1、 微波技术基础微波技术基础平时成绩:平时成绩:20%(作业及考勤)(作业及考勤)期末考试:期末考试:80%考试方式:笔试、闭卷考试方式:笔试、闭卷学时数:学时数:56学时学时2013年年9月月2013年年12月月开课时间:开课时间: 微波技术基础微波技术基础先修课程:先修课程:电磁场与波电磁场与波后续课程:后续课程:微波网络微波网络 微波集成电路微波集成电路 微波固态电路微波固态电路 微波测量微波测量 天线原理与设计天线原理与设计 电波传播电波传播 绪绪 论论微波及其特点:微波及其特点:微波的波长(或频率)范围微波的波长(或频率)范围1米 0.1毫米300MHz3000GHz微波频率微波频率绪
2、论绪论l电磁波波段划分电磁波波段划分注:电子工业技术词典微波技术分册太赫兹(太赫兹(THz)0.1THz 10THz (1THz=1000GHz)l微波常用波段代号微波常用波段代号 绪论绪论(续后)(续前)绪论绪论 微波常用波段代号微波常用波段代号l家用电器频段家用电器频段 绪论绪论 微波常用波段代号微波常用波段代号l移动通信频段移动通信频段 绪论绪论 微波常用波段代号微波常用波段代号l微波的主要特性微波的主要特性1.微波的频率高且波长很短,与几何光学相似,即微波的频率高且波长很短,与几何光学相似,即似光性似光性。2.微波的波长与物体的尺寸具有相同的量级,使得微波的微波的波长与物体的尺寸具有相
3、同的量级,使得微波的 特点又与声波相近,即特点又与声波相近,即似声性似声性。绪论绪论 绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 微波的量子能量还不够大,不足以改变物质分子的内部微波的量子能量还不够大,不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键。结构或破坏分子间的键。非电离性非电离性为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段利用这一特性和原理,可研制许多适用于微波波段的器件和仪器利用这一特性和原理,可研制许多适用于微波波段的器件和仪器信息性信息性绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 微波的频率很高
4、,所以在不太大的相对带宽下,其可用微波的频率很高,所以在不太大的相对带宽下,其可用的频带很宽,这意味着微波的信息容量大。的频带很宽,这意味着微波的信息容量大。电磁波是人类用来传递信息的重要资源电磁波是人类用来传递信息的重要资源微波中微波中可提取可提取相位信息相位信息极化信息极化信息多普勒频率信息多普勒频率信息可用于可用于绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 渡越时间效应及传播延时效应渡越时间效应及传播延时效应电子管、三极管内电子在极间电子管、三极管内电子在极间渡越的时间引起的效应。渡越的时间引起的效应。低频时:低频时:振荡周期振荡周期 电子渡越时间电子渡越时间微波时:微波时:振荡周期振荡周期
5、 电子渡越时间电子渡越时间可比拟可比拟微波电路中电磁波从一处传播到另微波电路中电磁波从一处传播到另一处,因传播速度有限而需要一定一处,因传播速度有限而需要一定的时间所产生的效应。的时间所产生的效应。延时效应可以不考虑,电延时效应可以不考虑,电路采用集总参数计算路采用集总参数计算低频时低频时电路中各点相位不一致,电路中各点相位不一致,表现为分布参数表现为分布参数微波时微波时可比拟可比拟计算方法:场(电磁场分析方法)计算方法:场(电磁场分析方法) 路(等效电路,如传输线法)路(等效电路,如传输线法)绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 微波的大气传播特性微波的大气传播特性1.1.氧气和水蒸气对微
6、波频率会产生选择性的吸收和散射,氧气和水蒸气对微波频率会产生选择性的吸收和散射, 在毫米波频段尤为突出;在毫米波频段尤为突出;2.2.氧气分子谐振引起的吸收峰氧气分子谐振引起的吸收峰 出现在出现在60GHz60GHz和和120GHz120GHz附近,附近, 而由水蒸气谐振引起的吸收而由水蒸气谐振引起的吸收 峰在峰在22GHz22GHz和和183GHz183GHz附近。附近。 绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 3.3.四个传播衰减相对较小的四个传播衰减相对较小的 “ “窗口窗口”,其中心频率分别,其中心频率分别 在在3535、9494、140140和和220GHz220GHz, 相应波长分
7、别为相应波长分别为8.68.6、3.23.2、 2.12.1和和1.4mm1.4mm;4.4.随着电磁波的工作频率升随着电磁波的工作频率升 高,总的衰减呈上升趋势。高,总的衰减呈上升趋势。 绪论绪论 微波的主要特性微波的主要特性 微波的应用微波的应用绪绪 论论 绪论绪论 微波的应用微波的应用传递信息的媒介传递信息的媒介科学研究的手段科学研究的手段微波能应用微波能应用可归纳为:可归纳为:绪论绪论 微波的应用微波的应用传递信息的媒介传递信息的媒介在微波技术发展的早期,雷达几乎是微波技术在微波技术发展的早期,雷达几乎是微波技术的同义词。的同义词。军事上:军事上:用于机载、舰载、陆基雷达用于机载、舰载
8、、陆基雷达;民用:导航、空中交通管制、气象预报、遥测民用:导航、空中交通管制、气象预报、遥测遥感、汽车防撞火警、盗警预报等。遥感、汽车防撞火警、盗警预报等。电子电子对抗对抗敌对双方利用电子设备进行电磁斗争叫电子对抗敌对双方利用电子设备进行电磁斗争叫电子对抗或电子战。基本内容有电子对抗侦察、电子干扰或电子战。基本内容有电子对抗侦察、电子干扰和电子防御。电子对抗是现代战争的重要作战手和电子防御。电子对抗是现代战争的重要作战手段。微波设备是电子对抗设备中不可缺少的重要段。微波设备是电子对抗设备中不可缺少的重要组成部分。组成部分。隐身与反隐身技术电子战、信息战、空天一体化作战体系电子战、信息战、空天一
9、体化作战体系 以以F-22为代表的美军隐形飞机一项是美国扩张、侵略的有力工具,为代表的美军隐形飞机一项是美国扩张、侵略的有力工具,美国人已经将隐形飞机描绘成美国人已经将隐形飞机描绘成“战无不胜战无不胜”的象征,似乎隐形飞机的象征,似乎隐形飞机真到了无懈可击的地步。诚然,由于自身独特的气动布局设计和大真到了无懈可击的地步。诚然,由于自身独特的气动布局设计和大量使用特种材料,美军隐形飞机确实很难被对方雷达发现。即使在量使用特种材料,美军隐形飞机确实很难被对方雷达发现。即使在探测手段已经相当成熟的今天对隐形飞机的探测依然是各国面对的探测手段已经相当成熟的今天对隐形飞机的探测依然是各国面对的一道难题。
10、而即便能探测到,目前大量装备的地空导弹的制导雷达一道难题。而即便能探测到,目前大量装备的地空导弹的制导雷达和战斗机机载雷达也无法有效探测到隐形飞机,这就给攻击造成很和战斗机机载雷达也无法有效探测到隐形飞机,这就给攻击造成很大困难。大困难。F22隐身与反隐身隐身与反隐身B2美军美军B-2隐形轰炸机投弹隐形轰炸机投弹F35J20J20歼歼-20是成都飞机工业集是成都飞机工业集团为中国人民解放军空军团为中国人民解放军空军研制的中国第四代(欧美研制的中国第四代(欧美标准,俄标准为第五代)标准,俄标准为第五代)双发重型隐形战机。采用双发重型隐形战机。采用了单座、双发、全动双垂了单座、双发、全动双垂尾、尾
11、、DSI鼓包式进气道、鼓包式进气道、上反鸭翼带尖拱边条的鸭上反鸭翼带尖拱边条的鸭式气动布局。歼式气动布局。歼-20的机的机头、机身呈菱形,垂直尾头、机身呈菱形,垂直尾翼向外倾斜,起落架舱门翼向外倾斜,起落架舱门采用锯齿边设计,机身深采用锯齿边设计,机身深墨绿色涂装,远观近似于墨绿色涂装,远观近似于黑色。黑色。2011年年1月月11日日12时时50分,歼分,歼20在成都实在成都实现首飞,历时现首飞,历时18分钟。分钟。 绪论绪论 微波的应用微波的应用通信通信微波具有频率高、频带宽、信息量微波具有频率高、频带宽、信息量大的特点大的特点应用业务包括:微波多路通信、微应用业务包括:微波多路通信、微波中
12、继通信、无线局域网、散射通波中继通信、无线局域网、散射通信、移动通信和卫星通信、物联网信、移动通信和卫星通信、物联网等;等;绪论绪论 微波的应用微波的应用科学研究的手段科学研究的手段利用微波技术利用微波技术建立的新学科建立的新学科高能微波(高能微波加速器):高能物理微波波谱学:利用物质吸收谱研究物质结构微波天文学:由微波辐射研究天体微波气象学遥感、全息术测量:弱功率应用的电量和非电量测量。不接触测量对象绪论绪论 微波的应用微波的应用微波能应用微波能应用加热:加热:特点是均匀、高效、迅速,便于控制特点是均匀、高效、迅速,便于控制杀菌:杀菌:除虫、育种、刺激植物生长除虫、育种、刺激植物生长生物医学
13、应用:生物医学应用:对生物体选择性加热,治疗各种疾病对生物体选择性加热,治疗各种疾病输能:输能:传输电能、太阳能传输电能、太阳能微波武器微波武器微波武器:THz应用应用被美国评为被美国评为“改变未来世界的十大技术之一改变未来世界的十大技术之一” 被日本列为被日本列为“国家支柱十大重点战略目标国家支柱十大重点战略目标”之首之首(1)THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级,不但可以方便地进行脉冲的典型脉宽在皮秒量级,不但可以方便地进行时间分辩的研究,而且通过取样测量技术,能够有效地时间分辩的研究,而且通过取样测量技术,能够有效地抑制抑制远红外背景噪声的干扰远红外背景噪声的干扰。(2)THz 脉冲源通常只
14、包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频带可以覆盖从脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十直至几十THz 的范围,许多生的范围,许多生物大分子的振动和转动能级,电介质、半导体材料、超导物大分子的振动和转动能级,电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。因波段范围。因此此THz 时域光谱技术作为探测材料在时域光谱技术作为探测材料在THz 波段信息的一种波段信息的一种有效的手段,非常有效的手段,非常适合于测量材料吸收光谱,可适合于测量材料吸收光谱,可用于进行定性鉴别的工作用于进行定性鉴别的工作
15、。太赫兹技术应用太赫兹技术应用(3)THz 光子的能量低,只有几毫电子伏特,因光子的能量低,只有几毫电子伏特,因此此不容易破坏被检测物质不容易破坏被检测物质。(4)许多的非金属非极性材料对)许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较射线的吸收较小,因此结合相应的技术,使得小,因此结合相应的技术,使得探测材料内部探测材料内部信信息成为可能。息成为可能。太赫兹技术应用太赫兹技术应用 太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的
16、成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。远的影响。 太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹由此构成了太赫兹应用的两个主要应用的两个主要关键技术关键技术。同时,由于太赫兹能量很小,不会。同时,由于太赫兹能量很小,不会对物质产生破坏作用,所以与对物质产生破坏作用,所以与X射线相比更具有优势。另外,由射线相比更具有优势。另外,由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段,因于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段,因此此太赫兹在粮食选种,优良菌种的选择等农业和
17、食品加太赫兹在粮食选种,优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景工行业有着良好的应用前景。 太赫兹技术应用太赫兹技术应用 目前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无目前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无损探伤等安全领域。损探伤等安全领域。 太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中,其太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中,其广袤的科学前景为世界所公认。广袤的科学前景为世界所公认。太赫兹技术应用太赫兹技术应用太赫兹成像太赫兹成像 远距离穿墙、探测隐蔽目标远距离穿墙、探测隐蔽目标太赫兹雷达太赫兹雷达 高精度宽频带,隐身目标无所遁形高精度宽频带,隐身目标无所遁形太赫兹通信太赫兹通信 开辟通信新
18、领域开辟通信新领域中国在中国在1979年制定的年制定的微波辐射暂行卫生标准微波辐射暂行卫生标准中规定:中规定:1)一天八小时连续辐射时,其剂量不应超过)一天八小时连续辐射时,其剂量不应超过38 W/cm2;2)短时间间断辐射及一天超过八小时照射时,一天总剂量不超过短时间间断辐射及一天超过八小时照射时,一天总剂量不超过300 Wh/cm2;3)特殊情况需要在辐射剂量大于)特殊情况需要在辐射剂量大于1mW/cm2环境中工作时,环境中工作时,必须使用个人防护用品,但日剂量不得超过必须使用个人防护用品,但日剂量不得超过300Wh/cm2,一般不容许在剂量超过一般不容许在剂量超过5mW/cm2的辐射环境
19、下工作。的辐射环境下工作。 应注意:长时间、大剂量的微波辐射也会伤害人体,还应注意对环境的污染。应注意:长时间、大剂量的微波辐射也会伤害人体,还应注意对环境的污染。绪论绪论 微波的应用微波的应用绪绪 论论本书内容框图及学习要点本书内容框图及学习要点均匀传输线和均匀传输线和波导理论基础波导理论基础规则金属波导规则金属波导传输线理论传输线理论微波集成传输线微波集成传输线介质波导与光波导介质波导与光波导微波电路元件微波电路元件理论基础理论基础微波网络理论微波网络理论微波谐振器微波谐振器微波元件微波元件(全书共分(全书共分8章)章)第第1章章 导波的一般特性导波的一般特性l定义定义 导波导波 在含有不
20、同媒质边界的空间传播或能够沿导行系统在含有不同媒质边界的空间传播或能够沿导行系统定向传输的电磁波;定向传输的电磁波; 导波系统导波系统 构成不同媒质边界的装置。它的作用是束缚并构成不同媒质边界的装置。它的作用是束缚并 引导电磁波传播。引导电磁波传播。 l不同频段和用途的导波系统不同频段和用途的导波系统 1 1)低频段导波系统)低频段导波系统 结构结构 两根平行导线;两根平行导线; 缺点缺点 随着信号频率升高,导线电阻损耗增大,不能有效随着信号频率升高,导线电阻损耗增大,不能有效引导微波。引导微波。 导波和导波系统导波和导波系统 2 2)微波频段导波系统)微波频段导波系统 米波频段结构米波频段结
21、构 改进型双导线即平行双导体线改进型双导线即平行双导体线; 分米波分米波厘米波厘米波频段结构频段结构 封闭式双导体导波系统即同封闭式双导体导波系统即同轴线;轴线; 厘米波厘米波毫米波毫米波频段结构频段结构 柱面金属波导;柱面金属波导; 毫米波毫米波亚毫米波亚毫米波频段结构频段结构 介质波导。介质波导。 l导波系统的主要功能导波系统的主要功能 1 1)无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能量从一)无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能量从一处传输至另一处,称之为馈线处传输至另一处,称之为馈线; ; 导波的一般特性导波的一般特性 2 2)设计构成各种微波电路元件,如)设计构成各种微波电路元件,
22、如滤波器滤波器、阻抗变换器阻抗变换器、定向耦合器定向耦合器等。等。l导波系统按导行波分类导波系统按导行波分类 1 1)横电磁)横电磁TEMTEM或准或准TEMTEM传输线传输线 导波的一般特性导波的一般特性 导波和导波系统导波和导波系统平行双线频率平行双线频率低低米波米波同轴线同轴线分米波、厘米波或毫米波分米波、厘米波或毫米波带状线,功率低带状线,功率低厘米波或毫米波厘米波或毫米波微带线,功率低微带线,功率低厘米波或毫米波厘米波或毫米波2 2)封闭金属波导)封闭金属波导3 3)表面波波导(或称开波导)表面波波导(或称开波导) 导波的一般特性导波的一般特性 导波和导波系统导波和导波系统介质圆波导
23、介质圆波导介质带线介质带线镜像线镜像线l导模导行波的模式导模导行波的模式 导波的一般特性导波的一般特性 导波和导波系统导波和导波系统又称传输模、正规模,是能够沿导行系统独立存在的场型又称传输模、正规模,是能够沿导行系统独立存在的场型l规则导行系统规则导行系统 定义:定义:无限长的笔直导行系统,其无限长的笔直导行系统,其截面形状和尺寸、媒质分布情况、截面形状和尺寸、媒质分布情况、结构材料及边界条件沿轴向均不结构材料及边界条件沿轴向均不变化。变化。 导波的一般特性导波的一般特性 导波和导波系统导波和导波系统导波的场分析方法导波的场分析方法 导波的一般特性导波的一般特性导行波沿规则波导(导行波沿规则
24、波导(a a)和双导体传输线()和双导体传输线(b b)的传输)的传输 分析分析前提前提导波系统是匀直无限长的)(规则波导)导波系统是匀直无限长的)(规则波导)导波随时间的变化为正弦变化,即导波随时间的变化为正弦变化,即ejt理论基础:理论基础:麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组研究方法:研究方法:场解法场解法导波的一般特性导波的一般特性 导波场分析导波场分析 导波系统中,求解场就是求解电磁场的矢量波导波系统中,求解场就是求解电磁场的矢量波动方程或称矢量亥姆霍兹方程,从而可知道系统中动方程或称矢量亥姆霍兹方程,从而可知道系统中任一点的电磁场。任一点的电磁场。)1 .1 (0)1 .1 (02222b
25、HkHaEkE矢量亥姆霍兹方程矢量亥姆霍兹方程无界媒质中电磁波传播常数无界媒质中电磁波传播常数2k导波的一般特性导波的一般特性 导波场分析导波场分析导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布 采用广义柱坐标系(采用广义柱坐标系(u u,z z,),设导波沿,),设导波沿z z 向向(轴向)传播,则:(轴向)传播,则: ),(),(),(zuEazuEzuEzzt),(),(),(zuHazuHzuHzzt令令导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布再令再令0( , , )( ,)( )E uzEuZ z0( , , )( ,)( )H uzH
26、uZ z(1.2a)(1.2b)分离变量法分离变量法基本思想基本思想将(将(1.2)式代入()式代入(1.1)式,有)式,有2200()()0E ZkE Z2200()()0H ZkH Z(1.3a)(1.3b)注:下标注:下标“0”代表横向分布函数代表横向分布函数导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布2将将算子分成横向、纵向两部分:算子分成横向、纵向两部分:zt2222(1.3a)变成:)变成:222002()()()0tE ZkE Zz 注意分布函数注意分布函数22200020tZEZEk E Zz(两边同除以(两边同除以 )0E Z导波的一般特
27、性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布2222002011()tZEk EZzE 令令式左、式右坐标不相关,式左、式右坐标不相关,因此共同等于一常数因此共同等于一常数因此因此22200()0tEkE(1.4)0222ZzdZd(1.5)导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布同理,对方程(同理,对方程(1.3b)同样可得)同样可得22200()0tHkH(1.6)0222ZzdZd(1.7)令令222 kkc得得22000tcEk E22000tcHk H(1.8)(1.9)坐标系确定后,该坐标系确定后,该两方程可求解两
28、方程可求解导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布方程(方程(1.5)与()与(1.7)形式完全一样,通解为)形式完全一样,通解为zzeAeAzZ)((1.10)或简记为或简记为zeAzZ)((1.11)因此,考虑时谐因子因此,考虑时谐因子tje,总场为,总场为0( , , , )( , )j tzE uz tEue0( , , , )( , )j tzH uz tHue(1.12a)(1.12b)讨论讨论导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布0( , )( ,)jtzE uz tEue0( , )( ,)j
29、tzH uz tHue(1.12a)(1.12b)波动。无衰减、传播波动。无衰减、传播(理想)(理想)(1)导波场沿纵向分布特点)导波场沿纵向分布特点波动。有衰减、传播波动。有衰减、传播(真实情况)(真实情况)导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布(2) 导波场传播、截止条件导波场传播、截止条件是复数,可以写成是复数,可以写成j(1.13)常数的衰减,称导波的衰减(传播方向)单位长度导波沿z(相移因子)的相移,常称相位常数(传播方向)单位长度导波沿z 称为传播常数称为传播常数下面讨论导波的传播和截止情况下面讨论导波的传播和截止情况导波的一般特性导波的
30、一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布由由222kkc得得22kkc2222cckk(按量纲分析)(按量纲分析)令令从而从而1)(21)(222ccfff(1.15)1(f导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布ccccfk22(1.14)1)(222kkkkkcc因此因此1)(21)(222ccfff导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布1f() 1ccccfff)时,或(无耗(无耗 属理想传输情况)属理想传输情况)22)(12)(12ccjfffj(1.16)知知j(没有实部)(没
31、有实部)(1.17)22)(12)(12ccfff(1.18)1)(21)(222ccfff导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布1f()2ccccfff)时,或知知(没有虚部)(没有虚部) 这时传播情况为场的振幅沿这时传播情况为场的振幅沿z z轴方向指数衰减,轴方向指数衰减,无相移。没有沿无相移。没有沿z z轴传播的波,称导波的轴传播的波,称导波的截止状态截止状态。1)(21)(222ccfff(1.19)1)(21)(222ccfff导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布0() 3c)时,或cff传播常
32、数为零,称传播的临界状态,属截止情形传播常数为零,称传播的临界状态,属截止情形因此因此称截止频率称截止波长ccf和波导尺寸有关和波导尺寸有关后面将看到这点后面将看到这点导波的一般特性导波的一般特性 导波场的纵向分布和横向分布导波场的纵向分布和横向分布结论结论传播状态的波称传播状态的波称传播波传播波或或传播模传播模截止状态的波(场)称截止状态的波(场)称截止模截止模或或截止场截止场判断传播波判断传播波条条 件件cff c或称工作波长称工作频率f导波的一般特性导波的一般特性导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量),(),(),(zuEazuEzuEzzt),(),(),(zuHazu
33、HzuHzzt为讨论方便,省去时谐因子为讨论方便,省去时谐因子tje,那么电场、磁场可表示为,那么电场、磁场可表示为/tzaz 代入时谐场满足的麦克斯韦方程组中代入时谐场满足的麦克斯韦方程组中展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等 ttzzHja EttzzztHa HajEz ttzzEja H ttzzztEa EajHz 两边乘以两边乘以jj 两边作两边作运算运算 导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量(大家下去推导一下)(大家下去推导一下)2tztzztHjaja HEz ttzztzzzzH
34、Ejaaa Eaazzzz 由由、可得:可得:由此两式消去由此两式消去 ,得,得tH222ttzztzkEEjaHzz导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量同理,同理,由由、还可得:还可得: 222ttzztzkHHjaEzz22k 重要结论:重要结论:、 说明规则导行系统中,导波场的横向说明规则导行系统中,导波场的横向分量可由纵向分量完全确定分量可由纵向分量完全确定导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量再由再由出发:出发:ttzzEja H ttttzzEja H AAA2)(利用0 E利用导波的一般特性
35、导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量22tttttttttzttEEEEEz 左左222()tttzztzttzHEja HjjEak EEzzz 利用右右左=右22220tttEk Ez220ttEk E220ttHk H导波的横向场满足导波的横向场满足矢量矢量亥姆霍兹(亥姆霍兹(Helmholtz)的方程。的方程。它只有在正交坐标系中才能分解为两个标量亥它只有在正交坐标系中才能分解为两个标量亥姆霍兹方程。姆霍兹方程。导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量矢量亥姆霍兹方程矢量亥姆霍兹方程2222ttttztztztz
36、zkHHjaEja Ezz ttzzHja E导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量222ttzztzkHHjaEzzt22220tzzzza Eka Ez220zzEk E规则导行系统中导波场的纵向分量满足规则导行系统中导波场的纵向分量满足标量标量亥亥 姆霍兹方程姆霍兹方程 。220zzHk H导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量/ z 222/ z把把 , 代入到横向场代入到横向场、 的表达式中,并的表达式中,并整理得到:整理得到:导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分
37、量和纵向分量0( , , )( , )zE uzE ue( , , )( , )zH uzH ue注意注意222ttzztzkEEjaHzz 222ttzztzkHHjaEzz 横横-纵向场关系式纵向场关系式2ttzhtzzcEEZHak2ttzeztzcHHY aEkhkZj ekYj 导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量(1.2-39) 导波的一般特性导波的一般特性 导波场的横向分量和纵向分量导波场的横向分量和纵向分量zztcztctzztcztctaEkjHkHaHkjEkE2222(同学们下去自己推导、证明一下)(同学们下去自己推导、证明一
38、下)导波的一般特性导波的一般特性导波的一般特性导波的一般特性按导波有无纵向场分量可以分为两大类按导波有无纵向场分量可以分为两大类导波的分类导波的分类 导波的类型是指满足无限长匀直导波系统横截面边界条导波的类型是指满足无限长匀直导波系统横截面边界条件,能独立存在的导波形式。件,能独立存在的导波形式。l导行波讨论导行波讨论: , 和和 三情形三情形02ck20ck 20ck 导波的一般特性导波的一般特性 导波的分类导波的分类k pgc g 这时这时导行波的传播特性与均匀平面波相同,导行波的传播特性与均匀平面波相同,是是TEM波波。02ck2)22ckk 2220ckk 22ckkk prrc gr
39、rc 0grr 20ck 导波的一般特性导波的一般特性 导波的分类导波的分类由由k与与kc的不同关系,这种导行波又可分为以下三种状态:的不同关系,这种导行波又可分为以下三种状态:特点特点: :是相速大于平面波速,即大于该媒质中的光速,而群是相速大于平面波速,即大于该媒质中的光速,而群速则小于该媒质中的光速,同时导波波长大于空间波长。这速则小于该媒质中的光速,同时导波波长大于空间波长。这是一种是一种。 , , 临界状态临界状态 沿沿z z方向没有波的传播过程,方向没有波的传播过程,k k称为临界波数。称为临界波数。 22ckk 0cck 临界临界(截止截止)角频率角频率2cckf 临界临界(截止
40、截止)频率频率2cck 临界临界(截止截止)波长波长导波的一般特性导波的一般特性 导波的分类导波的分类22ckk 2220ckk 22ckk12( )zzZ zZ eZ e这时场的振幅沿这时场的振幅沿z z方向呈指数变化而相位不变,它不再方向呈指数变化而相位不变,它不再是行波而是是行波而是衰减场衰减场。式中第一项代表沿。式中第一项代表沿+z+z方向衰减的方向衰减的场,第二项代表沿场,第二项代表沿-z-z方向衰减的场。这种状态称为方向衰减的场。这种状态称为截截止状态止状态或或过截止状态过截止状态。导波的一般特性导波的一般特性 导波的分类导波的分类322ckkk prrc 02grr 这种导行波的
41、相速小于无界媒质中的波速,而波这种导行波的相速小于无界媒质中的波速,而波长小于无界媒质中的波长,这是一种长小于无界媒质中的波长,这是一种 20ck 导波的一般特性导波的一般特性 导波的分类导波的分类导波的一般特性导波的一般特性ztztztaza000zzEH(同学们下去推导一下)(同学们下去推导一下)EjHHjE(时谐场麦氏方程组)(时谐场麦氏方程组)0t0tzEHaj0t0ztHaEj0t00zztztHaaEaEjj(1.3-5a)(1.3-5b)导波的一般特性导波的一般特性 TEM波的场分量波的场分量00ttzjEHa 即即za)()(BACCABCBATEM波的场分量波的场分量 , 与
42、传播方向与传播方向 互相垂直互相垂直,并按并按 成右手螺旋关系。成右手螺旋关系。0tEza00ttzEHa0tH导波的一般特性导波的一般特性 TEM波的场分量波的场分量(具体内容在第二章中介绍) 由由TEMTEM波场在横平面的分布与静态场相同这一点,波场在横平面的分布与静态场相同这一点,可判断具体的导波系统能否传输可判断具体的导波系统能否传输TEMTEM波。例如空心金属波。例如空心金属柱面波导,因其横截面内无法建立起静态场(导体表柱面波导,因其横截面内无法建立起静态场(导体表面上存在异性电荷时不可能有静止状态)。并且任意面上存在异性电荷时不可能有静止状态)。并且任意位置电场和磁场方向必须垂直,
43、磁力线必须闭合。所位置电场和磁场方向必须垂直,磁力线必须闭合。所以空心波导中不存在以空心波导中不存在TEMTEM波,而同轴线则可建立起静态波,而同轴线则可建立起静态场,故可存在场,故可存在TEMTEM波。波。 因此,因此,TEMTEM波只能存在于多导体构成的导波系统中。波只能存在于多导体构成的导波系统中。 导波的一般特性导波的一般特性 TEM波的场分量波的场分量导波的一般特性导波的一般特性 导波特性分析导波特性分析RIVHETEM波的波阻抗和波导纳为:波的波阻抗和波导纳为:TEMjZjTEMTEM1jYZj(1.3-6a)(1.3-6b)0t0tzEHaj0t0ztHaEj利用利用于是于是l传
44、播特性传播特性 由横由横- -纵场关系可知,当纵场关系可知,当 时,要使等式左端时,要使等式左端 的场不为零(横场若为零,则的场不为零(横场若为零,则TEMTEM波不存在)波不存在), ,则则0TEM0ttzEZHa0TEM0tztHYaE0zzEH0ck 2/ccck0cf c 或或导波的一般特性导波的一般特性 导波特性分析导波特性分析zztcztctzztcztctaEkjHkHaHkjEkE2222说明说明TEM波无低频截止,即双线、同轴线等传输线,理论上可波无低频截止,即双线、同轴线等传输线,理论上可以传播任意低频率的电磁波。以传播任意低频率的电磁波。导波的一般特性导波的一般特性 TE
45、M波的场分量波的场分量222(/ )1cckkkkkjk2k无耗时无耗时此式表明导波中此式表明导波中TEM波的传播常数与无界均波的传播常数与无界均匀媒质电磁波的传播常数相同。匀媒质电磁波的传播常数相同。TEMZkTEMjZj导波的一般特性导波的一般特性 导波的特性分析导波的特性分析pg22)(1)(11ccpkkk(1.3-14)2)(1cgdd(1.3-47)0,0221/11cgcfddf导波的一般特性导波的一般特性 导波的场分量导波的场分量gdzdt(1.3-47)导波的一般特性导波的一般特性 导波的特性分析导波的特性分析0c)()(ffggpp均为频率均为频率 f 的函数的函数2pg)
46、(gp能量、信号传播速度群速波前传播速度)相速(群速与能速相等,能速定义见(群速与能速相等,能速定义见p17)导波的一般特性导波的一般特性 导波的特性分析导波的特性分析0c1pg0cpg、用(用(1.3-14)和()和(1.3-47)式表达)式表达导波的一般特性导波的一般特性 导波的特性分析导波的特性分析工作波长,无界均匀媒质中的波长fc截止波长截止波长ccfg221 ()1 ()pgccfff(1.3-52)导波的一般特性导波的一般特性 导波的特性分析导波的特性分析三个波长之间的关系222111cg(下去自己证明一下)(下去自己证明一下)l场分量和波阻抗场分量和波阻抗(1 1)TE/TMTE
47、/TM波的场分量波的场分量0zE 0zH 导波的一般特性导波的一般特性 导波的特性分析导波的特性分析(5 5)TETE、TMTM波的特性分析波的特性分析00ttzEHa组成右螺旋关系002ttzcHHk 002ttzzcjEHak 00ttzjEHa00tztHaEj(1.3-26)(1.3-27)导波的一般特性导波的一般特性 导波的特性分析导波的特性分析TETEM2TE11(/)TEMcZjkZZY (1.3-25)TE波电磁场完整表达式波电磁场完整表达式0( , , , )( , )j tztE uz tE ue 00( , , , ) ( , )( , )j tztzH uz tHuHu
48、e (1.3-28)(1.3-29)TM波波导波的一般特性导波的一般特性 导波的特性分析导波的特性分析000ttzTMtzEHaZHaj000tztTMztjHaEYaE2TMTEMTM11()TEMcZZZYjkTM波总场波总场00( , , , )( , )( , )j tztzE uz tEuEue0( , , , )( , )j tztH uz tHue (1.3-35)(1.3-36) l传输功率传输功率设导波系统的横截面为设导波系统的横截面为S S,则导波的传输功率为:,则导波的传输功率为:导波的一般特性导波的一般特性11ReRe22zttzssPEHa dSEHa dS(1.4-
49、1)22TEMTEMTEM22TEM0TEM011221122ttssttssPZHdSYEdSZHdSYEdS(1.4-4)无耗时无耗时2TETE2TE22TE0TE012121122tststtssPZHdSYEdSZHdSYEdS22TMTMTM22TM0TM0112211E22ttssttssPZHdSYEdSZHdSYdS导波的一般特性导波的一般特性 存在纵向场的存在纵向场的TETE波和波和TMTM波,由于它们的横向场可由纵向波,由于它们的横向场可由纵向场表出,因此传输功率也可由纵向场来表示:场表出,因此传输功率也可由纵向场来表示: 2222TETETE0221122zzccssPZ
50、HdSZHdSkk2222TMTMTM0221122zzccssPYEdSYEdSkk导波的一般特性导波的一般特性 (证明见(证明见p21)l导波的能量导波的能量 单位长单位长导波系统中传播波的电能和磁能可由能量密度时导波系统中传播波的电能和磁能可由能量密度时均值积分求得。均值积分求得。4eessWwdSE E dS平均4mmssWwdSH H dS平均2eTEM04tsWEdS2mTEM04tsWHdS导波的一般特性导波的一般特性 导波的一般特性导波的一般特性 2eTE04tsWEdS22mTE004tzsWHHdS22eTM004tzsWEEdS2mTM04tsWHdS导波的一般特性导波的