电磁场与电磁波(第2版)陈抗生-18.pptVIP

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电磁场与电磁波 三种类型的波导 导引电磁波的结构称为波导,用来定向传播电磁波。 本章着重讨论三类波导 : 柱形金属波导,包括矩形波导与圆波导,同轴线不作重点讨论 ; 微带线与耦合微带线; 平板介质光波导与光纤。 波导中波传播的基本过程与横向谐振原理 内部区域与外部区域:电磁波限制在内部区域传播。 电磁波限制在内部区域传播的基本过程:内部区域传播的电磁波倾斜投射到内外区域的交界面发生全内反射,从而沿内部区域轴线曲折向前传播。 波限制在内部区域传播的必要条件:内外区域的交界面发生全内反射 波限制在内部区域传播的充分条件:内部区域波来回反射一次相移为2?整倍数。 横向谐振原理:在波导横截面内,内部区域的场按驻波分布,场在横截面内发生谐振。 波导的特征参数及色散特性的kz??表示 描述波导的特征参数主要有: 1、色散特性 2、特征阻抗 3、损耗(包括在色散特性中) 4、场分布。 色散特性表示波导纵向传播常数 kz与频率?的关系,常用?–kz平 面上的曲线表示。 曲线上任一点与原点连线斜率 表示波导工作于该点所对应频率点的相速vp, 而切线斜率 则表示工作于该点所对应频率点的群速vg。 波导纵方向波长 。 色散特性的其他表示方法 色散特性也可表示为 与?或λ关系,k0为自由空间波数。 它表示波沿波导纵向z传播的速度与介电常数为 的介质中传播的光速相等。 色散特性也可直接表示为相速vp与角频率?关系,即 。 微波波段,色散特性习惯用 表示, 光波波段,色散特性习惯用 表示。 特征阻抗与损耗 特征阻抗Z与传播常数kz有关 特征阻抗Z 在幅值上反映波导横向电场与横向磁场之比。 当不同波导连接时,特征阻抗越接近,连接处的反射越小。波导的特征阻抗是量度连接处对电磁能反射大小的一个很有用的参量。 损耗是限制波导远距离传输电磁波的主要因素。 目前光纤的损耗可以做到每公里0.2dB以下。 损耗的分析一般较难,本章不作专门讨论。 模式与场分布 满足波导横截面边界条件的一种可能 的场分布称为波导的模式,不同的模 式有不同的场结构,它们都满足波导 横截面的边界条件,可以独立存在。 波导中的场结构可以分为两大类: TE 模:电场没有纵向分量 TM 模:磁场没有纵向分量 如果只对电磁波的远距离(相对于波长)传输感兴趣,并不十分关心场在波导横截面内的分布,那么最迫切要了解的是波导的色散特性。因为色散特性知道了,特征阻抗也就确定了。所以本章对波导问题的分析,对于色散特性给予较多的关注。 矩形波导为什么能导引电磁波? 可以将矩形波导看成平行双导线并联上无限多?/4短路线而成。?/4短路线的输入阻抗为无穷大,平行双导线上并联一个无穷大的阻抗对双导线上波的传播没有影响,无限多?/4短路线的并联就形成封闭结构——中空的金属波导。 注意,中空的金属波导与平行双导线还有本质的差别。中空的金属波导管场只局限于金属波导管内,而平行双导线场在横截面并不局限在某一区域。 对矩形波导的研究,不仅因为矩形波导有实用价值,还在于对矩形波导分析得出的概念、结论对于理解其他各类波导非常有益。因为矩形波导边界条件规则可以得到解析解,有关波导的各种概念可以得到清晰的解释。 矩形波导的传输线模型 矩形波导的传输线模型: (1)将电磁波沿矩形波导纵向的传播等效为传输线上电圧、电流的传播 (2)将解E与H的三维波方程简化为解模式函数e(?)或h(?)的二维特征波方程与一维的传输线方程。 要确定的是: (1)表示矩形波导横截面场分布的模式函数e(?)或h(?) (2)等效传输线的传播常数kz及特征阻抗Z,这两个参数决定了波沿纵向 的传播特性。 模式函数e(?)、h(?)与其幅值U(z)、I (z)的定义 模式函e(?)或h(?)表示波导 横截面内场分布 模式函数的幅值U(z)、I(z) 表示纵向的场分布。 用分离变量法求解模式函数满足的波方程 TE模模式函数分解为 令 得到 所以 用分离变量法求解模式函数满足的波方程 由

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