导行电磁波课件.pptVIP

導行電磁波導行電磁波(導波)：沿導波裝置(如傳輸線，波導)傳播的電磁波。導行波被限制在有限的空間內傳播。導波裝置可以具有不同的截面形狀和截面面積。矩形波導圓波導平行雙線同軸線微帶線均勻導波裝置：在垂直於導波傳播的方向的橫截面上，導波裝置具有相同的截面形狀和截面面積。第一節沿均勻導波裝置傳播的波的一般特性一、導波模式的分類橫電磁波(TEM波):在波傳播的方向上沒有電場或磁場分量，即電場和磁場垂直於電場傳播方向；橫磁波(TM波或E波):在波傳播的方向上有電場分量，但沒有磁場分量，即磁場垂直於電場傳播方向；橫電波(TE波或M波):在波傳播的方向上有磁場分量，但沒有電場分量，即電場垂直於電場傳播方向；TEM波TM波TE波二、導行電磁波的縱向場量運算式由麥克斯韋方程組設電磁波在無耗媒質中向(+z)方向傳播，其角頻率為,則其電場運算式可以記為：同理：通過數學變形，可以得到用縱向場分量Ez、Hz分量表示的橫向場量，即：和式中：說明：1、均勻導波系統中，可用兩個縱向場分量Ez和Hz表示其餘的橫向場分量Ex、Ey、Hx、Hy。2、對於正弦電磁波，其滿足的波動方程為亥姆霍茲方程即所以，兩個縱向場分量Ez和Hz可由亥姆霍茲方程及邊界條件確定。討論：根據兩縱向場分量存在與否，可對導行電磁波進行分類：1、當Ez=0,Hz=0時(橫電磁波，TEM波)當Ez=0,Hz=0時，由場量的縱向場運算式可知，要想Ex、Ey、Hx、Hy有非零解，則有TEM波的相速為：其相位係數：TEM波的波阻抗為：TEM波的波阻抗與媒質本征阻抗相等。與無界空間中均勻平面波的關係相同相伴的磁場2、當Hz=0,Ez?0時(橫磁波，TM波)相伴的磁場3、當Ez=0,Hz?0時(橫電波，TE波)場量間關係：說明：TEM波只能存在與多導體導波裝置內(如傳輸線,同軸線)，TE,TM波可存在於金屬空心波導內。第二節矩形波導矩形波導矩形波導是指橫截面為矩形的空心導波裝置。電磁波在導體空腔內傳播其內傳播的電磁波不可能有TEM波，只能是TE波和TM波。一、TM波設矩形波導內波向+z向傳播，對TM而言，Hz=0。由前面的分析可知，當求出波的z向分量後，就可以求出其他的場分量，因此，我們首先需要求出Ez的解。令代入亥姆霍茲方程，只考慮Ez分量，有：利用分離變數法解上方程，可以求得：式中：由邊界條件來確定四個待確定量C1,C2,C3,C4.由邊界條件可知，在導體邊界面上，電場切向為零。由上邊界條件，可確定出Ez的解為：振幅，其大小由激勵源決定。求出Ez後，則可由前面得到的場量z向運算式求出其他幾個分量運算式：式中：矩形波導內TM波的傳播特性：由TM波的場分量可知，對應不同的m和n，有不同的場量運算式，代表不同的TM場結構模式，用表示；矩形波導內有無窮多個TM模式在傳播，波導中的場分佈為所有不同模式場的疊加；的傳播係數由場量運算式可知：當?為純虛數時，波為無衰減的行波；當?為正實數時，波存在衰減，不傳播；規定：當?＝0時，稱波導內的波處於截止狀態，此時波的頻率為截止頻率或臨界頻率，用表示。矩形波導（尺寸為a×b）的截止頻率為：結論：當波的頻率高於截止頻率時，波能傳播；當波的頻率小於截止頻率時，波不能傳播。矩形波導具有高通特性(類似於濾波器)。截止波長截止頻率對應的無界空間波長，稱為截止波長。波的相速波導波長自由空間波速相同頻率的電磁波在波導內與在無界空間中相比，其波長不相同。波導內的波長稱為波導波長。說明：1、m,n不能為零，即不存在模波；2、波導波長大於自由空間波長；在填充相同媒質的情況下，波導中的波速大於自由空間波速。二、TE波對TE而言，Ez=0，由相類似的方法，可以求得TE波場量運算式為：矩形波導內TE波的傳播特性矩形波導內有無窮多個TE模式在傳播，波導中的場分佈為所有不同模式場的疊加；的求解公式與TM波相同。與TM不同，TE波的m和n可以取零，但不能同時為零。即存在TE10模和TE01模，但不存在TE