工程電磁場導(dǎo)論第八章

1、工程電磁場導(dǎo)論第八章第1頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三Introduction 頻譜表 (Frequency Table)8.0 序 音頻 VF 甚低頻 VLF 低 頻 LF 中 頻 MF 高 頻 HF 甚高頻 VHF 特高頻 UHF 超高頻 SHF 極高頻 EHF 超長波 VLW 長波 LW 中波 MW 超短波 VSW 米波分米波厘米波毫米波 3Hz 30Hz 300Hz 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz105km 104km 103km 102km 10k

2、m 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 100 10 1 （公里） （米） （厘米）（毫米） （微米） 短波 SW 音 頻雷達(dá)頻率微波頻率紅外視 頻超級高頻 射頻無線電波下 頁上 頁返 回第2頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三圖8.0.1 各種載波體低、中頻區(qū)(雙導(dǎo)體）中高頻區(qū)(微帶線）高頻區(qū)(金屬波導(dǎo)） 波導(dǎo)類型 (Waveguide Forms)下 頁上 頁返 回第3頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三 微波特點 (Microwave Characteristic)1.類似于光波的特性 波長很短，直線傳播。可將電磁能量集中在很

3、小的角度內(nèi)定向輻射（雷達(dá)；航天遙控、遙感、遙測、通信等）2.穿越電離層的透射性 給空間通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感、射電天文學(xué)等提供了無線通道。 下 頁上 頁返 回第4頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三4.抗低頻干擾特性 大多數(shù)自然干擾（來自宇宙、大氣層）和人為干擾（電氣、電子設(shè)備等產(chǎn)生的電子垃圾）集中在數(shù)十兆以下的低、中頻域內(nèi)，用微波濾波器便可拒之門外。 信息傳輸?shù)乃俣仍絹碓礁?，?s內(nèi)傳輸 個數(shù)據(jù)，非微波莫屬。3.寬頻帶特性 傳輸?shù)男畔⒃蕉?，占用的頻帶越寬。 30kM100kM帶寬可以傳送200路電視或 100000 路 雙向電話，這是短波通信望塵莫及的。下 頁上 頁返

4、回第5頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三圖8.0.3 不同波長的傳播途徑長 波 傳 播短 波 傳 播微 波 傳 播圖8.0.2 對流層、同溫層和電離層的配置（白天）下 頁上 頁返 回第6頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三8.1 導(dǎo)行電磁波分類及其一般特性 導(dǎo)行波的分類 (Guided Waves Types)Guided Electromagnetic Waves Types and Characteristic設(shè)：載波體無限長，具有軸向均勻性（無反射）載波體為完純導(dǎo)體，其周圍是理想介質(zhì)（無損耗）載波體中無激勵源 電磁波沿 z 軸傳播，且隨時間作正弦

5、變化。下 頁上 頁返 回第7頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三 式中 ，沿 z 軸傳播的通解為代入式（1)、(2），得到波動方程橫向拉普拉斯算子。式中下 頁上 頁返 回第8頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三 根據(jù)縱向場法解得 和 ，再由Maxwell 方程解得其它四個場分量波動方程下 頁上 頁返 回第9頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三2. TE 波（ ）3. TM 波（ ）亦稱橫電波 (Transverse Electric)亦稱橫磁波 (Transverse Magnetic) 1. TEM 波 說明，任一時刻，在x0y平面

6、上場的分布與穩(wěn)態(tài)場相同。只有當(dāng) 時，電磁場的橫向分量才存在，此時 拉普拉斯方程下 頁上 頁返 回第10頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三 波導(dǎo)中波的傳播特性 (Propagation Characteristic in Waveguide)傳播特性取決于傳播常數(shù) g，由 ，衰減模式 （截止波長）cutoff wavelength b 為波導(dǎo)中的相位常數(shù)，它不同于無界空間的相位常數(shù)?？芍ń刂诡l率）cutoff frequency或下 頁上 頁返 回臨界狀態(tài)可傳播模式第11頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三a. 波導(dǎo)的濾波作用b. 波導(dǎo)中的相位常數(shù)波導(dǎo)

7、中的相位常數(shù)小于無界空間的相位常數(shù)。c. 波導(dǎo)波長d. 波導(dǎo)相速幾何色散波 當(dāng)工作頻率（信號源頻率） 或 時，信號可以傳播，否則呈衰減波。下 頁上 頁返 回第12頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三8.2 矩形波導(dǎo) TM 波( Hz=0 ) (TM Wave)邊界條件方程圖8.2.1 矩形波導(dǎo)Rectangular Waveguide用分離變量法得通解下 頁上 頁返 回第13頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三其余四個場分量b、m 0 和n0 ，即不存在 TM00，TMn0，TMm0波。 a、沿 z 軸方向傳播非均勻平面波， 沿x，y方向為 駐波，m，n

8、分別為駐波波腹點的個數(shù)。 傳播特性：與波導(dǎo)形狀，尺寸、波型有關(guān)。式中，特征值下 頁上 頁返 回已知及第14頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三8.2.2 TE波（ ）(TE Wave)同上推導(dǎo)方程邊界條件傳播特性： a. 同TM波 b. m，n不同時為零，即不存在TE00波。下 頁上 頁返 回第15頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三 傳播特性 (Propagation Characteristic)1. 截止頻率和截止波長2. 傳播模式m, n不同時為零的任意組合成TEmn波, 最低模式為TE10；3. 簡并現(xiàn)象波導(dǎo)中fc最小的模式稱為最低模式，所以

9、不同的波具有相同的 ，稱為簡并現(xiàn)象。除TEm0，TE0n之外的所有波均有簡并模式。如TE11與TM11，TE21與TM21等。 m 和n 的任意組合構(gòu)成TMmn波，最低模式TM11；下 頁上 頁返 回第16頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三 電磁場的分布 (Electromagnetic Fields Distribution)TE10波：圖8.2.2 TE10波的電場分布圖8.2.4 TE10波的立體電磁場分布圖8.2.5 矩形波導(dǎo)中TE10模的 管壁電流圖8.2.3 TE10波的磁場分布下 頁上 頁返 回第17頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三例

10、8.2.1 矩形波導(dǎo)的截面尺寸a=7cm，b=3cm。求(1)截止波長；2）若工作頻率f=3109Hz， ，波導(dǎo)中可以傳播哪些波；3）若只傳播TE10波，波導(dǎo)尺寸如何改變？ 解（1）根據(jù)(2) 工作波長（TE10TE11 )故波導(dǎo)中可以傳播這5個模式的波。14765.514.674.563.68模3.5簡并模式下 頁上 頁返 回第18頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三（3）若只傳播TE10波，工作波長必須滿足條件：從及求a和b工作波長可選a3.5cm，b=1.5cm (通常a略大于b的兩倍）下 頁上 頁返 回第19頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三8

11、.3.1 諧振腔的形成過程 (Fabry Perots Transforming)圖8.3.1 從LC回路到諧振腔的演變過程諧振頻率8.3 諧振腔Fabry Perot下 頁上 頁返 回第20頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三圖 幾種常見的微波諧振腔（a）矩形腔（b）圓柱腔（c）同軸腔（d）孔縫腔（e）扇形腔 下 頁上 頁返 回第21頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三諧振腔的特點： 1. 電磁波集中在空腔體內(nèi)，沒有輻射損耗，沒有介質(zhì)損耗，流過高頻電流的金屬表面增加，損耗小，品質(zhì)因數(shù)高。 2. 電磁波沒有傳播，沿 x, y, z 三個方向均為駐波，即電

12、磁波發(fā)生振蕩。3. 諧振腔可共存多種模式，因此具有多諧性。諧振腔主要用于高頻濾波器、頻率計、回波箱等。下 頁上 頁返 回第22頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三8.3.2 諧振腔中的場結(jié)構(gòu) (Field Distribution in Fabry Perot)1. TM波（ ）邊值問題： 的通解圖8.3.3 矩形諧振腔1. 電磁場不在腔內(nèi)傳播，而是隨時間振蕩（駐波）。其余四個場分量與 的表達(dá)式相似。2 . 的最低次模為 模。特點：下 頁上 頁返 回第23頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三2. TE波（ ） 邊值問題： 的通解（2）m,n不可同時為零；

13、 圖8.3.4 諧振腔中電磁分布其余場分量與 相似(1) 與TM波相同特點:下 頁上 頁返 回第24頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三3. 諧振頻率將TE、TM波型中任一解代入微分方程，得到特征方程諧振頻率為 可見，fo僅與諧振腔的形狀、尺寸、填充介質(zhì)及波型有關(guān)。諧振腔的特點a) 多諧性：當(dāng)諧振腔尺寸確定后，有無窮多個諧 振頻率。b) 簡并模式：不同的模式其具有相同的諧振頻率。c) 主模：最低諧振頻率的模式為TM110（當(dāng)abl )下 頁上 頁返 回第25頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三4. 品質(zhì)因數(shù)與集總電路中諧振回路的品質(zhì)因數(shù)定義相同計算略下 頁上 頁返 回第26頁，共31頁，2022年，5月20日，4點28分，星期三其余四個分量式中 返 回第27頁，共31頁，2022年，5