规则金属波导剖析.ppt

第 2 章 规则金属波导 2.2 矩形波导 2.3 圆形波导 2.4 波导的激励与耦合 图 2. 9 方圆波导变换器 2) 圆对称TM01模TM01模是圆波导的第一个高次模, 其场分布如图2.10所示。由于它具有圆对称性故不存在极化简并模, 因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工作模式, 另外因其磁场只有Hφ分量, 故波导内壁电流只有纵向分量, 因此它可以有效地和轴向流动的电子流交换能量, 由此将其应用于微波电子管中的谐振腔及直线电子加速器中的工作模式。  3) 低损耗的TE01模TE01模是圆波导的高次模式, 比它低的模式有TE11、TM01、TE21模, 它与TM11模是简并模。它也是圆对称模，故无极化简并。 图 2. 10 圆波导TM01场结构分布图 其电场分布如图 2. 11 所示。由图可见, 磁场只有径向和轴向分量, 故波导管壁电流无纵向分量, 只有周向电流。因此, 当传输功率一定时, 随着频率升高, 管壁的热损耗将单调下降,故其损耗相对其它模式来说是低的。因此可将工作在TE01模的圆波导用于毫米波的远距离传输或制作高Q值的谐振腔。  为了更好地说明TE01模的低损耗特性, 图2 -12 给出了圆波导三种模式的导体衰减曲线。  图 2 – 11 圆波导TE01场结构分布图 矩形波导的主模为TE10模, 因为该模式具有场结构简单、 稳定、频带宽和损耗小等特点, 所以实用时几乎毫无例外地工作在TE10模式。下面着重介绍TE10模式的场分布及其工作特性。  (1)TE10模的场分布 将m=1, n=0, kc=π/a, 代入式（2 -2 -10）, 并考虑时间因子ejωt, 可得TE10模各场分量表达式 Ex=Ez=Hy=0 由此可见, 场强与y无关, 即各分量沿y轴均匀分布, 而沿x方向的变化规律为 其分布曲线如图 2 - 4（a）所示, 而沿z方向的变化规律为 其分布曲线如图 2 -4（b）所示。 波导横截面和纵剖面上的场分布如图2 -4（c）和（d）所示。由图可见, Hx和Ey最大值在同截面上出现, 电磁波沿z方向按行波状态变化;Ey、Hx和Hz相位差为90°, 电磁波沿横向为驻波分布。 图 2 – 4 矩形波导TE10模的场分布图 (2)TE10模的传输特性 ① 截止波长与相移常数: 将m=1, n=0 代入式（2 2 15）, 得TE10模截止波数为  kc= 于是截止波长为   而相移常数为 ② 波导波长与波阻抗： 对TE10模, 其波导波长为 而TE10模的波阻抗为  ZTE10= ③ 相速与群速： 由式（2-1- 15）及（2-1-16）可得TE10模的相速vp和群速vg分别为 式中, v为自由空间光速。  ④ 传输功率: 由式（2-1- 21）得矩形波导TE10模的传输功率为  其中,E10= 是Ey分量在波导宽边中心处的振幅值。由此可得波导传输TE10模时的功率容量为 其中,Ebr为击穿电场幅值。因空气的击穿场强为30kV/cm, 故空气矩形波导的功率容量为  可见: 波导尺寸越大, 频率越高, 则功率容量越大。 而当负载不匹配时, 由于形成驻波, 电场振幅变大, 因此功率容量会变小, 则不匹配时的功率容量P′br和匹配时的功率容量Pbr的关系为 其中, ρ为驻波系数。  ⑤ 衰减特性: 当电磁波沿传输方向传播时, 由于波导金属壁的热损耗和波导内填充的介质的损耗必然会引起能量或功率的递减。对于空气波导, 由于空气介质损耗很小, 可以忽略不计, 而导体损耗是不可忽略的。  设导行波沿z方向传输时的衰减常数为α, 则沿线电场、 磁场按e-αz规律变化, 即 E(z)=E0e-αz H(z)=H0e-αz 所以传输功率按以下规律变化:  P=P0e-2αz (2 2 33) 上式两边对z求导: 因沿线功率减少率等于传输系统单位长度上的损耗功率Pl, 即 比较式（2 2 34）和式（2 2 35）可得 由此可求得衰减常数α。 