導行波的概念

1、(1)導行波的概念:由傳輸線所引導的，能沿一定方向傳播的電磁波稱為“導行波。導行波的電場E或磁場H都是x、y、z三個方向的函數(shù)。導行波可分成以下三種類型：(A) 橫電磁波(TEM波)：TEM波的特征是：電場 E和磁場H均無縱向分量，亦即：Ez =0 , Hz =0。電場E和磁場H，都是純橫向的。TEM波沿傳輸方向的分量為零。所以，這種波是無法在波導中傳播的。(B) 橫電波(TE波)：TE波即是橫電波或稱為“磁波(H波)，其特征是 Ez =0,而Hz = 0。亦即：電場E是純橫向 的，而磁場H那么具有縱向分量。(C) 橫磁波(TM波)：TM波即是橫磁波或稱為“電波(E波)，其特征是H z = 0

2、，而Ez = 0。亦即：磁場H是純橫向的， 而電場E那么具有縱向分量。TE波和TM波均為“色散波。矩形波導中，既能傳輸TEmn波，又能傳輸TMmn波(其中m代表電場或磁場在x方向半周變化的次數(shù)，n代表電場或磁場在y方向半周變化的次數(shù))。(2)色散波的特點：由于TE涉及TM波與TEM波的性質不同。色散波就有其自身的特點：(a)臨界波長c :矩形波導中傳播的色散波，都有一定的“臨界波長。只有當自由空間的波長小于臨界波長c時,：2 n2(6-2-1)(b)波導波長g和相速V、群速Vc:色散波在波導中的波長用 g表示。波導內(nèi)由入射波與反射波疊加而成的合成波，其相平面?zhèn)鞑サ乃?度稱為相速V。群速Vc是表

3、示能量沿波導縱向傳播的速度，其關系為V Vc = c。因為，波導中電磁波是成“之字形并以光速傳播的。所以，波導波長速c。它們之間的相互關系為：-g將大于自由空間的波長。同時，相速V也大于光(6-2-2)圖6-2-1示岀了電磁波在波導中傳播的方向(3)反射系數(shù)和駐波比：波導終端接入負載后，由于負載性質的不同， 電磁波就將在終端產(chǎn)生不同程度的反射。如用Zc 表示傳輸線的特性阻抗，用Z L表示負載阻抗。那么反射系數(shù)丨為：丨二丨 ej ZC Zl(6-2-4)Zc +Zl圖6-2-1平面波的傳播可見，反射系數(shù)I是個復數(shù)。當特性阻抗 Zc與負載阻抗ZL相等(即接入匹配負載)時： =0入射波全部被負載吸收

4、而無反射。當終端短路(微波技術中的短路是指系統(tǒng)終端接入全反射負載，即Zl =0)時：F =，入射波被負載全部反射。微波技術中，還經(jīng)常使用駐波比J來描述傳輸線阻抗匹配的情況。波導中駐波比被定義為：波導中駐波電場最大值和電場最小值之比，即?二Emax(6-2-5)Em.駐波比與反射系數(shù)丨之間的關系應為：1 + rP 二；一FT(6-2-6)由此，從圖6-2-2中(a)、(b)、(c)可看出電場在波導中的分布情況。(a)在負載匹配情況下有：F =0及P = 1 ;波導中傳播的是“行波，其幅值為Ei(b)在負載短路情況下有：F =1及P =旳;波導中傳播的是“純駐波，其幅度值為2 Ei(c)在其它任意

5、負載下有：0 .；： |，-1及1 ： ： ：;波導中傳播的是“行駐波，其幅度值為傳輸線的目的是要無損的傳輸功率，故常希望工作在負載阻抗匹配的情況下。由公式6-2-1可知，矩形波導中臨界波長，c的最大值應出現(xiàn)在 m = 1, n = 0的情況下此時:1IEI|Ei|21 Ei|O(b)I E|(a)I : DlEi|I 丨 l)|Ei|圖6-2-2不同負載情況下電場在波導中的分布圖c 1 cmax = 2a 。這就是耳0波。H,0波被稱為矩形波導中的“主波也是最簡單、最有用的波形。一般矩形波導所鼓勵的都是H10波下面將討論，H10波中電磁場的簡單結構。a電場結構:6-2-3所示。在 x-y平面

6、內(nèi),H10波中電場E只有Ey分量。其電力線將與x-z平面處處正交。如圖Ey = E0 sine t ，說明電場強度只與x有關，且按正弦規(guī)律變化。在x = 0及x= a處即：波a導中的兩個窄邊上。aEy = 0。在x處即：波導寬邊中央，由此，Ey二Ey max。由于，能量是沿az方向傳播的。因此， E將沿Z方向呈行波狀態(tài)，并在 x=的縱剖面內(nèi)，E沿zy 2軸也是按正弦分布b磁場結構：H10波中磁場H只有Hx及Hz分量。其磁力線將分布在 x-z平面內(nèi)。由于，Ey和Hx決定著電磁波沿z方向傳播的能量，就必然要求Ey與Hx同相，即沿z方向在E最大處，Hx也最大，在x方向上，Hx是呈正弦分布與Ey同相。

7、所以Hx在橫截面和縱剖面的分布情況也與 E相同。在討論Hz分布時，必須注意到，在 z= 0的截面上，Hz沿x方向是呈余弦變化，即在 x=o及x= aa處，Hz有最大值，而在 X 處，那么有Hz = 0。2Hi。波場的特點可以歸結為：a. 只存在E， Hx， Hz三個分量；b. E和Hx均按正弦規(guī)律分布，Hz按余弦規(guī)律分布。因而 E和Hx同相，并與Hz反相。圖6-2-3顯示了 Hio波電磁場在矩形波導中(6)微波頻率的測量：頻率的測量是微波測量技術中的一個重要方面。本實驗將采用“直接和“間接兩種不同的方法來 測量頻率。(a)直接測量法縱截面a) Hio波電場結構圖b) H10波磁場結構圖c)波電

8、磁場結構總圖圖6-2-3矩形波導中Hio波的電磁場分布圖本實驗使用外差式頻率計或是數(shù)字微波頻率計就能直接讀岀頻率的數(shù)值。亦可以使用吸收式空腔波長計，利 用空腔做為諧振系統(tǒng)，并通過機械裝置進行調(diào)諧。當吸收式波長計的腔體被調(diào)節(jié)到諧振點時，輸入到指示 器的功率最小。此時即可由波長計中的螺旋測微計的讀數(shù) D，通過Df曲線查出被測的微波頻率。 就是使用這種方法作為直接測量的 。(b)間接測量法一般是使用測量線，先測出波導波長g，然后由公式:計算岀待測微波信號在自由空間的波長最后再由波長與頻率f的關系求岀頻率上式中:波導波長;自由空間波長;波導的截止波長。在三公分微波系統(tǒng)中，波導的尺寸：ax b= 22.

9、86mm x 10.16mm。對于H10波而言，截止波長 =45.72mm微波系統(tǒng)中接入不匹配負載時，就將岀現(xiàn)駐波，使用測量線就能很方便地測量岀相鄰兩個波長點之間 的距離：d2 _ Dr2。圖6-2-4示岀了通過駐波波節(jié)點的位置來找岀波導波長g的方法：的分布。應當注由于在駐波波節(jié)處指示儀器的數(shù)值很小，且駐波波節(jié)處波形的變化很陡，因而就很難找到 波節(jié)點準確位置。為了提高測量的精度，可利用波節(jié)點兩側波形對稱的特點，采用“等電位法進行。所謂等電位法，就是先在任意一個波節(jié)點Dr的左右兩側找出 r及2兩個位置，使指示儀器微安表的讀數(shù)均為 a r，那么此波節(jié)點的正確位置為：Dl = -；同理，可在相鄰波節(jié)

10、點 D2的左右兩側找出 3及4，那么：D2 = 3 42(6-2-7)所以，g /2 = D2 Di(7)駐波比的測量:產(chǎn)生駐波的原因是由于負載阻抗與波導特性阻抗不匹配。因此，通過對駐波比的測量，就能檢查系統(tǒng) 的匹配情況，進而明確負載的性質。本實驗一般都是在小信號狀態(tài)下進行測試，為此檢波晶體二極管都是工作在平方律檢波區(qū)域(檢波電流！.- E )，故應有:使用測量線測試駐波比，可直接由測量線探針分別處于駐波波腹及波節(jié)位置時的電流表讀數(shù)lmax及I min，求出駐波比。但是為了提高檢測靈敏度，最好還是將微波信號源加以1KC的方波信號進行調(diào)制。此信號由選頻放大器放大。在其指示電表上就能讀岀有關的電流

11、值、分貝值或是直接讀岀駐波比值。下面分別表達以上三種數(shù)值的具體讀法：(a)直讀法：選頻放大器電表表盤下方備有“駐波比刻度，可用來直接讀取微波負載的駐波比。方法是：先將測 量線探頭置于駐波波腹處，在適中選擇放大器“分貝開關的根底上，調(diào)節(jié)放大器的“增益旋鈕，使指 示滿刻度(即：駐波比為“ 1處)。再將探頭移至波節(jié)位置，此時指針所指示的駐波比數(shù)值就是被測負載 的:值。(b)分貝法：同上法；只是在波腹處(選頻放大器指示電表在滿刻度時 )。應讀為“ 0分貝。而波節(jié)處的分貝數(shù)被讀取后即可查閱附錄中“分貝與電壓比關系表，得知此負載的駐波比值。(c)電流法:在指示滿刻度時，電流讀數(shù)為100A Imax值，而波

12、節(jié)處的電流讀數(shù)即為： | min。再根據(jù)平方律檢波公式求岀值特別要注意的是：以上介紹的這三種方法都是在測3.16的負載時是適用的，如被測負載的駐波比處于3.1610時，還必須將“分貝開關順時針換過一擋。 順時針換過一擋“分貝開關后， 對“直讀法：其T值應讀取下面一行3.1610;對“分貝法：應在表盤指示的分貝數(shù)上再加10分貝對“電流法：其Imin值應為未換擋時的1?。根據(jù)同樣的道理，你應當能判斷岀“分貝開關順時針轉換二擋、三擋時，該如何讀數(shù)了8功率的測量：本實驗使用GX-2A型微瓦功率計來測量微波功率。當功率計探頭接入系統(tǒng)終端時，就構成了微波系統(tǒng)的負載。探頭內(nèi)裝有鉍銻熱電偶，可將微波產(chǎn)生的熱能轉換成電能，并直接由功率計表頭上的讀數(shù)得知被測功率值。如果忽略傳輸線本身對信號的衰減，并假設功率計探頭的阻抗 Zl與微波系統(tǒng)的特性阻抗Zc相匹配即: Zl= Zc,那么信號源輸出的功率將全部為負載所吸收。但在一般情況下，功率計探頭的輸入阻抗Zl不可能做得完全與微波系統(tǒng)的特性阻抗 Zc相匹配即：ZL-Zc，那么一局部功率將會由探頭反射回來，它正比于 探頭的功率反射系數(shù)匸|2。這種損耗稱為：“反射損耗。此時功率計所吸收的功率應為：2Pl =Ph;其中：Pl功率計所測得的功率值；Ph系統(tǒng)終端輸岀的真實功率；仃 P_1反射系數(shù)7；另外，在傳輸系統(tǒng)中，傳輸線本身也會對