微波与天线矩形波导

,*,微波与天线矩形波导,矩形波导,通常将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气的规则金属波导称为矩形波导,它是微波技术中最常用的传输系统之一。,设矩形波导的宽边尺寸为,a,窄边尺寸为,b,。,1.,矩形波导中的场,由上节分析可知,矩形金属波导中只能存在,TE,波和,TM,波。下面分别来讨论这两种情况下场的分布。,1)TE,波,矩形波导及其坐标,此时,E,z,=0,H,z,=,H,z,(,x,y,),e,-,jz,0,且满足,在直角坐标系中,上式可写作,应用,分离变量法,令,H,z,(,x,y,)=,X,(,x,),Y,(,y,),除以,X,(,x,),Y,(,y,),得,要使上式成立,上式左边每项必须均为常数,设分别为,和,则有,于是,H,z,(,x,y,),的通解为,H,z,(,x,y,)=(,A,1,cos,k,x,x,+,A,2,sin,k,x,x,)(,B,1,cos,k,y,y,+,B,2,sin,k,y,y,),A,1,A,2,B,1,B,2,为待定系数,由边界条件确定,H,z,应满足的边界条件为,可得,于是矩形波导,TE,波纵向磁场的基本解为,则,TE,波其它场分量的表达式为,式中,为矩形波导,TE,波的截止波数,显然它与波导尺寸、传输波型有关。,m,和,n,分别代表,TE,波沿,x,方向和,y,方向分布的半波个数,一组,m,、,n,对应一种,TE,波,称作,TE,mn,模,;,但,m,和,n,不能同时为零,否则场分量全部为零。因此，矩形波导能够存在,TE,m0,模和,TE,0n,模及,TE,mn,(m,n0),模,;,其中,TE,10,模是最低次模,其余称为高次模。,2)TM,波,对,TM,波,H,z,=0,E,z,=,E,z,(,x,y,),e,-,jz,此时满足,其通解也可写为,E,z,(,x,y,)=(,A,1,cos,k,x,x,+,A,2,sin,k,x,x,)(,B,1,cos,k,y,y,+,B,2,sin,k,y,y,),应满足的边界条件为,E,z,(0,y,)=,E,z,(,a,y,)=0,E,z,(,x,0)=,E,z,(,x,b,)=0,用,TE,波相同的方法可求得,TM,波的全部场分量,H,z,=,0,式中,，,E,mn,为模式电场振幅数。,TM,11,模是矩形波导,TM,波的最低次模,其它均为高次模。总之,矩形波导内存在许多模式的波,TE,波是所有,TE,mn,模式场的总和,而,TM,波是所有,TM,mn,模式场的总和。,2.,矩形波导的传输特性,1),截止波数与截止波长,矩形波导,TE,mn,和,TM,mn,模的截止波数均为,对应截止波长为,此时,相移常数为,其中,=2,/,k,，为工作波长。,可见当工作波长,小于某个模的截止波长,c,时,2,0,此模可在波导中传输,故称为传导模,;,当工作波长,大于某个模的截止波长,c,时,2,0,即此模在波导中不能传输,称为截止模。一个模能否在波导中传输取决于波导结构和工作频率（或波长）。对相同的,m,和,n,TE,mn,和,TM,mn,模具有相同的截止波长故又称为简并模,虽然它们场分布不同,但具有相同的传输特性。下图给出了标准波导,BJ-32,各模式截止波长分布图。,BJ-32,波导各模式截止波长分布图,例,9,设某矩形波导的尺寸为,a=8cm,b=4cm;,试求工作频率在,3 GHz,时该波导能传输的模式。,可见，该波导在工作频率为,3GHz,时只能传输,TE,10,模。,解,:,由,f,=3 GHz,，得,2),主模,TE,10,的场分布及其工作特性,在导行波中截止波长,c,最长的导行模称为该导波系统的主模,因而也能进行单模传输。,矩形波导的主模为,TE,10,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,TE,10,模式。,(1)TE,10,模的场分布,将,m=1,n=0,k,c,=,/a,代入公式,并考虑时间因子,e,jt,可得,TE,10,模各场分量表达式,E,x,=,E,z,=,H,y,=0,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,沿,z,方向的变化规律为,H,x,和,E,y,最大值在同截面上出现,电磁波沿,z,方向按行波状态变化,;,E,y,、,H,x,和,H,z,相位差为,90,电磁波沿横向为驻波分布。,矩形波导,TE,10,模的场分布图,(2)TE,10,模的传输特性,截止波长与相移常数,:,将,m=1,n=0,代入公式,得,TE,10,模截止波数为,于是截止波长为,而相移常数为,波导波长与波阻抗：,对,TE,10,模,其波导波长为,而,TE,10,模的波阻抗为,相速与群速：,TE10,模的相速,v,p,和群速,v,g,分别为,式中,v,为自由空间光速。,传输功率,:,矩形波导,TE,10,模的传输功率为,其中,是,E,y,分量在波导宽边中心处的振幅值。由此可得波导传输,TE,10,模时的功率容量为,其中,E,br,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,P,br,的关系为,为驻波系数,。,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,则沿线电场、磁场按,e,-z,规律变化,即,E,(,z,),=E,0,e,-z,H,(,z,),=H,0,e,-z,所以传输功率按以下规律变化,:,P=P,0,e,-,2,z,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,P,1,即,比较可得,由此可求得衰减常数,。,在计算损耗功率时,因不同的导行模有不同的电流分布,损耗也不同,根据上述分析,可推得矩形波导,TE,10,模的衰减常数公式,:,式中,R,S,=,为导体表面电阻,它取决于导体的磁导率,、电导率,和工作频率,f,。,衰减与波导的材料有关,因此要选导电率高的非铁磁材料,使,RS,尽量小。,增大波导高度,b,能使衰减变小,但当,b,a/2,时单模工作频带变窄,故衰减与频带应综合考虑。,衰减还与工作频率有关,给定矩形波导尺寸时,随着频率的提高先是减小,出现极小点,然后稳步上升。,用,MATLAB,编制了,TE,10,模衰减常数随频率变化关系的计算程序,计算结果如图所示。,TE,10,模衰减常数随频率变化曲线,c,f,40,0.4,0.1,0.5,1.0,3.,矩形波导尺寸选择原则,选择矩形波导尺寸应考虑以下几个方面因素,:,1),波导带宽问题,保证在给定频率范围内的电磁波在波导中都能以单一的,TE,10,模传播,其它高次模都应截止。为此应满足,:,cTE20,cTE10,cTE01,cTE10,将,TE,10,模、,TE,20,模和,TE,01,模的截止波长代入上式得,a,2a,2b,2a,或写作,/2,a,0,b,/2,取,b,a/2,2),波导功率容量问题,在传播所要求的功率时,波导不致于发生击穿。适当增加,b,可增加功率容量,故,b,应尽可能大一些。,3),波导的衰减问题,通过波导后的微波信号功率不要损失太大。由式（,2-2-27,）知,增大,b,也可使衰减变小,故,b,应尽可能大一些。,综合上述因素,矩形波导的尺寸一般选为,a=0.7,b=(0.4-0.5)a,通常将,b=a/2,的波导称为标准波导,;,为了提高功率容量,选,b,a/2,这种波导称为高波导,;,为了减小体积,减轻重量,有时也选,b,a/2,的波导,这种波导称为扁波导。,