電磁場(chǎng)與微波技術(shù)微波傳輸線(2)

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)Chapter5微波傳輸線§5.3圓波導(dǎo)

CircularWaveguide電磁場(chǎng)與微波技術(shù)

在矩形波導(dǎo)應(yīng)用之后，還有必要提出圓波導(dǎo)嗎？當(dāng)然，既然要用圓波導(dǎo)，必須有其優(yōu)點(diǎn)存在。主要有：

1.圓波導(dǎo)的提出來(lái)自實(shí)踐的需要。例如，雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)搜索。如果沒(méi)有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，那只好發(fā)射機(jī)跟著轉(zhuǎn)。象這類應(yīng)用中，圓波導(dǎo)成了必須要的器件。幾何對(duì)稱性給圓波導(dǎo)帶來(lái)廣泛的用途和價(jià)值。2.從力學(xué)和應(yīng)力平衡角度，機(jī)械加工圓波導(dǎo)更為有利，對(duì)于誤差和方便性等方面均略勝矩形波導(dǎo)一籌。3.根據(jù)微波傳輸線的研究發(fā)現(xiàn)：功率容量和衰減是十分重要的兩個(gè)指標(biāo)。這個(gè)問(wèn)題從廣義上看

在相同周長(zhǎng)的條件下，圓面積最大?？梢?jiàn)，要探索小衰減，大功率傳輸線，想到圓波導(dǎo)是自然的。

4.矩形波導(dǎo)中存在的一個(gè)矛盾電磁場(chǎng)與微波技術(shù)當(dāng)我們深入研究波導(dǎo)衰減，發(fā)現(xiàn)頻率升高時(shí)衰減在矩形波導(dǎo)中上升很快。仔細(xì)分析表明，衰減由兩部分組成：一部分稱縱向電流衰減，另一部分是橫向電流衰減。當(dāng)頻率升高時(shí)，橫向電流衰減減少。而在圓波導(dǎo)中將會(huì)發(fā)現(xiàn)，有的波型(圓波導(dǎo)中H01波型)無(wú)縱向電流，因此，若采用這種波型會(huì)使高頻時(shí)衰減減小。圓波導(dǎo)H01波衰減

矩形波導(dǎo)TE10波衰減電磁場(chǎng)與微波技術(shù)采用圓柱坐標(biāo)系（r，φ，z）電磁場(chǎng)與微波技術(shù)圓波導(dǎo)中的波型及場(chǎng)分量TM模電磁場(chǎng)與微波技術(shù)Jm：第一類m階Bessel函數(shù)Nm：第二類m階Bessel函數(shù)

對(duì)于Neumann函數(shù)最大特點(diǎn)是x→0，Nm(x)→0。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)波型值值波型值值TM01TM11TM21TM022.4053.8325.1355.5202.62R1.64R1.22R1.14RTM12TM22TM03TM137.0168.4178.65010.1730.90R0.75R0.72R0.62RTM波型的截止波長(zhǎng)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)代入橫縱向場(chǎng)關(guān)系式m=0、1、2...表示場(chǎng)沿圓周方向的半駐波數(shù)n=1、2、3...表示場(chǎng)沿半徑方向的半駐波數(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)TE模m=0、1、2...表示場(chǎng)沿圓周方向的半駐波數(shù)n=1、2、3...表示場(chǎng)沿半徑方向的半駐波數(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)波型值值波型值值TE11TE21TE01TE311.8413.0543.8324.2013.41R2.06R1.64R1.50RTE12TE22TE02TE135.3326.7057.0168.5361.18R0.94R0.90R0.74RTE波型的截止波長(zhǎng)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)圓波導(dǎo)中的波型及截止波長(zhǎng)圓波導(dǎo)中有無(wú)數(shù)多個(gè)TE模和TM模，但是不存在TEm0和TMm0模。圓波導(dǎo)具有高通特性。模式傳輸?shù)臈l件為電磁場(chǎng)與微波技術(shù)圓波導(dǎo)中的最低模式為TE11模，第一高次模為TM01模。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)無(wú)論TE還是TM模，場(chǎng)分量沿φ方向和r方向都呈駐波分布。模式簡(jiǎn)并現(xiàn)象模簡(jiǎn)并場(chǎng)分量沿φ方向分布存在sinm

φ和cosm

φ

兩種可能性，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)分布形式為極化面旋轉(zhuǎn)了90°。圓波導(dǎo)波型的極化簡(jiǎn)并，使傳輸造成不穩(wěn)定，這是圓波導(dǎo)應(yīng)用受限制的主要原因。極化簡(jiǎn)并：TEmn和TMmn不發(fā)生簡(jiǎn)并Why?電磁場(chǎng)與微波技術(shù)TE11模圓波導(dǎo)中的主要波型及其應(yīng)用（λc=3.41R）圓波導(dǎo)中TE11模與矩形波導(dǎo)TE10模極相似，因此微波工程中方圓過(guò)渡均采用TE11模。但是，TE11模有兩種極化方向，存在極化簡(jiǎn)并模，不適宜遠(yuǎn)距離傳輸，因此一般很少用于微波傳輸線，而只用于微波元件。圓波導(dǎo)TE11模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)矩形波導(dǎo)TE10模與圓波導(dǎo)TE11模的波型轉(zhuǎn)換器電磁場(chǎng)與微波技術(shù)TM01模（λc=2.62R）圓波導(dǎo)TM01模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)磁場(chǎng)只有Hφ分量，磁力線是橫截面上的同心圓。電力線是平面曲線，與φ無(wú)關(guān)，且在圓波導(dǎo)中心最強(qiáng)。不存在極化簡(jiǎn)并模式。在波導(dǎo)管壁上電流只有縱向分量?？捎米魈炀€饋線系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)連接工作模式。TE01模（λc=1.64R）電磁場(chǎng)與微波技術(shù)圓波導(dǎo)TE01模的場(chǎng)結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電場(chǎng)只有Eφ分量，電力線是橫截面上的同心圓。磁力線是平面曲線，與φ無(wú)關(guān)。不存在極化簡(jiǎn)并模式。在波導(dǎo)管壁上電流沒(méi)有縱向分量，管壁電流只沿圓周方向流動(dòng)。當(dāng)傳輸功率一定時(shí)，隨頻率升高，波導(dǎo)管壁熱損耗下降。TE01模可以做高Q諧振腔和毫米波遠(yuǎn)距離波導(dǎo)通信。不是圓波導(dǎo)中的主模，使用時(shí)需要抑制高次模?！?.4同軸線及其高次模

CoaxialLine

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)同軸電纜：內(nèi)外導(dǎo)體之間填充高頻介質(zhì)，內(nèi)導(dǎo)體由單根或多根導(dǎo)線組成，外導(dǎo)體由銅線編織而成，外面再包一層軟塑料等介質(zhì)。硬同軸線：內(nèi)外導(dǎo)體之間媒質(zhì)通常為空氣，內(nèi)導(dǎo)體用高頻介質(zhì)墊圈支撐。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)同軸線中的主模TEM模波的速度、波長(zhǎng)及相移常數(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)特性阻抗導(dǎo)體衰減功率容量電磁場(chǎng)與微波技術(shù)同軸線中TEM模的電磁場(chǎng)分布同軸線中的高次模TE模和TM模電磁場(chǎng)與微波技術(shù)TM模與圓波導(dǎo)分析方法類似最低次電磁場(chǎng)與微波技術(shù)在近似程度內(nèi)，同軸線TM波型與m無(wú)關(guān)。若同軸線內(nèi)出現(xiàn)TM01模，就可能同時(shí)出現(xiàn)TM11模、TM21模、TM31模等，這是不希望的。因此，在設(shè)計(jì)同軸線時(shí)，應(yīng)盡量避免TM模式的出現(xiàn)。TE模最低次電磁場(chǎng)與微波技術(shù)同軸線的尺寸選擇原則保證在給定的工作頻帶內(nèi)只傳輸TEM模獲得最小的導(dǎo)體損耗衰減獲得最大的功率容量電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)§5.5帶狀線

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)廣泛用于接收機(jī)和小功率元件中電磁場(chǎng)與微波技術(shù)lines電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)特性阻抗寬導(dǎo)體帶情況

W/(b-t)>0.35電磁場(chǎng)與微波技術(shù)窄導(dǎo)體帶情況

W/(b-t)<0.35圓形芯線帶狀線特性阻抗：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)帶狀線的衰減和損耗電磁場(chǎng)與微波技術(shù)帶狀線的尺寸選擇芯線寬度W接地板間距b電磁場(chǎng)與微波技術(shù)§5.6微帶線

MicrostripLines為適應(yīng)微波電路體積小、重量輕、性能可靠的要求新型導(dǎo)波系統(tǒng)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)EB(a)(b)微帶線可以認(rèn)為是由平行雙線演變而來(lái)。微帶線用于混合微波集成電路（Hybridmicrowaveintegratedcircuits,HMIC）和單片微波集成電路（Monolithicmicrowaveintegratedcircuits,MMIC）。非機(jī)械加工，采用金屬薄膜工藝一般地說(shuō)，微帶均有介質(zhì)填充，因此電磁波在其中傳播時(shí)產(chǎn)生波長(zhǎng)縮短.結(jié)構(gòu)上微帶屬于不均勻結(jié)構(gòu)。

嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，微帶不是TEM波傳輸線，可稱之為準(zhǔn)TEM模(Quasi—TEMmode).電磁場(chǎng)與微波技術(shù)容易集成，和有源器件、半導(dǎo)體管構(gòu)成放大、混頻和振蕩。常用的基片材料:氧化鋁Al2O3陶瓷

r=9.5～10

聚四氟乙烯或聚氯乙烯

r=2.50左右電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)微帶線中的模式微帶線的主模—準(zhǔn)TEM模微帶線是雙導(dǎo)體系統(tǒng)，如無(wú)介質(zhì)填充，則它可以傳播TEM波。當(dāng)有介質(zhì)存在時(shí)，由于要滿足介質(zhì)空氣界面上的邊界條件，它傳播的是電場(chǎng)和磁場(chǎng)縱向分量都不為零的混合波。由于微帶線的場(chǎng)能集中在介質(zhì)區(qū)域，縱向場(chǎng)分量很小，微帶線工作在準(zhǔn)TEM波，可按TEM波傳輸線作準(zhǔn)靜態(tài)近似分析。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)當(dāng)εr>1時(shí)，等式右側(cè)不等于0，因此等式左側(cè)的縱向磁場(chǎng)分量也不等于0。當(dāng)εr>1時(shí)，等式右側(cè)不等于0，因此等式左側(cè)的縱向電場(chǎng)分量也不等于0。在微波低頻段，微帶線中的大部分能量集中在中心導(dǎo)帶下面的介質(zhì)基片中，在此區(qū)域中的縱向場(chǎng)分量比較弱，因此可以將這種?？闯蓽?zhǔn)TEM模。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)微帶線的高次模當(dāng)頻率較高，微帶線的截面尺寸W和h可以和波長(zhǎng)相比擬時(shí)，微帶線中可能出現(xiàn)波導(dǎo)模（TE模和TM模）及表面波。波導(dǎo)模存在于金屬帶條和接地板之間，表面波只要在接地板上放一塊介質(zhì)基片就會(huì)出現(xiàn)。由于高次波型的存在，使微帶線的基本參量偏離按TEM計(jì)算的結(jié)果，還增加了輻射損耗，引起電路各部分的互耦合，使工作狀況惡化。TE：最低模是TE10模TM：最低模是TM01模表面波：不論多低的頻率，TM型表面波都可以傳播，只需要抑制TE型表面波即可。電磁場(chǎng)與微波技術(shù)微帶線的傳輸特性填充空氣的微帶線特性阻抗填充空氣的微帶線分布電容電磁場(chǎng)與微波技術(shù)近似計(jì)算公式：帶線尺寸特性阻抗電磁場(chǎng)與微波技術(shù)特性阻抗帶線尺寸電磁場(chǎng)與微波技術(shù)微帶線特性阻抗Z0和有效介電常數(shù)與尺寸的關(guān)系

電磁場(chǎng)與微波技術(shù)微帶線的損耗與衰減電磁場(chǎng)與微波技術(shù)導(dǎo)體衰減利用“惠勒增量電感法”一般，介質(zhì)的損耗極小，與導(dǎo)體損耗比可以忽略不計(jì)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微