微波技术基础课件—第8次课
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微波技术基础第8章
第8章 线天线
图 8 –5 对称振子特性阻抗的计算
第8章 线天线
将Z0(z)沿z轴取平均值即得对称振子的平均特性阻抗
z0 :
(8 -1 -14)
1 h 2h Z 0 = ∫ Z 0 ( z )dz = 120 ln − 1 ( Ω ) h δ a
式中, 2δ为对称振子馈电端的间隙。
因为PL就是PΣ, 即PL=PΣ, 故有
(8 -1 -18)
∫
h
0
1 2 1 2 I ( z ) RΣ1dz = I m RΣ 2 2
(8 -1 -19)
第8章 线天线 对称振子的沿线电流分布为
I ( z ) = I m sin
将上式代入式(8 -1 -19)得
2π
λ
(h − z )
(8 -1 -20)
(8 -1 -24)
第8章 线天线 [例8-1]设对称振子的长度为2h=1.2 (m), 半径a=10 (mm), 工 例 ] 作频率为f=120 (MHz), 试近似计算其输入阻抗。 解: 对称振子的工作波长为
c 3 ×108 λ= = = 2.5 m 6 f 120 ×10
所以
0 .6 = = 0.24 λ 2 .5
2 的一个重要原因。而在并联谐振点附近, Rin = z0 / RΣ , 这是一个
高阻抗, 且输入阻抗随频率变化剧烈, 频率特性不好。 按式(8 -1 -15)计算对称振子的输入阻抗很繁琐, 对于半波 振子, 在工程上可按下式作近似计算:
RΣ Z in = − jZ cot βh 2 sin βh
1 3 = , 1 和2的对称振子天线的归一化E面 , λ 2 2 2h 1 2h =和 =1 的对称振子分别为半波对称振子 λ 2 λ 2h
微波技术课件PPT
横向分量与纵向分量之间的关系
• 将场量写出纵向和横向分量 E au Eu av Ev a z E z at Et a z E z
H au H u av H v az H z at H t az H z
E jw H H jw E (1) ( 2)
E (u, v, z ) E (u, v) Z ( z ) H (u, v, z ) H (u, v) Z ' ( z )
将Laplace算子分离为横向和纵向两部分
2 2 2 t z
已知广义正交坐标系下,
1 h1h2 h3
2
h2 h3 h1h3 h1h2 h u v h v z h z u 1 2 3
第三章
波导
规则波导
通常专指 —— 波导管 广义地指 —— 能够引导电磁波传播的装置 比如双导线、同轴线、微带线、介质传输线等均可称为波导。 也可以统称为传输线。其作用都是导引电磁波沿一定方向传播 被导引的电磁波称为导行波,这些传输线称导波系统,简称导波
规则波导
指沿轴向方向,横截面的形状、尺寸,以及填充介质的分布状态 和电参数均不变化的无限长的直波导。
E Et az Ez H H t az H z 此时可将场量分解为横向分量和纵向分量,
纵向和横向变量分离
E(u, v, z) E(u, v)Z ( z)
其中, • E(u,v)仅是横向坐标(u,v)的函数,它表示电场在波导横截面内 的分布状态,称为分布函数, • Z(z)仅是坐标z的函数,它表示电场沿z轴的分布规律,称为传播 因子。
微波技术基础引论PPT课件
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102
1 101
2021/7/12
3000GHz — 300GHz — 30GHz — 3GHz(3000MHz)— 300MHz
亚毫米波(THz)毫米波 5厘米波
第5页/共35页
分米波
微波:
1 mm to 1 m wavelength. bands: (1 GHz = 109 Hz) •P band: 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm) •L band: 1 - 2 GHz (15 - 30 cm) •S band: 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm) •C band: 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm) •X band: 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm) •Ku band: 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm) •K band: 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm) •Ka band: 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm)
及
Et
j
kc2
[t Ez
Zht H z
zˆ]
(0 形式) 0
Ht
j
kc2
[t H z
Ye zˆ
tEz ]
kc 0
k 2 kc2 2
k
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k 0 k2 kc2 k 1 (kc / k)2
c
k
又由 t Et jzˆHz t Ht j zˆEz
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第30页/共35页
混合波——
kc2 0
导行系统横向为衰减解形式,场被束缚在导行系统表面——表面波。
微波技术基础ppt课件
延长OA在单位圆上读出
L 26
(2)过A点作等S圆与V m a x线交于B,与 V m线in 交于C,由 B点的 值R 可得 S2.6
由A、C两点所对应的电长度的值可得
mi n0.50.214 0.286
去归一化得
minming1.7 1(6cm )
(3) 的归一化值为 g7.4 460 1.24
计算串或并联时需去归一化
首先对负载阻抗及线长进行归一化
Z 1 Z 1Z c 1 2 .2 j 4 ,Z 2 Z 2Z c 2 0 .6 j 0 .8
l1 l1 g 0.38 l3 l3 g 0.15 l2 l2 g 0.288
a). 求 S1, S2
在阻抗圆图上分别找出 Z 和1 Z所2对应的点 和A 1 ,A 2
数 和S驻波相位 ;(mi3n )
入阻抗 Z。
处的7输4.4cm
公式计算——直接求解法
画出等效电路图(参考面) 列出公式 写出相应步骤即可
圆图——图表法
(1)负载阻抗的归一化值为 Z L Z LZ 0 ( 1 0 0 j5 0 )5 0 2 j1
在实用阻抗圆图上找出的圆的交点A,如图 L OAOa0.44
YY1'Y2'0.9j2.62
将阻抗圆图视为导纳圆图 ,找出对应的点B,再将 Y
倒换为 Z得 B,'即 Z0.12j0.34
最后,在阻抗圆图(实际又将导纳圆图视为阻抗圆图)
上找出Z 对应的点 B,' 以 为O半B'径作等Γ圆与Vmax线
相交。从交点的 R值读出 S为3
S3 10
C). 求 S和 lmin
lm in0.50.2180.282
L 26
(2)过A点作等S圆与V m a x线交于B,与 V m线in 交于C,由 B点的 值R 可得 S2.6
由A、C两点所对应的电长度的值可得
mi n0.50.214 0.286
去归一化得
minming1.7 1(6cm )
(3) 的归一化值为 g7.4 460 1.24
计算串或并联时需去归一化
首先对负载阻抗及线长进行归一化
Z 1 Z 1Z c 1 2 .2 j 4 ,Z 2 Z 2Z c 2 0 .6 j 0 .8
l1 l1 g 0.38 l3 l3 g 0.15 l2 l2 g 0.288
a). 求 S1, S2
在阻抗圆图上分别找出 Z 和1 Z所2对应的点 和A 1 ,A 2
数 和S驻波相位 ;(mi3n )
入阻抗 Z。
处的7输4.4cm
公式计算——直接求解法
画出等效电路图(参考面) 列出公式 写出相应步骤即可
圆图——图表法
(1)负载阻抗的归一化值为 Z L Z LZ 0 ( 1 0 0 j5 0 )5 0 2 j1
在实用阻抗圆图上找出的圆的交点A,如图 L OAOa0.44
YY1'Y2'0.9j2.62
将阻抗圆图视为导纳圆图 ,找出对应的点B,再将 Y
倒换为 Z得 B,'即 Z0.12j0.34
最后,在阻抗圆图(实际又将导纳圆图视为阻抗圆图)
上找出Z 对应的点 B,' 以 为O半B'径作等Γ圆与Vmax线
相交。从交点的 R值读出 S为3
S3 10
C). 求 S和 lmin
lm in0.50.2180.282
微波技术课件
微波技术在乳制品中的应用
牛奶等乳制品的生产过程中,消毒杀菌是最重 要的处理工艺,传统方法是采用高温短时巴氏杀菌。 其缺点是需要庞大的锅炉和复杂的管道系统,而且 耗费能源、占用煤场、劳动强度大,还会污染环境 等问题。若用微波对牛奶进行杀菌消毒处理,鲜奶 在80℃左右处理数秒钟后,杂菌和大肠杆菌完全达 到卫生标准要求,不仅营养成分保持不变,而且经 微波作用的脂பைடு நூலகம்球直径变小,且有均质作用,增加 了奶香味,提高了产品的稳定性,有利于营养成分 的吸收。
10-9
10-6
10-3
m
微波技术的原理
微波原理:依靠以每秒几亿次速度进行周期变化的 微波透入物料内, 与物料的极性分子相互作用, 物料中 的极性分子吸收了微波能以后, 其极性取向随着外电磁 场的变化而变化, 致使分子急剧碰撞而产生了大量的摩 擦热, 使物料内各部分在同一瞬间获得热能而升温。
微波特点: 1、加热时间短、速度快
参考文献
[1] 辛志宏, 马海乐, 樊明涛.微波技术在食品杀菌与保鲜中的 应用[ J] .粮油加工与食品机械, 2000,4: 30 - 32.
[2] 郭建中, 郝玉书.微波促进食品工业发展[ J] .食品工业科技, 1999, 5: 59 - 61.
[3] STEVE ENNEN.Microwaves step up totheplate[J] .Food Processing, 2002, 63( 8) : 50 - 54.
微波技术
目录
1、微波技术简述 2、微波技术的原理 3、微波技术在食品中应用 4、专业联想---微波技术在乳制品中的应用 5、总结 6、参考文献
微波技术简述
微波是指波长在10-3~ 1M,频率在300~30000MHz 之间的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波的统称 ,以 每秒24.5亿次的惊人速度进行周期变化。
微波技术基础 ppt课件
由此两式消去 H t :
k2 z2 2 E vt z tE zja vz tH z ⑤
同理,由①、③可得:
k2 z2 2 H vt z tH zja vz tE z ⑥
k2 2 →无界媒质中电磁波的传播常数
★重要结论:规则导行系统中,导波场的横向分量可 由纵向分量完全确定。
再由③出发:
结构—两根平行导线; 缺点—随着信号频率升高,导线电阻损耗增大,不能有效引
导微波。
➢ 微波频段导波系统
米波频段结构—改进型双导线即平行双导体线; 分米波~厘米波频段结构—封闭式双导体导波系统即同轴线; 厘米波~毫米波频段结构—柱面金属波导;
毫米波~亚毫米波频段结构—柱面金属波导、介质波导。
导波系统的主要功能 1)、无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能
× H vjE v
× E vj H v
v H0
v E0
采用广义柱坐标系(u,υ,z),设导波沿z向(轴向)传播, 微分算符▽和电场Ε、磁场Η可以表示成:
E v ( u , v t, z ) a v z E /v t ( z u , v , z ) a r z E z ( u , v , z )
H v ( u , v , z ) H v t ( u , v , z ) a v z H z ( u , v , z )
展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等
两边乘以
jωμ
v
t× H t j
a v zE v z ①
ta v zH za v z H zt j
v E t②
两边作
★重要结论:规则导行系统中导波场的纵向分量满足标量亥 姆霍兹方程 。
色散关系式
纵向场分量可以表示成横向坐标r和纵向坐标z的函数,即
微波技术第八章ppt课件
缺点
T形网络的镜像阻抗与定k式相同,仍然不为常数。Π形 等效网络的镜像阻抗与m有关,可以用于设计最佳匹配 节。
寒假来临,不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ,目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
第8章 微波滤波器 Π 形网络m导出式的镜像阻抗
寒假来临,不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ,目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
第8章 微波滤波器
8.1 周期结构
➢周期结构:无限长的使用电抗元件周期加载的传输线 或波导结构。
特点:慢波 结构,具有 通带和阻带 特性。
用途:用于 行波管,天 线和移相器 中。
寒假来临,不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ,目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
第8章 微波滤波器 对于第n个单元:
式中: 以上二端口网络满足:
互易网络
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设计图表
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第8章 微波滤波器
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第8章 微波滤波器 对于+z方向传输的波
考虑第n个单元
这是无限长的情况
非零解要求:
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T形网络的镜像阻抗与定k式相同,仍然不为常数。Π形 等效网络的镜像阻抗与m有关,可以用于设计最佳匹配 节。
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第8章 微波滤波器 Π 形网络m导出式的镜像阻抗
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第8章 微波滤波器
8.1 周期结构
➢周期结构:无限长的使用电抗元件周期加载的传输线 或波导结构。
特点:慢波 结构,具有 通带和阻带 特性。
用途:用于 行波管,天 线和移相器 中。
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第8章 微波滤波器 对于第n个单元:
式中: 以上二端口网络满足:
互易网络
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设计图表
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第8章 微波滤波器
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第8章 微波滤波器 对于+z方向传输的波
考虑第n个单元
这是无限长的情况
非零解要求:
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SPECIFIC RECENT DEVELOPMENTS: 特殊截面波导(Arbitrary Cross Section),大功率容量和低损耗
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。
同轴线中的高次模——研究 同轴线尺寸选择的前提
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
H0z H0z 1 1 2 2 2 2 t kc E r r r r r 2 2 c E 0 0z 0z 解得
思考:这些特解能够表示导波中 的所有情况的依据是什么?
提醒
周五交作业 2.1——2.8 国庆后第一次课交作业 2.9——2.16
本次课作业——第二章全部习题 布置完
对脊波导 对脊波导 s 单脊波导 单脊波导
d 脊也可不在波导的正中心
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φ 方向的周期性,即不存 在极化简并。
φ =2π 场与圆波导 的TE11不同
φ =π 场与圆波导 的TE11相同, 金属边界条 件确定
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φ=0和φ=ψ 边界条件确定。
3).成本低,总体性能好。
60年代工艺
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
H 0 z H 0r ,H 0r r
r a ,b
H 0 z 0 r
r a ,b
0
E0 z
r a ,b
0
可求出关于TE波的本征值方程
J n kc a N n kc b J n k c a N n k c a 0
对TM波,同理可得其本征值方程
CTE20 CTE11 (a b)
对于TM波,采用类似的方法,可得:
cTM
mn
2b a n
所以,同轴线的第一个高次模是 11模。
数值求解TMmn表格
kcmn b mn
Value c 1
cmn
2 a b 2 kcmn Value
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。
TE 1
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 。
H 0 z AJ m c r AN m kc r sin m cos m
E0 z BJ m kc r BN m kc r sin m
cos m
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:
矩形波导截面尺寸选择
(2)功率容量最大 由 0.5 2a 0.9 (3)衰减最小考虑
c
Rm bTEM 1 / 2a
2
得 0.56 a
2b 1 2 2a
得b应尽量大 。 最后 a 0.7
b 0.4 0.5 a
但是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。 在低频段——体积小、重量轻 在频率高端——体积太小不易加工、实现电路难
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)
因此
kc b a n , n 1, 2
kc 0 n
n ba
2 2 b a kc 0 n n
可得TE0n模的截止波长
c
0n
c 2(b a)
01
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。
1)ψ = 2π的扇形波导,其主模为 21模 ,λc = 5.41a , 比圆波导主模的截止波长增加了许多。 2)ψ = π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。
TEmn模,见参考书
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
r Ω 。
标准化→同轴线的阻抗标准常采用50Ω和75Ω (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
c 2a
10
cTM 01 2b
即
和
cTE a
20
2 a 0 b 2
a 2b
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
已知有相似场结构的情况 下才可作出某些定性判断
2a
2a 2a
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。
J n kc a N n kc b 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λcmn。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:
标准矩形波导
a=2b
圆波导的截面尺寸选择
能传输 且只传输主模 cTE11 3.41a cTM 01 2.61a 标准园波导 3.41 a 2.61
得 一般选
a 3
例题2.5-2
两种波导均可 按公式算: a=0.7*λ=0.7*c/f=35mm,b=a/2=17.5mm
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:mzzhan@
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
1、依据 2、如何选取 3、标准化