體(如飛機(jī)、艦船、汽車、坦克、火箭、導(dǎo)彈、建筑物等)的尺寸相對要小得多，或在同一量級。這使微波的特點(diǎn)與幾何光學(xué)相似，即所謂似光性。因此，使用微波工作，能使電路元件尺寸減小；使系統(tǒng)更加緊湊；可以設(shè)計(jì)制成體積小、波束很窄、方向性很強(qiáng)、增益很高的天線系統(tǒng)，接收來自地面或宇宙空間各種物體反射回來的微弱信號，從而確定物體的方位和距離，分析目標(biāo)的特征。

由于微波的波長與物體(如實(shí)驗(yàn)室中的無線電設(shè)備)的尺寸具有相同的量級，使得微波的特點(diǎn)又與聲波相近，即所謂似聲性。例如微波波導(dǎo)類似于聲學(xué)中的傳聲筒；喇叭天線和縫隙天線類似于聲學(xué)喇叭、蕭和笛；微波諧振腔類似于聲學(xué)共鳴箱等?！翊┩感晕⒉ㄕ丈溆谖矬w(介質(zhì)體)時，能深入物質(zhì)內(nèi)部:微波能穿透電離層，成為人類探測外層空間的“宇宙窗口”；微波能穿透云霧、雨、植被、積雪和地表層，具有全天候和全天時的工作能力，成為遙感技術(shù)的重要波段；微波能穿透生物體，成為醫(yī)學(xué)透熱療法的重要手段；毫米波還能穿透等離子體，是遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器重返大氣層時實(shí)現(xiàn)通信和末制導(dǎo)的重要手段?！穹请婋x性微波的量子能量還不夠大，不足以改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子間的鍵。而由物理學(xué)知道，分子、原子和原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因而微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用這一特性和原理，可研制許多適用于微波波段的器件?！裥畔⑿杂捎谖⒉ǖ念l率很高，所以在不太大的相對帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫。這是低頻無線電波無法比擬的。這意味著微波的信息容量大。所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外地都是工作在微波波段。另外，微波信號還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻率信息。這在目標(biāo)探測、遙感、目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中是十分重要的。1.2微波的應(yīng)用由于微波具有上述重要特點(diǎn)，所以獲得了廣泛的應(yīng)用。微波的應(yīng)用包括作為信息載體的應(yīng)用和作為微波能的應(yīng)用兩個方面。下面就其應(yīng)用的主要領(lǐng)域加以簡單介紹。微波的傳統(tǒng)應(yīng)用是雷達(dá)和通信。這是微波作為信息載體的應(yīng)用。雷達(dá)是利用電磁波對目標(biāo)進(jìn)行探測和定位?，F(xiàn)代雷達(dá)大多數(shù)是微波雷達(dá)。利用微波工作的雷達(dá)可以使用尺寸較小的天線，來獲得很窄的波束寬度，以獲取關(guān)于被測目標(biāo)性質(zhì)的更多的信息。雷達(dá)不僅用于軍事，也用于民用，如導(dǎo)航、氣象探測、大地測量、工業(yè)檢測和交通管制等。由于微波具有頻率高、頻帶寬、信息量大的特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于各種通信業(yè)務(wù)，包括微波多路通信、微波中繼通信、散射通信、移動通信和衛(wèi)星通信。利用微波各波段的特點(diǎn)可作特殊用途的通信，例如從S到Ku波段的微波適用作以地面為基地的通信；毫米波適用于空間與空間的通信；毫米波段的60GHz頻段的電波大氣衰減較大，適于作近距離保密通信；而90GHz頻段的電波在大氣中的衰減卻很小，是個窗口頻段，適于作地空和遠(yuǎn)距離通信；對于很長距離的通信，則L波段更適合，因?yàn)樵诖瞬ǘ稳菀撰@得較大的功率。微波能的工農(nóng)業(yè)應(yīng)用。微波作為能源的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代后期，至60年代末，微波能應(yīng)用隨著微波爐的商品化進(jìn)入家庭而得到大力發(fā)展。微波能應(yīng)用包括微波的強(qiáng)功率應(yīng)用和弱功率應(yīng)用兩個方面。強(qiáng)功率應(yīng)用是微波加熱；弱功率應(yīng)用是用于各種電量和非電量(包括長度、速度、濕度、溫度等)的測量。微波加熱可以深入物體內(nèi)部，熱量產(chǎn)生于物體內(nèi)部，不依靠熱傳導(dǎo)，里外同時加熱，具有熱效率高、節(jié)省能源、加熱速度快、加熱均勻等特點(diǎn)，便于自動化連續(xù)生產(chǎn)。用于食品加工時，還有消毒作用，清潔衛(wèi)生，既不污染食品，也不污染環(huán)境，而且不破壞食品的營養(yǎng)成份。微波加熱現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于食品、橡膠、塑料、化學(xué)、木材加工、造紙、印刷、卷煙等工業(yè)中；在農(nóng)業(yè)上，微波加熱可用于滅蟲、育種、育蠶、干燥谷物等。弱功率應(yīng)用的電量和非電量的測量，其顯著特點(diǎn)是不需要和被測量對象接觸，因而是非接觸式的無損測量，特別適宜于生產(chǎn)線測量或進(jìn)行生產(chǎn)的自動控制?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是測量濕度，即測量物質(zhì)(如煤、原油等)中的含水量。微波的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，也屬于微波能的加熱應(yīng)用。利用微波對生物體的熱效應(yīng)，選擇性局部加熱，是一種有效的熱療方法，臨床上可用來治療人體的各種疾病。微波的醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括微波診斷、微波治療、微波解凍、微波解毒和微波殺菌等。用微波對生物體作局部照射，可提高局部組織的新陳代謝，并誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，從而達(dá)到解痙鎮(zhèn)痛、抗炎脫敏、促進(jìn)生長等作用，廣泛用于治療骨折、創(chuàng)傷、小兒肺部疾病、胰腺疾病等。國際上規(guī)定的允許用于工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)的微波加熱專用頻率是915±25MHz、2450±50MHz、5800±75MHz和22125±125MHz。目前廣泛使用的是915MHz和2450MHz。需要指出的是，微波的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)不僅有對生物體的熱效應(yīng)，而且有非熱效應(yīng)，在某些情況下，后者比前者更為主要。微波的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用是利用微波有益的生物效應(yīng)。微波的生物效應(yīng)還有有害的效應(yīng)，表現(xiàn)為超劑量的微波照射有三致作用:致癌、致畸和致突變，即是說，微波的致熱作用既能治病又能致病，問題在于處理好微波的強(qiáng)度(包括頻率)、照射時間和作用條件三者之間的關(guān)系。微波的三致作用按其機(jī)理可分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)兩種。熱效應(yīng)或稱致熱效應(yīng)是指由于微波照射生物體引起其組織器官的加熱作用所產(chǎn)生的生理影響；非熱效應(yīng)或稱熱外效應(yīng)是除了對生物體組織和器官的加熱作用以外的對生物體的其它特殊生理影響。這些影響是用別的加熱手段不會產(chǎn)生的。微波對人體的傷害作用主要是熱效應(yīng)。大劑量或長時間的微波照射全身時，可以使人體溫度升高，產(chǎn)生高溫生理反應(yīng)，使人體組織和器官受到損傷，最容易受到傷害的是眼睛和睪丸。因此，應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，并應(yīng)對微波源的功率泄漏規(guī)定安全標(biāo)準(zhǔn)。中國在1979年制定的《微波輻射暫行衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：(1)一天八小時連續(xù)輻射時，其劑量不應(yīng)超過38μW/cm2；(2)短時間間斷輻射及一天超過八小時照射時，一天總劑量不超過300μW·h/cm2；(3)由于特殊情況需要在輻射劑量大于1mW/cm2環(huán)境中工作時，必須使用個人防護(hù)用品，但日劑量不得超過300μW·h/cm2，一般不容許在劑量超過5mW/cm2的輻射環(huán)境下工作。1.3本書的內(nèi)容框圖1.4導(dǎo)行波及其一般傳輸特性

1.導(dǎo)行波概念●導(dǎo)行系統(tǒng)(guidedsystem)用以約束或引導(dǎo)電磁波能量定向傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。其主要功能有二:①無輻射損耗地引導(dǎo)電磁波沿其軸向行進(jìn)而將能量從一處傳輸至另一處，稱之為饋線；②設(shè)計(jì)構(gòu)成各種微波電路元件，如濾波器、阻抗變換器、定向耦合器等。導(dǎo)行系統(tǒng)的種類可按其上的導(dǎo)行波分為三類:①TEM或準(zhǔn)TEM傳輸線；②封閉金屬波導(dǎo)；③表面波波導(dǎo)(或稱開波導(dǎo))，如圖1.4-1所示。圖1.4-1導(dǎo)行系統(tǒng)種類(1)TEM或準(zhǔn)TEM傳輸線；(2)金屬波導(dǎo)；(3)表面波波導(dǎo)(a)平行雙導(dǎo)線；(b)同軸線；(c)帶狀線；(d)微帶線；(e)矩形波導(dǎo)；(f)圓形波導(dǎo)；(g)脊形波導(dǎo)；(h)橢圓波導(dǎo)；(i)介質(zhì)波導(dǎo)；(j)鏡像線；(k)單根表面波傳輸線●導(dǎo)行波(guidedwave)能量的全部或絕大部分受導(dǎo)行系統(tǒng)的導(dǎo)體或介質(zhì)的邊界約束，在有限橫截面內(nèi)沿確定方向(一般為軸向)傳輸?shù)碾姶挪?，簡單說就是沿導(dǎo)行系統(tǒng)定向傳輸?shù)碾姶挪?，簡稱為導(dǎo)波。各種傳輸線使電磁波能量約束或限制在導(dǎo)體之間空間沿其軸向傳播，其導(dǎo)行波是橫電磁(TEM)波或準(zhǔn)TEM波。封閉金屬波導(dǎo)使電磁波能量完全限制在金屬管內(nèi)沿軸向傳播，其導(dǎo)行波是橫電(TE)波和橫磁(TM)波。開波導(dǎo)使電磁波能量約束在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周圍(波導(dǎo)內(nèi)和波導(dǎo)表面附近)沿軸向傳播，其導(dǎo)行波是表面波?！駥?dǎo)模(guidedmode)導(dǎo)行波的模式，又稱傳輸模、正規(guī)模，是能夠沿導(dǎo)行系統(tǒng)獨(dú)立存在的場型。其特點(diǎn)是:①在導(dǎo)行系統(tǒng)橫截面上的電磁場呈駐波分布，且是完全確定的。這一分布與頻率無關(guān)，并與橫截面在導(dǎo)行系統(tǒng)上的位置無關(guān)；②導(dǎo)模是離散的，具有離散譜；當(dāng)工作頻率一定時，每個導(dǎo)模具有唯一的傳播常數(shù)；③導(dǎo)模之間相互正交，彼此獨(dú)立，互不耦合；④具有截止特性，截止條件和截止波長因?qū)邢到y(tǒng)和模式而異?！褚?guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)(regularguidedsystem)無限長的筆直導(dǎo)行系統(tǒng)，其截面形狀和尺寸、媒質(zhì)分布情況、結(jié)構(gòu)材料及邊界條件沿軸向均不變化。

2.導(dǎo)波場的分析如圖1.4-2所示規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)，設(shè)媒質(zhì)為無耗、均勻、各向同性，媒質(zhì)中無源；又設(shè)導(dǎo)行波的電場和磁場為簡諧場，它們滿足如下麥克斯韋方程:

▽×H=jωεE

(1.4-1)▽×E=-jωμH

(1.4-2)▽·H=0

(1.4-3)

▽·E=0

(1.4-4)式中，ε和μ分別為媒質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率，ω為角頻率。圖1.4-2導(dǎo)行波沿規(guī)則波導(dǎo)(a)和傳輸線(b)的傳播

對于圖1.4-2所示規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)，采用廣義柱坐標(biāo)系(u，v，z)，設(shè)導(dǎo)波沿z向(軸向)傳播，坐標(biāo)z與橫向坐標(biāo)u，v無關(guān)，則微分算符▽和電場E、磁場H可以表示成(1.4-5)(1.4-6)(1.4-7)足標(biāo)t表示橫向分量。將式(1.4-5)~(1.4-7)代入方程(1.4-1)和方程(1.4-2)，展開后令方程兩邊的橫向分量和縱向分量分別相等，得到

(1.4-8a)(1.4-8b)(1.4-9a)(1.4-9b)將式(1.4-8b)兩邊乘以jωμ，式(1.4-9b)兩邊作運(yùn)算，得到由此兩式消去Ht，可得(1.4-10)同理可得(1.4-11)式中k2=ω2με。式(1.4-10)和式(1.4-11)表明:規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中，導(dǎo)波場的橫向分量可由縱向分量完全確定。對式(1.4-9a)作▽t×運(yùn)算，得到

(1.4-12)式(1.4-12)的左邊，應(yīng)用式(1.4-4)，變成

而式(1.4-12)的右邊，由式(1.4-8b)，得到于是式(1.4-12)變成即得到方程▽2Et+k2Et=0

(1.4-13)同理可得

▽2Ht+k2Ht=0

(1.4-14)式(1.4-13)和式(1.4-14)說明，導(dǎo)波的橫向場滿足矢量亥姆霍茲(Helmholtz)方程。它只有在直角坐標(biāo)系中才能分解為兩個標(biāo)量亥姆霍茲方程。對式(1.4-11)作▽t×運(yùn)算，得到應(yīng)用式(1.4-8a)，消除Ht，得到由于為常矢量，所以可移到微分號外并加以消除，即得到方程▽2Ez+k2Ez=0

(1.4-15)

同理可得▽2Hz+k2Hz=0

(1.4-16)式(1.4-15)和式(1.4-16)說明，規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)波場的縱向分量滿足標(biāo)量亥姆霍茲方程。

(1)色散關(guān)系式縱向場分量可以表示成橫向坐標(biāo)t和縱向坐標(biāo)z的函數(shù)，即Ez(u，v，z)=Ez(t，z)Hz(u，v，z)=Hz(t，z)代入方程(1.4-15)和式(1.4-16)，得到(1.4-17)以Ez(t，z)求解為例，應(yīng)用分離變量法，令Ez(t，z)=E0z(t)Z(z)代入式(1.4-17)，得到

此式要成立，左邊兩項(xiàng)應(yīng)分別等于某常數(shù)。令其分離變量常數(shù)分別為kc和β，則得到方程(1.4-18)(1.4-19)和色散關(guān)系式(1.4-20)式(1.4-18)的解為Z(z)=A1e-jβz+A2ejβz

(1.4-21)式中β稱為導(dǎo)波的傳播常數(shù)或相移常數(shù):(1.4-22)

(2)本征值方程式(1.4-19)是導(dǎo)波場的本征值方程(若kc≠0)。kc是此方程在特定邊界條件下的本征值，稱為導(dǎo)波的橫向截止波數(shù)(cut-offwavenumber)。它與導(dǎo)行系統(tǒng)的截面形狀、尺寸及模式有關(guān)。一般來說，由兩個或兩個以上導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)(稱之為傳輸線)，其性質(zhì)是非本征值問題；由單一導(dǎo)體(單導(dǎo)線、各種形狀的金屬波導(dǎo)管等)構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)，其性質(zhì)是本征值問題。Hz滿足同樣的本征值問題。此本征值方程在廣義柱坐標(biāo)系中的表示式為(1.4-23)式中h1、h2是正交曲線坐標(biāo)的拉梅(Lame)系數(shù)。這樣，規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中沿正z方向傳播的導(dǎo)波縱向場分量可以表示為Ez(u，v，z)=E0z(u，v)e-jβz

(1.4-24)Hz(u，v，z)=H0z(u，v)e-jβz

(1.4-25)

(3)橫-縱向場關(guān)系式由于，代入式(1.4-10)和式(1.4-11)，得到(1.4-26)(1.4-27)式中(1.4-28)(1.4-29)橫-縱向場關(guān)系式(1.4-26)和式(1.4-27)在廣義柱坐標(biāo)系中的分量形式為(1.4-30a)寫成矩陣形式為(1.4-30b)

(4)導(dǎo)波的種類與特點(diǎn)由式(1.4-26)和式(1.4-27)可見，規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)波的橫向場Et和Ht一般可分解成由Ez或/和Hz決定的部分和與Ez、Hz無關(guān)的部分，即可表示成(1.4-31)式(1.4-31)中的(

)對應(yīng)于式(1.4-26)和式(1.4-27)中Hz=0的場:(1.4-32)這種無Hz分量的(

)導(dǎo)波稱為橫磁(TM)波或電(E)波，其磁場完全分布在與導(dǎo)波傳播方向垂直的橫截面內(nèi)，電場則有傳播方向分量。式(1.4-31)中的(

)對應(yīng)于式(1.4-26)和式(1.4-27)中Ez=0的場:(1.4-33)這種無Ez分量的(

)導(dǎo)波稱為橫電(TE)波或磁(H)波，其電場完全分布在與導(dǎo)波傳播方向垂直的橫截面內(nèi)，磁場則有傳播方向分量。式(1.4-31)中的(

)對應(yīng)于式(1.4-26)和式(1.4-27)中Ez=0和Hz=0的場。因?yàn)?

)≠0，所以必須有kc=0，于是β=k，則由式(1.4-8)和式(1.4-9)，得到(1.4-34)式中。這種無Ez和Hz分量的(

)導(dǎo)波稱為橫電磁(TEM)波。其電場和磁場均分布在與導(dǎo)波傳播方向垂直的橫截面內(nèi)。式(1.4-31)中的(

)對應(yīng)于式(1.4-26)和式(1.4-27)中Ez≠0和Hz≠0的場。這種導(dǎo)波稱為混合波(hybridwave)。根據(jù)色散關(guān)系式(1.4-20)中本征值kc的不同，可以分析得到上述導(dǎo)波的不同特性:對于TEM導(dǎo)波，kc=0，由式(1.4-13)和式(1.4-14)可知滿足如下拉普拉斯(Laplace)方程:(1.4-35)可見TEM導(dǎo)波場與靜態(tài)場相同，可存在于導(dǎo)體之間，因此TEM導(dǎo)波存在于由雙導(dǎo)體或多導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)(傳輸線)中，故又稱為傳輸線模。由于其kc=0，β=k，因此TEM導(dǎo)波的相速度、群速度均等于無耗媒質(zhì)中平面波的速度，與頻率無關(guān)，無色散現(xiàn)象；其波阻抗為η，也與無耗媒質(zhì)中平面波的阻抗相同。TEM導(dǎo)波與自由空間平面波的不同處在于其橫向場是坐標(biāo)(u，v)的函數(shù)。對于TE和TM導(dǎo)波，＞0，對應(yīng)于導(dǎo)行系統(tǒng)橫向?yàn)檎{(diào)和(振動)解形，空心的封閉金屬波導(dǎo)管屬于這種情況，故TE和TM導(dǎo)波又稱為波導(dǎo)模式。此種情況下，k2＞β2，則導(dǎo)波的相速度，c為自由空間光速，故稱TE和TM導(dǎo)波為快波。其傳播常數(shù)，可見這類導(dǎo)波具有色散現(xiàn)象，且須滿足條件kc＜k才能傳輸。對于混合波，＜0，對應(yīng)于導(dǎo)行系統(tǒng)橫向?yàn)樗p解形，其場被束縛在導(dǎo)行系統(tǒng)表面附近，稱之為表面波(surfacewave)。這種導(dǎo)波可存在于電抗壁導(dǎo)行系統(tǒng)中，例如介質(zhì)波導(dǎo)、光纖等。此時k2＜β2，則導(dǎo)波的相速度，故稱為慢波，也須滿足條件kc＜k才能傳輸。需要指出的是，上述按有無Ez和/或Hz分量分類的方法不是唯一的，在介質(zhì)波導(dǎo)中，有時采用相對于x或y坐標(biāo)，即電場或磁場只在某縱截面(xoz或yoz)內(nèi)，分為縱電波(LSE)和縱磁波(LSM)；但可以證明，LSE波和LSM波仍然是TE和TM波的疊加。

(5)導(dǎo)波場的求解方法由上述分析結(jié)果可知，根據(jù)kc值的不同，導(dǎo)波場的求解可分兩種情況:①kc≠0的情況:此種情況下導(dǎo)波場的求解問題屬本征值問題。TE或/和TM導(dǎo)波場屬此類問題。其解可用縱向場法(longitudinal-fieldmethod)求得。此法分兩步:第一步結(jié)合邊界條件由本征值方程(1.4-23)求出縱向場分量H0z(u，v)或E0z(u，v)；第二步由橫-縱向場關(guān)系式(1.4-30)求各橫向場分量。②kc=0的情況:由式(1.4-30)可知，此種情況對應(yīng)為Ez=Hz=0的TEM導(dǎo)波場。由于kc=0，所以TEM導(dǎo)波場求解問題屬非本征值問題,不能用上述縱向場法求。此時β2=k2,而，于是由式(1.4-13)可知，TEM導(dǎo)波場滿足二維Laplace方程

(1.4-36)又由式(1.4-9a)，▽t×E0t(u，v)≡0，因此E0t(u，v)可以看做二維靜電場問題的解，且可用二維靜電位函數(shù)的梯度表示為E0t(u，v)=-▽tΦ(u，v)

(1.4-37)于是由式(1.4-4)，得到方程

(1.4-38)據(jù)上分析，TEM導(dǎo)波場的一般求解方法如下:

(i)結(jié)合邊界條件求解方程(1.4-38)，決定Φ(u，v)；

(ii)由式(1.4-37)求Et(u，v，z，t)，即

(1.4-39)

(iii)由如下關(guān)系求Ht(u，v，z，t):(1.4-40)

(iv)在上述各式中(1.4-41)

3.導(dǎo)行波的一般傳輸特性

(1)導(dǎo)模的截止波長與傳輸條件定義:導(dǎo)行系統(tǒng)中某導(dǎo)模無衰減所能傳播的最大波長為該導(dǎo)模的截止波長(cut-offwavelength)，用λc表示；導(dǎo)行系統(tǒng)中某導(dǎo)模無衰減所能傳播的最低頻率為該導(dǎo)模的截止頻率(cut-offfrequency)，用fc表示。在截止波長以下，導(dǎo)行系統(tǒng)可以傳播某種導(dǎo)模而無衰減；在截止波長以上傳播就有衰減。通過對衰減機(jī)理的分析，可以求得相應(yīng)導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)模的截止條件和截止波長。由式(1.4-22)可知，當(dāng)頻率很低時，，β為虛數(shù)，則相應(yīng)的導(dǎo)模不能傳播；當(dāng)頻率很高時，，β為實(shí)數(shù)，則相應(yīng)的導(dǎo)?？梢詡鞑?；在某fc時，，相應(yīng)的導(dǎo)模被截止。由此得到截止頻率為(1.4-42)截止波長則為(1.4-43)

由上述分析可知，導(dǎo)模無衰減傳輸條件是其截止波長大于工作波長(λc＞λ)，或其截止頻率小于工作頻率(fc＜f)。

(2)相速度和群速度相速度定義為導(dǎo)模等相位面移動的速度:(1.4-44)式中，，c和λ0分別為自由空間的光速和波長；稱為波導(dǎo)因子或色散因子。群速度定義為波包移動速度或窄帶信號的傳播速度:(1.4-45)由式(1.4-44)和式(1.4-45)可見，導(dǎo)模的傳播速度隨頻率變化，表明相應(yīng)導(dǎo)行系統(tǒng)具有嚴(yán)重的色散現(xiàn)象。由于頻率增加相速度減小，故屬正常色散，且有關(guān)系vp·vg=v2

(1.4-46)

(3)波導(dǎo)波長導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)模相鄰?fù)辔幻嬷g的距離，或相位差2π的相位面之間的距離稱為該導(dǎo)模的波導(dǎo)波長(waveguidewavelength)，以λg表示:(1.4-47)此式是導(dǎo)行系統(tǒng)的λg、λc和λ三者的重要關(guān)系式。

(4)波阻抗導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)模的橫向電場與橫向磁場之比稱為該導(dǎo)模的波阻抗(waveimpedance)。由式(1.4-30)可得TE導(dǎo)波和TM導(dǎo)波的波阻抗為(1.4-48)(1.4-49)式中為媒質(zhì)的固有阻抗，對于空氣，。

(5)功率流導(dǎo)波沿?zé)o耗規(guī)則導(dǎo)行系統(tǒng)+z方向傳輸?shù)臅r間平均功率為(1