第7章规则波导和空腔谐振器.ppt

第八章 波 导,*微波简介,*导行电磁波的分类及其一般特性,*矩形波导,*介质波导,*谐振腔,低、中频区（双导体）,中高频区（微带线）,高频区（金属波导）,图8.0.1 各种载波体,8.0 微波简介,8.0.1 频谱表,8.0.2 微波特点,图1.2 对流层、同温层和电离层的配置（白天）,8.1 导行电磁波分类及其一般特性,8.1.1 导行波的分类,推导波动方程及其解的一般形式，从中分析波的分类。,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。,电磁场基本方程,对式（1)、(2）取 旋 度，式（3)、(4）代入其中，有波动方程,式中，仅有入射波，且沿 z 轴传播的通解形式为,把通解代入到方程（5)、(6），得到假设条件下的波动方程,式中 横向拉普拉斯算子。,根据 和 的存在与否，将波分为三种类型,1.TEM 波,当 时，即，式(9)中场的横向分量存在，此时,说明任一时刻，在xoy平面上场的分布与稳态场相同,2.TE 波（），亦称横电波,3.TM 波（），亦称横磁波,根据纵向场法解得 和，再由Maxwell 方程解得其它四个场分量,8.1.2 波导中波的传播特性,截止波长,a.波导的滤波作用,当工作频率（信号源发出频率）或 时，信号可以通过波导，否则截止。,b.相位常数,波导中的相位常数小于无界空间的相位常数，由此导致,c.波导波长,d.波导波速,或 截止频率，,几何色散波,8.2 矩形波导,8.2.1 TM波（）,边界条件,用分离变量法解得,其余4个场分量,式中，特征值 仅与波导形状，尺寸、波型有关。,传播特性：a.沿x，y方向为驻波；b、m，n0，不存在 TM00，TM0n，TMm0。,图8.2.1 矩形波导,8.2.2 TE波（）,采用纵向场法，先求 的边值问题,用分离变量法解得,其余4个场分量,式中kc同上，传播特性：,a.截止频率fc；,b.波沿 z 轴方向传播，沿x、y方向为驻波；,c.m，n不同时为零，即不存在TE00模式。,8.2.3 传播特性,1.截止频率和截止波长,2.传播特点,沿x，y方向均为驻波，电磁波沿 z 轴方向传播。,3.传播模式及主模,m，n不同时为零的任何整数的任意组合成TEmn模，最低模式为TE10；,波导中传播的最低模式称为主模，矩形波导的主模为TE10。,4.简并现象,不同模式的波具有相同的截止波长，称为简并现象。,除TEm0，TE0n模之外的所有模式均为简并模式。如TE11与TM11，TE21与TM21等。为什么？,8.2.4 电磁场分布特性,TE10波：,图8-5 TE10波的电场分布,图8-7 TE10波的立体电磁场分布,图8-8 矩形波导中TE10模的管壁电流,例8.2.1 矩形波导的截面尺寸a=7cm，b=3cm。求若干个模的截止波长，并指出简并模型；2）若频率f=3109Hz，波导中存在哪些模式的波；3）若只传播TE10波，波导尺寸如何改变？,解（1）根据,(2)工作波长,由于 小于TE10TE11、TM11的，故这5个模式的波可以传播。,8.4 谐 振 腔,8.4.1 谐振腔的形成过程,图8.4 从LC回路到谐振腔的演变过程,特点：（1）电磁能以分布的形式存在，不得分开；,（2）具有多谐性；,（3）储存较多的电磁能量，且低损耗，故品质因数高。,8.4.2 谐振腔中的场结构,特点：沿x，y，z三个方向均为驻波,1.TM波（）,边值问题：,的通解,其余4个分量,式中,图8.4.3 矩形谐振腔,2.TE波（）,边值问题：,的通解,其余场量,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。最谐振频率的模式为TM11 0（当abl),4.品质因素,