1、第十节第十节 波导的激励和耦合波导的激励和耦合 波导中的能量是用激励方法产生的波导中的能量是用激励方法产生的。在波导中建立所需要的在波导中建立所需要的波型的过程称为波型的过程称为“激励激励”，所采用装置称为激励装置或激励元件。，所采用装置称为激励装置或激励元件。激励的本质是辐射，是向波导内有限空间辐射，并要求在激励的本质是辐射，是向波导内有限空间辐射，并要求在波导内建立所需要的波型。波导内建立所需要的波型。根据互易定理根据互易定理,激励激励耦合耦合,激励装置激励装置耦合装置。耦合装置。波型的电磁场结构是该波型的激励和耦合的基础。波型的电磁场结构是该波型的激励和耦合的基础。由于辐射源附近的边界条
2、件复杂，由于辐射源附近的边界条件复杂，难以用严格的数学方法求解。本节仅从实用出发，定性介绍一难以用严格的数学方法求解。本节仅从实用出发，定性介绍一些激励方法。些激励方法。反之，从波导中取出所需波型能量的过程称为反之，从波导中取出所需波型能量的过程称为“耦合耦合”，其装，其装置称为耦合装置或耦合元件。置称为耦合装置或耦合元件。1.在波导中激励所需波型常采用的三种方法在波导中激励所需波型常采用的三种方法 (1)电场激励：在波导的某一截面上建立起电力线，这些电电场激励：在波导的某一截面上建立起电力线，这些电力线的形状和方向与力线的形状和方向与所需波型的所需波型的电力线的形状和方向一样。电力线的形状和
3、方向一样。(2)磁场激励：在波导中某一处建立起磁力线，这些磁力磁场激励：在波导中某一处建立起磁力线，这些磁力线的形状和方向与线的形状和方向与所需波型的所需波型的磁力线的形状和方向一样。磁力线的形状和方向一样。(3)电流激励：在波导壁某一截面上建立起的电流方向和电流激励：在波导壁某一截面上建立起的电流方向和分布与分布与所需波型的所需波型的电流一致。电流一致。2.完成上述作用的激励装置有以下四种完成上述作用的激励装置有以下四种(1)棒激励棒激励装置装置 小天线小天线 由在电场最强处平行于电力线方由在电场最强处平行于电力线方向深入到波导内的电偶极子构成，如向深入到波导内的电偶极子构成，如图图3-60
4、所示所示。图图3-60 小天线小天线(电偶极子电偶极子)示意图示意图 该电偶极子是由同轴线该电偶极子是由同轴线的内导体延伸一小段而成，延伸段插的内导体延伸一小段而成，延伸段插入波导内，同轴线的外导体与波导壁入波导内，同轴线的外导体与波导壁有良好的电接触，另一端接信号源。有良好的电接触，另一端接信号源。其实质是电场激励。其实质是电场激励。孔激励装置示意图孔激励装置示意图(2)环激励装置环激励装置 耦合环耦合环图图3-61 耦合环耦合环(磁偶极子磁偶极子)示意图示意图 由在磁场最强处深入波导内的由在磁场最强处深入波导内的磁偶极子构成，应使小环的法线平磁偶极子构成，应使小环的法线平行于磁力线行于磁力
5、线,如如图图3-61所示所示。该磁偶该磁偶极子是由同轴线的内导体与其外导极子是由同轴线的内导体与其外导体闭合成小环而成，其实质是磁场体闭合成小环而成，其实质是磁场激励。激励。(3)孔或缝隙激励装置孔或缝隙激励装置 如右如右图所示，由在公共波导图所示，由在公共波导壁上开孔或缝隙而成，孔应开在壁上开孔或缝隙而成，孔应开在具有公共场分量处。用于波导与具有公共场分量处。用于波导与波导或波导与谐振腔之间的激励。波导或波导与谐振腔之间的激励。(4)电子流电子流激励装置激励装置 由通过谐振腔由通过谐振腔(通常做成珊状通常做成珊状)的电子流在腔内激励起所需的模式。常用于微波电子器件中。的电子流在腔内激励起所需
6、的模式。常用于微波电子器件中。图图3-54 同轴线通过小天线激励矩形波导的同轴线通过小天线激励矩形波导的 H103.矩形波导中的主模矩形波导中的主模H10波的激励装置波的激励装置(1)小天线小天线(探针探针)激励：又称同轴激励：又称同轴-波导过渡器波导过渡器 如图如图3-54所示，同轴线从波导宽壁中间所示，同轴线从波导宽壁中间(电场最强电场最强)插入插入(图图a)，其，其外导体与波导壁连接，而内导体则延长一段伸入波导中外导体与波导壁连接，而内导体则延长一段伸入波导中,形成一个小天形成一个小天线把微波能量辐射到波导中线把微波能量辐射到波导中(图图b)。为在波导中建立单方向传播的为在波导中建立单方
7、向传播的H10波，波，在另一方向设置一短路活塞在另一方向设置一短路活塞(图图c)。调节活塞位置。调节活塞位置l2 和探针插入深度和探针插入深度l1可可达到匹配。若波导尺寸和工作波长满足单模传输条件，即可在其中激励达到匹配。若波导尺寸和工作波长满足单模传输条件，即可在其中激励起起H10波。波。(2)环激励环激励 如下图所示，小环的位置可以垂直接在波导的端面上如下图所示，小环的位置可以垂直接在波导的端面上(图图a),也可接在波导的窄壁上也可接在波导的窄壁上(图图b)。安装时应使耦合环平面与磁力线。安装时应使耦合环平面与磁力线相垂直。相垂直。P121图图3-62给出了同轴线通过耦合环激励矩形波导给出
8、了同轴线通过耦合环激励矩形波导H10模的模的一个例子。一个例子。(3)小孔或窄缝激励小孔或窄缝激励 由另一个波导通过公共壁上的小孔或强辐射窄缝来激励，由另一个波导通过公共壁上的小孔或强辐射窄缝来激励，具体例子如具体例子如P120图图3-59所示。小孔或窄缝可以开在端面上，也所示。小孔或窄缝可以开在端面上，也可以开在宽壁和窄壁上。可以开在宽壁和窄壁上。矩形波导矩形波导H10模的孔激励方法模的孔激励方法 小孔或窄缝激励可以是电场激励小孔或窄缝激励可以是电场激励,也可以是磁场激励也可以是磁场激励,或二或二者兼有之。如下图者兼有之。如下图“矩形波导矩形波导H10模的孔激励方法模的孔激励方法”中中 a)
9、只有只有磁场激励磁场激励(或耦合或耦合)；b)、c)则电、磁场激励兼有之。则电、磁场激励兼有之。图图3-55图图3-564.圆波导中所需波型的激励圆波导中所需波型的激励 如图如图3-55、3-56所示所示，圆波导的激励一般采用波型变换法圆波导的激励一般采用波型变换法,由一个从矩形波型转变成圆波导的由一个从矩形波型转变成圆波导的“方圆过渡段方圆过渡段”构成波型变构成波型变换器，可将矩形波导中的换器，可将矩形波导中的H10波，经过波导截面的逐渐变形，波，经过波导截面的逐渐变形，变成圆波导中所需的波型。变成圆波导中所需的波型。(1)偶偶(对称对称)激励不可能激起奇激励不可能激起奇(反称反称)模式；模
10、式；(2)奇奇(反称反称)激励不可能激起偶激励不可能激起偶(对称对称)模式。模式。5.模式之间的能量耦合遵循模式之间的能量耦合遵循奇偶禁戒规则奇偶禁戒规则：任何激励装置除了激励出所需波型外，还可能激励出其它任何激励装置除了激励出所需波型外，还可能激励出其它波型。波型。以矩形波导为例，如果设计得当，则在矩形波导中将只以矩形波导为例，如果设计得当，则在矩形波导中将只传输传输H10波波,其它波型很快衰减掉。其它波型很快衰减掉。但在激励装置附近但在激励装置附近,决不可决不可能只存在一种波型。那些存在且不能传输的高次模，将形成感能只存在一种波型。那些存在且不能传输的高次模，将形成感应场而起着无功负载的作
11、用。应场而起着无功负载的作用。1.微波传输线是引导电磁波沿一定方向传输的系统微波传输线是引导电磁波沿一定方向传输的系统,又又称导波系统。称导波系统。2.导行波按纵向场分量的有无分为导行波按纵向场分量的有无分为TE波、波、TM波和波和TEM波波三种类型。前两种是色散波，一般在金属波导中传播；三种类型。前两种是色散波，一般在金属波导中传播；TEM波波是非色散波，一般在双导体系统中传播。是非色散波，一般在双导体系统中传播。3.均匀金属波导不能传输均匀金属波导不能传输TEM波，其基本波型是波，其基本波型是TEmn和和TMmn，只有满足条件，只有满足条件l fc 的模才能在相应导波中传的模才能在相应导波
12、中传播，否则被截止。播，否则被截止。麦克斯韦方程和边界条件决定了导行波在导波系麦克斯韦方程和边界条件决定了导行波在导波系统中的电磁场分布规律和传播特性。统中的电磁场分布规律和传播特性。4.理想波导的传输特性有理想波导的传输特性有gcllll2122相位常数相位常数21cpcvll相速相速21cgllll相波长(波导波长)相波长(波导波长)21cgcddvll群速群速22cpkkv,2lkcckl2l2cccckcf222111kkffccclljkkc)(22传输波阻抗波阻抗21120cTEll21120cTMll120000TEM式中，式中，lc 为截止波长。为截止波长。222221)()(
13、2bnamkkkccl222bnamcl矩形波导：矩形波导：(1)“高通低不通高通低不通”，(2)色散，色散，(3)多模，多模，(4)矩形波导中的主模为矩形波导中的主模为TE10 (H10)实现单一实现单一TE10模传输必须满足的条件：模传输必须满足的条件：baaHcHcHc2)()(max2)(012010llll一般取一般取 1.6 a l 1.05 a,2niTEcvanilniTMcuanil2圆波导：圆波导：aukavkniTMcniTEcnini)(,)(),3,2,1,2,1,0(0)(,0)(inuJvJninnin；式中式中(5)简并简并矩形波导中的电磁波型的传输特性矩形波导中的电磁波型的传输特性传输线类型传输线类型主主 模模截止波长截止波长lc单模传输条件单模传输条件平行双导线平行双导线TEM模模无截止特性无截止特性矩形波导矩形波导TE10模模2a圆波导圆波导TE11模模(最低模最低模)3.41a2.62a l (D+d)/2带状线带状线TEM模模微带线微带线准准TEM模模aba22maxlrrbWll2,214,2,2rrrhhWlll 5.各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输的条件各类传输线内传输的主模及其截止波长和单模传输的条件列于下表：列于下表：
