電磁波在波導中傳播

1、課程設計作者：劉家豪 日期：2015/5/28 電磁波在波導中的傳播特點引言：電磁波在科研領域占有極其重要的地位。同時電磁波在傳播的過程中采用哪種傳播線，哪種介質(zhì)與電磁波的頻率是緊密相聯(lián)系的。在低頻范圍內(nèi)，應采用雙線傳輸線，在高頻范圍內(nèi)，為了避免輻射作用應該采用同軸線，在微波領域內(nèi)，為了避免同軸線的焦耳損耗等形式的熱損耗，常常采用波導進行傳輸。本文將根據(jù)電磁波的傳播特性，分析其在矩形波導，圓柱形波導，同軸波導中的傳播特性。關鍵詞：電磁波；波導；矩形波導：圓柱形波導一 導行波與波導：1. 導波系統(tǒng)：在導波系統(tǒng)中的電磁波根據(jù)縱向場分量的有無，可以有以下三種波的模型：（1）橫磁波(TM波)：。(2)

2、 橫電波(TE波)：。(3) 橫電磁波(TEM波)：。其中TEM只存在于多導體系統(tǒng)中，而橫磁波和橫電波一般存在于單導體系統(tǒng)中。TEM波沿著傳輸方向的分量為0，所以其無法再封閉的波導中傳播。2. 導行波：導行波就是大多數(shù)能量受到導行系統(tǒng)的邊界條件約束，在有限的橫街面里面沿著確定的方向傳播的一種電磁波，也就是受到波導約束沿著固定方向與范圍內(nèi)傳播的電磁波，簡稱導波。其中導波的電廠和磁場分量都是x,y,z三個方向的函數(shù)。3. 波導：所謂的波導，就是利用良導體制成的中空管狀的傳輸線，是一種傳播電磁能的工具。常見的波導有橫截面為矩形，圓形的，分別被稱為矩形波導和圓柱形波導。電磁波在波導中只能沿著管的軸向方

3、向傳播，這就使得電磁波在波導中與無界空間的電磁波在性質(zhì)上有很大的差別。二 矩形波導：1.幾何形狀：矩形波導是橫截面為矩形的空心金屬管，矩形波導結(jié)構(gòu)簡單、機械強度大，由于它是封閉結(jié)構(gòu)，可以避免外界干擾和輻射損耗；因為它無內(nèi)導體，所以導體損耗低，而功率容量大。在矩形波導中僅存在TE和TM兩類導波，不可能存在TEM波，因為TEM波沿著傳輸方向的分量為零，所以其無法再封閉的波導中傳播。2. 矩形波導中電磁波型的傳輸特性：TE波和TM波的截止波數(shù)均為：（1）截止波長：由此可見截止波長不僅僅與波導的結(jié)構(gòu)有關還與決定波型的m,n有關。 (2)截止頻率：，當給定了波導的a,b，將不同波型的m,n帶入公式中即可

4、得到不同波的截止頻率，如下圖。從圖中可以看出，一般情況下矩形波導工作在TE10單模傳輸情況，因為TE10模容易實現(xiàn)單模傳輸，當工作頻率一定時傳輸TE10模的波導尺寸最小，同時若波導尺寸一定，則實現(xiàn)單模傳輸?shù)念l帶最寬。要傳播TE10波必須滿足：2a （3）功率容量：波導中最大承受的極限功率稱為波導的功率容量。 行波狀態(tài)下波導傳輸TE10模的功率容量為：。實際傳輸線上總有反射波存在。在行駐波狀態(tài)下，矩形波導傳輸TE10模的功率容量應修正為 ：三 圓波導：圓波導的提出來自實踐的需要。例如，雷達的旋轉(zhuǎn)搜索。如果沒有旋轉(zhuǎn)關節(jié)，那只好發(fā)射機跟著轉(zhuǎn)。像這類應用中， 圓波導成了必須要的器件。至于以后要用到的極

5、化衰減器，多模或波紋喇叭，都會應用到圓波導?？梢赃@樣說,幾何對稱性給圓波導帶來廣泛的用途和價值。從力學和應力平衡角度，機加工圓波導更為有利，對于誤差和方便性等方面均略勝矩形波導一籌。與此同時要探索小衰減，大功率傳輸線，圓波導是必然的。1. 截止波長及波型：由TM波和TE波的截止波數(shù)可求得相應的截止波長，它們分別為，。下圖是圓波導波型的分布圖：本圖說明TE11模的截止波長最長，因此TE11模是圓波導傳輸?shù)闹髂＃琓E11單模傳輸?shù)臈l件為2. 圓波導中的三個主要模式： （1）TE11模()：TE11模的場分布如圖所示。其中圖(a)表示橫截面上的電磁場分布；圖(b)表示縱剖面上的電場分布；圖(c)為圓

6、波導壁上的壁電流分布。（2）TE01模()：TE01模的場分布如圖所示。其中圖(a)表示橫截面上的電磁場分布；圖(b)表示縱剖面上的電磁場分布；圖(c)為壁電流的分布。（3）TM01模()：TM01模的場分布如圖所示。其中圖(a)表示橫截面上的電磁場分布；圖(b)表示縱剖面上的電磁場分布；圖(c)為壁電流的分布。TM01模適用于微波天線饋線旋轉(zhuǎn)鉸鏈的工作模式。由于它具有Ez分量，便于和電子交換能量，可作電子直線加速器的工作模式。但由于它的管壁電流具有縱向電流，故必須采用抗流結(jié)構(gòu)的連接方式。四：同軸波導：同軸線是一種雙導體傳輸線，如圖所示。同軸線按結(jié)構(gòu)可分為兩種：硬同軸線和同軸電纜。硬同軸線內(nèi)外導體之間媒質(zhì)通常為空氣，內(nèi)導體用高頻介質(zhì)墊圈支撐。同軸電纜的內(nèi)外導體之間填充高頻介質(zhì)，內(nèi)導體由單根或多根導線組成，外導體由銅線編織而成，外面再包一層軟塑料等介質(zhì)。在同軸線中即可傳輸無色散的TEM波，也可能存在有色散的TE和TM波。1. TEM模的場分量和場結(jié)構(gòu)：同軸線傳輸?shù)闹髂Ｊ荰EM模