《微波技术基础》PPT课件.ppt

微波技术基础,詹铭周电子科技大学电子工程学院 地点：清水河校区科研楼C305 电话：61831021 电邮：,本课内容安排,1、金属柱面波导的其他类型 要求能够列举几种，并能说明各自特点2、导波系统的尺寸选择2.1、同轴线、同轴线的高次模特性研究、同轴线的尺寸选择2.2、矩形波导的尺寸选择2.3、圆波导的尺寸选择参考书：Marcuvitz.Waveguide Handbook1986，电驴下,1、依据2、如何选取3、标准化,2.4 其他形式的金属柱面波导简介,1、主要形式：同轴线、矩形波导、圆波导2、其他形式：脊波导（Ridged Waveguide）扇形波导（Sector Waveguide）椭圆波导（Elliptical Waveguide）SPECIFIC RECENT DEVELOPMENTS：特殊截面波导（Arbitrary Cross Section），大功率容量和低损耗,目的是为得到,均直无限长,2.4 其他形式的金属柱面波导简介,另外，还有一些轴向非周期性的波导，一般不用于远距离传播电磁波，用于滤波器、谐振器或者功率合成等微波器件中，而不是为了单纯的传播用途。径向波导（Radial Waveguide）锥形波导（Conical Waveguide）周期波导（Periodic Waveguides）螺旋槽波导（Grooved Waveguide）,了解,2.4 其他形式的金属柱面波导简介,脊波导 脊波导是矩形波导的一种变型，是在矩形波导宽边中心处向内突有脊棱波导两种。脊波导的主模仍是TE10。,对脊波导,单脊波导,对脊波导,单脊波导,脊也可不在波导的正中心,d,s,脊波导,脊波导与相同横截面尺寸的矩形波导相比具有以下特点：1）工作频带宽，这是由于脊棱位于波导宽边中心。该处主模电场最大，脊棱对主模的作用相当于使矩形波导a边加宽。因此主模的截止波长增大了。该处TE20模电场为零或甚小。脊棱对第二高次模TE20模的场影响小，其截止波变化不大。故脊波导的单模带宽显著增加。2）在同一工作频率情况下，脊波导的尺寸比矩形波导小。3.等效特性阻抗比矩形波导低，由于这一特点，脊波导常用作高阻抗矩形波导与低阻抗同轴线及微带线的过渡装置。4.脊波导的功率容量比矩形波导低，衰减比矩形波导大。因此它主要用作传输功率不大的宽频带元器件。,扇形波导,扇形波导是圆柱波导的变型，分析方法与分析圆波导完全类似，只是扇形波导不存在方向的周期性，即不存在极化简并。,=场与圆波导的TE11相同，金属边界条件确定,=2场与圆波导的TE11不同,扇形波导,分析扇形波导的方法与分析圆波导完全类似，只是m不是正整数，而由=0和=边界条件确定。1）=2的扇形波导，其主模为 模，c=5.41a，比圆波导主模的截止波长增加了许多。2）=的半圆扇形波导，其主模为TE11模。第一高次模为TE21模,截止波长=2.057a，比圆波导的第一高次模TM01的截止波长=2.61a更短，即半圆波导主模的工作带宽比圆波导主模增宽了。但是，半圆波导主模衰减略比圆波导大，功率容量下降了一半。,椭圆波导,椭圆波导是横截面为椭圆形的金属柱面波导椭圆坐标系。其通解中横向分布函数为奇偶马丢函数的组合。具有四种型式即偶TE波和奇TE波，偶TM波和奇TM波，分别表示为TEemn模、TEomn模、TMemn模、TMomn模，其中m为马丢函数的阶数，偶波m=0、1、2,奇波m=1、2、3（零阶奇马丢函数不存在）。n为马丢函数或导数的参变根的序号。椭圆波导的主模是TEe11模。,主模是TEe11模,没有必要与圆波导联系起来，二者基函数完全不同，场结构图形不可预测,椭圆波导,三种波导主模的单模传输带宽分别是:椭圆波导为1.51a，矩形波导为2.00a，圆波导为0.80a。可见椭圆波导的单模带宽居于矩形和圆形波导之间。椭圆波导的导体衰减小于矩形波导而大于圆波导。椭圆波导不存在极化简并。,2a,2a,2a,已知有相似场结构的情况下才可作出某些定性判断,椭圆波导,椭圆波导在结构上具有以下的特点：1）.椭圆软波导可以大长度制造。矩形和圆形波导由于采用拉制工艺，一般只能拉几米长。而椭圆软波导系用铜带纵向焊接轧制而成可达数百米，从而减少了主馈线上的边接元件以及连接元件带来的不良影响。2）.机动性强。椭圆软波导可以弯曲，能够缠绕在电缆盘上，便于运输和敷设。矩形波导虽然也可以作成软波导，但矩形软波导在缠绕和敷设时难以保证尺寸和结构的稳定性。圆波导由于截面的微小变形就会引起极化面旋转和模式分裂，因此没有有效的软波导。故采作椭圆软波导，增加了线路的灵活性，不必用弯波导、扭波导等元件。3）.成本低，总体性能好。,椭圆波导，主要应用于长距离传输线使用：数字微波接力通信和广播电视微波传输。例如：邮电、石油、矿区、电力、水利和广播电视、MMDS 等领域。矩形波导主要应用于通信卫星地面站 微波测量等领域。它具有频带宽，损耗小，便于连接，并起缓冲作用，是微波电子设备中不可缺少的传输线。,短距离传输线,60年代工艺,实际工作中同轴线都是工作在TEM波，它是同轴线的主模。TE、TM模因有一定截止波长，是同轴线可能存在的高次模。研究TE、TM模的目的在于抑制它们，以保证同轴线只传输 主模TEM。首先由圆柱坐标系中的波动方程 解得,同轴线中的高次模研究同轴线尺寸选择的前提,因为电磁波是在同轴线内外导体之间传播，r=0不属于传播空间。因此上式中第二类贝塞尔函数存在。（说明：与讲圆波导时出现的Y是同一函数）。再由同轴线中TE、TM波的边界条件：可求出关于TE波的本征值方程 对TM波，同理可得其本征值方程,超越方程，求解困难。可用数值解求得各模的kcmn，从而求出相应的cmn。和矩形波导、圆波导的作法一样，根据场的纵向分量可以求得同轴线TE、TM模的横向场分量。同轴线中TE11、TM01、TE01模其横截面的场结构图如图所示：TE11 TM01 TE01,为了寻求同轴线主模TEM模单模工作区的上限，必须找出同轴线的第一高次模。对于TE波，当m=0时 已知 再假定式中kc a、kc b均较大，由大宗量贝塞尔函数的渐近式可得,因此可得TE0n模的截止波长,当m 0时，不便用近似公式求得。对于m=1，n=1的最低次TE模，即TE11模，可根据其场结构与矩形波导TE20模场结构类比近似求得。对于TM波，采用类似的方法，可得：,TEmn模，见参考书,数值法求解TMmn表格,结论,同轴线的传播模：TEM，截止波长无穷大,同轴线、矩形波导、圆波导的截面尺寸选择,用于传输能量和信息的导体系统，确定横向尺寸一般遵循以下原则：(1)保证单模工作，且频带尽可能宽；(2)击穿功率（即功率容量）尽可能大；(3)损耗或衰减尽量小。,同轴线截面尺寸选择,（1）在给定工作波长范围内只传输主模TEM模，应该满足一般安全或（2）功率容量最大的条件。由 求得 对应,同轴线截面尺寸选择,（3）衰减最小的条件即使，求得 对应,常折衷取b/a=2.3，该比值对应的同轴线的特性阻抗为。标准化同轴线的阻抗标准常采用50和75（需特别说明）。,矩形波导截面尺寸选择,（1）保证只传输主模TE10模，能传输且只能传输,和,即,矩形波导截面尺寸选择,（2）功率容量最大由 得（3）衰减最小考虑得b应尽量大。最后,标准矩形波导a2b,圆波导的截面尺寸选择,单模传输功率衰减,能传输 且只传输主模得一般选,圆波导的截面尺寸选择,标准园波导,波导的尺寸已经形成标准：查表法原则：只要在标准波导工作频段内，均可使用。注意：关心的参数有体积，设计难度，损耗，带宽，阻抗等,小结,至此已经用场解法对均直无限长导波系统中的场做了一些探讨。1、导波的类型：2、导波的波型：TEM TE TM波，截止场条件3、求解方法4、场分量之间的关系5、特性阻抗，波阻抗，波长，速度、功率、衰减6、波导的主模，第一高次模，以及常用模式的特性、简并（模式简并和极化简并），波导尺寸的选择。,思考：这些特解能够表示导波中的所有情况的依据是什么？数学基础？,提醒,国庆后的第二次课交，10月11日（周四）交2.8，2.10，2.11，2.12，2.14，2.16，2.22，2.25，2.26补充：推导同轴线的特性阻抗表达式？,本次课交第一章作业和第二章作业（2.12.8题）,