变形圆脊矩形波导传输特性的研究
变形矩形波导的传输特性研究
＝， ￣ ｃ ￣ ／ ｄ ｎｚ
ｃ。ｓ
Ｅｙ＝ － ． ６ ｏ ｌ ａ ｍ ￣Ｈ
（ ］ ｓ ｉ ｎ ） ｅ ） ｃ 。 ｓ
ｎ
于狭 窄 的通道 各 种长 度分 别改 变 了 Ｌ １＝９ ５ 毫米 ，Ｌ ２ ＝１ ２ ７ 毫米， Ｌ ３＝ １ ９ ０ 毫米 ，如 图 ３ 所 示 。可 见 ，该 属性可 以用来操 纵第 二传输 高峰 期 。
电 子 技 术
柬工案抛术
１ ９ ０
变形 矩形 波导 的传输特性 研究
苏 向斌 ， 薛 红 （ 渭南师 范学院 物理与 电气工程学 院 ， 陕西 渭南 ７ １ ４ ０ ９ ９）
摘 要 ：根据 Ｍ ａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方程组和矩形 波导 的边际条件解 出矩形波导 中电磁波 的空间传输表 达式，分析讨论减少矩形波导 高度 时通过狭 窄通 道电 磁波 的传榆性质 。绘 制 了Ｅ Ｎ Ｚ 通 道的传输 系数在矩 形波导发 生几何 变形条 件下随频率的变化 曲线。
式：
图 １ 矩形 波导坐标 系 （ 左 ）和矩形波导管 （ 右）
豳
ｑ
参 考 文献 ： ｆ【Fra bibliotekＧＨ ｚ 】
图 ３ 通道长度 的变化所 引起的第二个透射峰位置的移动 ： （ ｉ ） Ｌ １ ＝９ ５毫米 ， （ Ｉ ｉ ） Ｌ ２ ＝１ ２ ７毫米 ， （ ｉ ｉ Ｉ ）Ｌ ａ ＝１ ９ ０毫
５ 结 论
通过 矩 形 波 导 的边 界 条 件解 出 Ｍａ ｘ ｗｅ ｌ ｌ 方 程组 关于 电磁 波 的 空 间传 输 表 达式 ，得 到 了矩 形 波 导截 止 频率 和模 式 谱 图 的一 般结
Ｔ Ｅ波场方程
＝
＝
寿 等 （ ］ ｃ ０ ｓ （ 等 ￣ ｎ ｒ ｃ Ｈ ｓ ］ ｓ ｉ ｎ （ 等 ） ｅ ） ｃ ｏ ｓ ）
矩形波导中传播模式的研究
矩形波导中传播模式的研究矩形介质光波导作为波导光学系统最基本的单元之一，是研究光电器件以及波导传播技术等课题的核心内容。
为研究矩形介质波导中的传播模式，本文将从平板介质波导入手，运用电磁场基本理论，结合边界条件求解麦克斯韦方程组，得到光场传播模式的表达式，模的传播常数以及截止条件等相关参数。
再以此为基础，分别以马卡蒂里理论、库玛尔理论以及有效折射率法在不同电磁波模式下分析比较矩形介质波导，并结合MMI耦合器分析单模和多模中的模场分布。
最后使用Matlab绘制传播曲线并且基于BPM算法对不同条件的矩形波导进行模拟，分析并比较其传播模式。
1.1 引言随着为微纳加工工艺技术的不断提高，晶体管的特征尺寸越来越小，单片集成的晶体管数目越来越多，由此带来的金属互联问题、漏电流问题以及散热问题难以解决。
紧靠减小晶体管尺寸、提高工作频率的手段提高处理器性能的方式已遇到瓶颈[1]。
光具有高传播速度、高宽带、并行性等本征的特质，使得光非常适用于海量数据传输处理等领域，研究并开发以此为核心的新型信息处理技术已成为普遍共识。
而随着光通讯正在朝着高速率大容量的方向发展，在SOI材料上制备光波导是技术发展的必然趋势。
在此背景下，研究矩形光波导中的传播模式是尤为重要的[2]。
本课题中的矩形波导是指由半导体材料制成的，具有矩形的波导芯层以及包围着芯层但折射率更低的包层结构，可以使光限制在芯层内传播的器件。
本课题主要分析矩形光波导中存在的传播模式以及各种模式的传播特性。
在第二章中，首先对平板波导理论进行推导，分析了平板波导中单模和多模条件。
第三章中运用第二章中的关于平板波导的相关知识，分别在马卡蒂里理论、库玛尔理论以及有效折射率法下对矩形波导进行计算。
前两者给出了不同区域内的两种光场分布重点讨论在有效折射率法矩形波导中可以存在的模式同波导横向长度和材料的折射率之间的关系以及不同模式下的场分布，并结合MMI（多模干涉）耦合器对单模和多模的模场分布进行具体分析。
TE_10_波在矩形波导中传输特性的研究
T E10 波在矩形波导中传输特性的研究
李 锦, 温少璞, 杜九林
( 陕西师范大学物理学系 , 陕西 西安 710062)
摘
要: 采用 3 cm 的微波传输实验系统 , 对 T E 10波在矩形波导中的基本参量进行测
量. 结果表明, T E10 波在矩形波导中传播, 其终端分别为匹配负载和终端短路时 , 波导 中将分别呈现行波和驻波 , 而在一般情况下, 波导中则呈现混波 . 关键词: T E 10波 ; 波导 ; 传输 中图分类号 : O426 4 文献标识码: A
1
1 1
基本原理
电磁场的基本方程为 D= D = E, , B= B = 0, H, j = E. E= B , t H= j + D , t ( 1) ( 2)
方程组 ( 1) 称为 M axw ell 方程组, 方程组 ( 2) 描述了介质性质对场的影响. 对导体和空气界面 , 可以得到边界条件[ 1] : E t = 0, 1 2 En = /
收稿日期 : 1999 - 12 - 01 作者简介 : 李锦 ( 1972 ) , 女 , 陕西西安市人 , 陕西师范大学助教
第2期
李锦 等 : T E 10波在矩形波导中传 输特性的研究
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x 与 x z 平面正交 . 在 xy 平面内, E y = E 0sin a , 说明电场强度只与 x 有关, 且按正弦规律变 a 化. 在 x = 0 及 x = a 处, E y = 0; 在 x = 处 , E y = E max . 由于能量沿 z 方向传播, Ey 将沿 z 方 2 a 向呈行波状态, 并在 的纵剖面内, E y 沿 z 方向按正弦分布. T E10 波中磁场 H 只有 H x 及 H z 2 分量 , 因此 , 磁力线将分布在 x z 平面内, 由于 E y 和 H x 决定着沿 z 方向传播能量 , 要求 E y 与 H x 同相 , 即沿 z 方向在 Ey 最大时 , H x 也最大. 沿 x 方向, H x 呈正弦分布 , 并与 E y 同相 , 所 以, 在横截面和纵剖面的分布也与 E y 相同 . 在讨论 H z 分布时可知 , 在 z = 0 的截面上 , H z 沿 a x 方向呈余弦变化, 在 x = 0 及 x = a 处 , H z 有最大值 , x = 处 H z = 0 . 2 1 3 沿 z 轴传播 a jw t - j 为参考面 , 沿 z 轴传播时 , 可略去 e 因子, 有 E y = E 0 e z . 若波导不是 2 均匀和无限长的 , 在波导中存在入射波和反射波, 电场由入射波和反射波叠加而成, 有 E y = E i e- j z + E r ej z , T E10 波以 x = 其中 E i 和 E r 分别是电场入射波和反射波的振幅 . 如果把距离改由终端算起, 则上式变成 E y = E i ej L + E r ej L
基于有限元法的新型双脊波导传输特性的研究
Ｚｈａ ｇ Ｌｉ ｙ ｎ ， ａ ｇ Ｌｉ ｉ ， ， ａ ｇ Ｈｏ ｈｕ 。 ｎ ｕ ａ ｇ Ｚｈ ｎ ｍ ｎｇ Ｌｉ Ｂｏ Ｚｈ ｎ ｎｇ ｉ （ ．Ｓ ｈ ｏ ｆＳ ｆｗａ ｅ １ ｃ ｏ ｌ ｏ ｔ ｒ ，Ｐｉｇ ｉｇ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｎ ｄ ｎ ｓ ａ ｉｅ ｓｔ ，Ｐｉ ｇ ｉｇ ｈ ｎ ４ ７ ０ ｎ ｄ ｎ ｓ ａ ６ ０ ０，Ｃｈｎ ： ｉａ
ｆ ｒ ｄ ｄ ｕ ｌ— ｉｇ ｖ ｇ ｉｅ ｏ ｍｅ ｏ ｂ ｅ ｒｄ ｅ ｗａ ｅ ｕ ｄ ． Ｋｅ ｏ ｄ ：ｆ ｉ ｌｍｅ ｔｍｅ ｈ ｄ； ｕ ｏ ｆｗａ ｅｅ ｇ ｈ； ｉ ｇ ｅ ｍｏ ｅｂ ｎ ｗｉ ｔ ｄ ｍｉ ａ ｔｍｏ ｅ ｆｅｄ ｐ ｔｅ ｎ ｙ ｗ ｒ ｓ ｉ ｔ ｅｅ ｎ ｔ ｏ ｃ ｔ ｆ ｖ ｌｎ ｔ ｓｎ ｌ ｎ ｅ － ｄ ａ ｄ ｄ ｈ； ｏ ｎ ｎ ｄ ｉ ｌ ａ ｔ ｒ
２ Ｋｅ ｂ． ｏ ） ｔ ｌ ｃ ｒ ｎｉ ｃ ｏｌｇｙ ａ ｎｔ ｌｉ ｎ ｎｔｏｌ Ｍ ｉ ｓ ｒ ． ｙ Ｌａ ｆ（ ｐ ｏｅｅ ｔ ｏ ｃ Ｔｅ ｈｎ ｏ ｎｄ Ｉ ｅｌｇｅ ｔＣｏ ｒ ， ｎｉｔｙ ｏｆＥｄｕ．，Ｌａ ｚ ｕ ７ ００ ｎ ｈｏ ３ ７０，Ｃｈｉ ｎａ； ３． Ｐｅ ｓ ｒ ｏｎｎ ｌＤｅ ｒｍ ｅ ，Ｐｉｇｄｉｇｓ ａ ｎｉｅ ｓｔ ｅ ｐａ ｔ ｎｔ ｎ ｎ ｈ ｎ Ｕ ｖ ｒ ｉｙ，Ｐｉｇｄｉ ｓ ａ ７ ０，Ｃｈ ｎ ） ｎ ｎｇ ｈ ｎ ４６ ００ ｉａ
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矩形双脊波导传输特性研究
矩形双脊波导传输特性研究李龙洲;雷前召;张修兴【摘要】为了寻找最佳传输特性的波导结构,通过矩形波导内电磁波的波方程、矩形波导内截止波长特性,结合微扰理论以及时域有限差分法研究矩形波导、双脊波导内电磁波传播特性,计算分析矩形波导、双脊波导截止波长随波导结构尺寸的变化.结果表明:双脊波导的脊间距越小,单模带宽越大,矩形双脊波导的截止波长较同尺寸矩形波导大;模拟的双脊波导内电磁波主模与第一高次模的场结构图显示,在对称双脊波导的脊点处场强变化、能量损失最大.【期刊名称】《济南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(032)006【总页数】5页(P516-520)【关键词】矩形波导;脊波导;微扰理论;时域有限差分法;截止波长【作者】李龙洲;雷前召;张修兴【作者单位】渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714099;渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714099;渭南师范学院数理学院,陕西渭南 714099【正文语种】中文【中图分类】TN62当今世界，波导的应用已经非常普及，光纤甚至铺设到世界每个角落。
利用波导传输光电信息不仅能够克服光、波在空中传播的扩散，而且能够有效克服外界干扰[1]。
在波导中传播的电磁场形式(即电磁场结构)又称为电磁波传输模式。
Cohn[2]于1947年率先将脊波导应用于导波系统，较好地克服了矩形波导传输电磁波信号时特性阻抗大[3]、截止频率高、带宽窄的缺陷[4-5]，且能够多模传输[6]，因此随后脊波导在微波和毫米波器件中得到快速普及[7-8]。
这些微波、毫米波器件包括宽带传输测试系统，宽带脊波导滤波器[9]，微波导管中的变频器、移相器，低阻抗负载匹配时的波导过渡以及定向耦合器、双工器[10-11]、脊波导缝隙天线以及功率分配器(简称功分器)等[12]。
功分器已经广泛应用于相控阵雷达、天线馈线系统以及功率放大器等微波设备中。
分析脊波导内的电磁场及其分布、波导截止频率[13]常用的方法有变分法、矩量法、有限元法[14-15]、有限差分法[16-17]等。
矩形波导的特点
矩形波导的特点矩形波导是一种重要的微波传输线，以其简单的结构、较低的损耗和宽带特性，在微波技术中被广泛应用。
本文主要介绍矩形波导的特点、结构和应用。
一、矩形波导的特点1. 较低的传输损耗：在微波频段，矩形波导的传输损耗很小，这是由于矩形波导的体积很大，传输的能量少受到周围环境的影响。
2. 宽带性：矩形波导的截止频率较低，一般为GHz，因此较宽的频段可以被传输。
同时，矩形波导的输入输出端口规格定制灵活，可以支持不同的应用场景。
3. 高功率承受能力：矩形波导的结构比较简单，因此在高功率应用中，可以承受颇高的功率。
这也是在雷达、卫星通信等领域应用广泛的原因之一。
4. 良好的抗干扰性能：由于矩形波导的结构特点，其较好的抗干扰性能是十分值得推崇的。
在强干扰环境下，仍能有效地传输信号。
二、矩形波导的结构矩形波导由四面体构成，具有长与宽两个维度，相对于纯导体，其截止频率相比较而言较低。
矩形波导的截止频率是由矩形的长宽比决定的，当长宽比减小时，截止频率减小。
矩形波导的四边均被镀上导体，通过振荡和反射来实现能量传输。
与矩形波导相应的模式包括电模和磁模两种模式，它们的波长和频率是不同的，这主要是由于不同模式传输的本质区别所造成的。
三、矩形波导的应用1. 雷达系统：雷达系统具有高功率、宽带、高抗干扰性等特点，正是这些特点让雷达系统的数据传输准确性更高、可靠性更好。
2. 卫星通信：在卫星通信中，矩形波导主要应用在卫星发射、接收系统。
卫星通信对于信号传输的准确性和可靠性要求很高，因此选择矩形波导作为传输线路也是一个不错的选择。
3. 航空导航：紧凑的结构和良好的抗干扰性能是矩形波导在航空导航领域得到广泛应用的原因。
在航空导航中应用，不仅可以准确感知目标，还能够保证安全性。
四、总结综上所述，矩形波导以其较低传输损耗、高功率承受能力、宽带性和出色的抗干扰性能，在微波技术中被广泛应用。
通过对矩形波导的深入研究，可以更好地发挥其特点，并在不同应用场景下得到更好的应用。
变形对矩形单脊波导特性的影响
（ 州 交通 大 学 自动 化 与 电 气 工程 学 院 ， 肃 兰 州 ７０ ７ ） 兰 甘 ３０ ０ 摘 要 ： 对 脊 波 导 器 件 在 生 产 、 配 及 使 用 中可 能 产 生 的 变 形 ， 用 有 限元 法 研 究 了错 位 变 形 和 受 力 变 形 对 矩 形 单 脊 波 导 衰 针 装 采 减特 性 、 率 容 量 和 阻 抗 特 性 的 影 响 。数 值 分 析 结果 表 明 ： 着 脊 波 导 变 形 程 度 的 增 大 ， 功 随 衰减 常 数 增 大 ， 率 容 量 和 特 性 阻抗 功 减 小 ， 中下 侧 受 力 变形 对 矩 形 单 脊 波 导 的 特 性 参 数 影 响 最 大 ， 其 因此 在 波 导 器 件 的 使 用 过 程 中应 尽 量 避 免 下 侧 受 力 变 形 关键 词 ： 限元 法 ； 波 导 ； 减 特 性 ； 率 容 量 ； 有 脊 衰 功 阻抗 特 性 中 图 分 类 号 ： Ｎ８ ４ Ｔ １ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ５８ ８ （０ ２ ０ — ０ ２０ １ ０ — ７ ８ ２ １ ） ４０ ５ — ４
Ｅｆｅ ｔ ｆｄ ｆ ｒ ａ ｉ ｎ ｎ ｔ ｅ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｆｒ ｔ ｎ ｕ ａ ｉ ｌ －ｉ ｇ ｖ ｇ ｉ ｅ ｆ ｃ ｓｏ ｅ ｏ ｍ ｔｏ ｓ ｏ ｈ ｈａ ａ ｔ ｒｓｉ ｏ ｅ ａ ｇ ｌ ｓｎｇｅ ｒｄ ｅ ｗａ ｅ ｕ ｄ ｓ ｃ ｃ ｒ
Ｃｂ ｎ Ｃａｈｏ ｅ ｉ ｎｇ，Ｃｈ ｎ Ｘｉ ｏ ａ ｅ ａ ｑｉｎｇ
52变形对矩形单脊波导特性的影响频率可得te模的衰减常数为为介电常数fc为截止rshzhz求波导的衰减常数时首先用有限元法求解出波导截面内的hz或ez的分布截止波数kc和截止频率fc的值再利用式为了消除材料和结构参数变化对衰减常数的影响将工作频率rs定义为脊波导的归一化衰减常数hzhz槡3fc时脊波导的衰减常数与具有相同截止波长的矩形波导te10模衰减常数的比值称为标准衰l9到l4为脊间中心位置的直线如图1te10中电流定义为沿电场壁的环路积分即12045a时标准衰减常数为如图1所示其中图为矩形单脊波导错位变形后的横截面图图为矩形单脊波导受力变形后的横截面图hzhzdlhzdl假设波导中所用介质的击穿场强为ebr最大电场强度为emax则功率容量可表示为brpmmax对于空气填充的波导ebr特性阻抗脊波导任意频率下特性阻抗的一般表达式为12zvi定义为脊波导中心电压和波导壁纵向电流的总和
喇叭天线中矩形波导与圆波导相同点与不同点
喇叭天线中矩形波导与圆波导相同点与不同点下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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矩形波导的特点
矩形波导的特点矩形波导是一种常用于微波和毫米波频段的传输线，其具有多种优良特性，如低损耗、高可靠性、可变带宽、易制造和可集成等等。
本文将从矩形波导的基础理论、结构特点、应用领域和发展趋势等方面进行详细介绍。
一、基础理论1. 电磁场的基本方程电磁场的基本方程包括麦克斯韦方程组和洛伦兹力方程，其中麦克斯韦方程组描述了电场与磁场之间的相互作用规律，洛伦兹力方程则描述了电流在电磁场中的受力情况。
2. 传输线的电学性质传输线的电学性质包括电容、电感和阻抗等参数。
在矩形波导中，电容和电感主要由波导金属壳体和波导中的电场和磁场相互作用产生，阻抗则由波导的几何形态和介质特性决定。
3. 矩形波导的传输特性矩形波导的传输特性与其结构形式密切相关。
一般来说，矩形波导的特性阻抗、传输带宽和模式结构等都会随着频率的变化而发生相应的变化。
二、结构特点1. 矩形波导的构造矩形波导由上下两块平行的金属板和四面硬性壁构成，内部空间是一个长方体或正方体腔室。
其金属壳的尺寸和形状决定了波导的频率响应和谐振模式。
2. 矩形波导的工作方式矩形波导的工作方式可分为TE模式和TM模式，其中TE模式是指电场垂直于波导纵向方向，磁场平行于波导纵向方向；TM模式则是指电场平行于波导纵向方向，磁场垂直于波导纵向方向。
尽管矩形波导的主要应用场合是TE10模式，但在一些特定频率下，其可工作于多种模式下。
3. 矩形波导的参数设计矩形波导的设计需要考虑多个参数，如波导长度、宽度、高度、壁厚、端口位置和形状等。
这些参数的选择和优化将极大地影响波导的电学特性、传输带宽和谐振模式等指标。
三、应用领域1. 通信领域矩形波导被广泛应用于通信领域，如微波通信中的天线阵列、毫米波中的频率合成器和信号放大器等。
其低损耗的特点在长距离传输中具有优良的性能。
2. 雷达测量矩形波导的谐振性质在雷达测量中广泛应用，如星载雷达中的天线和高频发生器等。
此外，矩形波导的可变谐振频率特性还被用于各种形式的频率可调谐器件。
圆波导转换矩形波导
圆波导转换矩形波导波导是一种用于传输电磁波的导向结构，常用于微波和毫米波领域的通信和雷达系统中。
在实际应用中，我们经常会遇到需要将圆波导转换为矩形波导的情况。
本文将介绍圆波导转换矩形波导的原理和方法。
一、圆波导的特点和应用圆波导是一种圆形截面的波导结构，具有较好的模式抑制能力和较高的功率传输能力。
它广泛应用于微波器件、天线系统和通信系统等领域。
圆波导有许多不同的模式，其中最低阶的模式为TE11模式，也称为基模。
在TE11模式下，电磁波的电场分布既有径向分量，也有轴向分量，而磁场分布只有轴向分量。
TE11模式是圆波导中最常用的模式。
二、圆波导到矩形波导的转换原理圆波导到矩形波导的转换可以通过两种方法实现：模式转换和几何转换。
1. 模式转换模式转换是将圆波导中的模式转换为矩形波导中的模式。
通常采用的方法是通过插入柱状物体来改变电磁场的分布，从而实现模式转换。
在圆波导中，TE11模式的电场分布既有径向分量，也有轴向分量。
通过插入柱状物体，可以改变电场的分布，使其只有轴向分量。
然后将插入的柱状物体与矩形波导相连，使电磁波能够顺利地从圆波导转换到矩形波导。
2. 几何转换几何转换是将圆波导的圆形截面转换为矩形波导的矩形截面。
通常采用的方法是通过适当的设计和加工，将圆形波导的截面形状逐渐变为矩形波导的截面形状。
在几何转换中，一种常用的方法是采用渐变形状的转换段。
转换段是一个逐渐由圆形变为矩形的结构，通过逐渐变换截面形状，使电磁波能够平滑地从圆波导转换到矩形波导。
三、圆波导到矩形波导的转换方法圆波导到矩形波导的转换方法有多种，常见的有以下几种：1. 矩形波导端口的插入这是一种简单常用的方法，通过在矩形波导端口处插入圆柱形的圆波导，使电磁波从圆波导转换到矩形波导。
插入的圆波导截面和矩形波导截面的尺寸要适配，以保证转换效果。
2. 矩形波导的端口变换这种方法是将矩形波导的端口形状逐渐变为圆形，然后再与圆波导相连。
通过逐渐变换截面形状，使电磁波能够平滑地从矩形波导转换到圆波导。
矩形波导的传播特性
4
第九章 导行电磁波
矩形波导纵向电场 Ez ( x, y, z) Ez 0 ( x, y)e jkz z
kc2 =k 2 -kz2
k
z分量振幅满足标 2 E ( x, y ) 2 E ( x, y ) 2 z0 z0 k c E z 0 ( x, y ) 0 2 2 量亥姆赫兹方程 x y 设 Ez 0 ( x, y) X ( x)Y ( y) 将这个表达式代入上面方程并进行化简可以得到
其它模式开始出现，呈现多模式。
继续前面的讨论 a 2b
TE10
主模区
截 止 区
2a
a
c
1. 若波导的工作波长满足关系式 a 2a ，即可实现电磁波的 单模传输。单模传输的惟一模式就是 TE10 波。
2. TE10 波是矩形波导中的常用模式，称为主模。
2019/1/2
2 c 2 kc
电磁场理论
第九章 导行电磁波
以TM波为例来讨论： m n E z ( x, y , z ) E0 sin( x )sin( y )e jk z z a b
kz k 1 (
fc 2 ) f
kz 为实数， e jkz z 表示沿正z方向传播的波， （1）当 f fc 时， 波矢 kz为z方向的传播常数。 频率大于波导的截止频率的波能够在导波系统中传播。 kz 为虚数，e jkz z =ekz ( fc / f ) 1 ，表明这种波 （2）当 f f c 时， 是沿着z方向不断衰减的凋落场，不能正常传播。 频率低于波导的截止频率的波不能够在导波系统中传播。
c02 a 2, TE02
a 8cm b 4cm
不同变形下梯形脊波导传输特性研究---毕业设计
摘要自1947年由Cohn引入脊波导后，脊波导引起了人们的重视，对脊波导的研究从未间断。
与传统的矩形波导相比，脊波导有以下优点：宽的单模带宽、主模截止波长长，使得脊波导在微波和毫米波工程中得到广泛应用。
早期脊波导的研究主要是单脊波导和双脊波导，而近期的研究则主要是更加复杂的脊波导结构，比如对趾波导（antipodal-ridge waveguide）、梯形脊波导等。
在现代微波工程中，为了满足微波传输系统性能的某些需要，需要不断探索和研究具有特殊截面形状的各类新型波导，但在生产实际中，由于生产制造、装配及使用等原因，会造成脊波导的多种变形，分析研究变形对脊波导传输特性的影响，有助于加强实际应用。
本论文介绍了脊波导的发展以及本课题的实际意义；阐述了波导理论基础、规则脊波导的传输特性；介绍了有限元法原理；应用有限元方法分析了多种脊波导在不同变形下的传输特性。
根据现有资料，选取脊波导传输特性较优时的几何尺寸，计算结果与已有的国内外权威刊物上发表的数据资料进行对比，数据误差很小，这就证明了所选方法在计算上的有效性和所编程序的精确性。
本文采用Matlab环境下的有限元PDE工具箱分析了多种脊波导在错位和不同受力变形下的传输特性，求出了归一化截止波长，单模带宽，并绘出了其对应的场结构图。
计算结果表明：脊波导错位变形后，传输特性变化较小；脊波导双边受力变形时，传输特性变化最大，特性变差；脊波导下侧受力变形后，传输特性变好。
这些参数为脊波导器件的设计和使用提供了参考。
关键词：脊波导；有限元法；截止波长；单模带宽论文类型：应用基础研究AbstractSince the introduction of the waveguides by Cohn in 1947, they have received considerable attention, and research on them has continued steadily. Compare to the normal rectangular waveguide, ridge waveguide has the character of broader bandwidth, smaller dimension, lower equivalent characteristic impedance, etc. Because of these merits, it is used more and more widely in micro-wave and millimeter-wave devices. In early research of ridge waveguide, they mainly research single-ridge waveguide and double-ridge waveguide, then, the recent research is more complicated structure of ridge waveguide, for example, antipodal-ridge waveguide, trapezoidal-ridge waveguide, etc.. In order to meet some requirements in modern microwave transmit systems, it needs to research some new waveguides with especial sections. Then in production and practice, owing to some reasons, such as production, assembly, use, and so on, which can bring about deformations of ridge waveguide. And it is helpful to reinforce practice use to analyze deformations of ridge waveguide to influence of transmission characteristic.There are four chapters in this paper. In first chapter, development of ridge waveguide, and the importance in practice of this paper are introduced; In second chapter, there are waveguide theory, the transmission characteristics of the normal rectangular waveguide; In third chapter, the finite element method employed in this paper is introduced; In fourth chapter, the transmission characteristics of many kinds of ridge waveguide in different deformations is obtained by employing the finite element method. On the basis of existing data, choosing geometry dimension of ridge waveguide in the better transmission characteristics, the calculation results are compared with the data that published on foreign and home authoritative issues, comparison between the literature data and the computed results in this paper can be found that the results in this paper agree well with the literature data, which prove that the method and the program are effective and accurate enough.The paper uses the finite element PDE toolbox in the Matlab environment to obtain the transmission characteristics of the waveguide in displacement deformation and different deformation under stress, and works out the normalized cutoff wavelength、single-mode bandwidth and he relevant field pattern. Numerical results indicate that the change of the transmission characteristics of the waveguide in displacement deformation is smaller; the change of the transmission characteristics of the waveguide in deformation under stress in both sides is the most and the transmission characteristics change bad; the transmission characteristics of the waveguide in deformation under stress in underside change well. The ridge waveguide devices can be designed and used based on these parameters.Key Words：Ridge waveguide；Finite-element method; Cutoff wavelength;Single-mode bandwidth目录摘要 (I)Abstract (II)引言 (1)1．概述 (2)1.1脊波导的发展 (2)1.2课题意义 (2)2．波导传输理论 (3)2.1波导理论 (3)2.2规则波导中的场分析 (4)2.2.1导行波波形的分类 (4)2.2.2导行波的传输特性 (5)2.3矩形波导的传输特性 (6)2.3.1 矩形波导中的场方程 (7)2.3.2 矩形波导的传输特性 (8)2.3.3 矩形波导中的TE模 (10)103．有限元法 (10)3.1有限元法的基本原理 (11)3.2求解过程 (12)4．变形脊波导传输特性研究 (13)4.1变形脊波导的传输特性 (13)4.1.1常见脊波导的传输特性 (13)4.1.2 矩形变形单脊波导的传输特性 (15)4.1.3 梯形变形单脊波导的传输特性 (17)4.1.4 倒梯形变形单脊波导的传输特性 (18)4.1.6 三角形变形单脊波导的传输特性 (20)4.1.7 圆形变形单脊波导的传输特性 (22)4.2变形脊波导的场图 (23)4.2.1常见脊波导的场图 (23)4.2.2矩形变形单脊波导的场图 (24)4.2.3梯形变形单脊波导的场图 (25)4.2.4倒梯形变形单脊波导的场图 (27)4.2.5三角形变形单脊波导的场图 (28)4.2.6圆形变形单脊波导的场图 (30)结论 (32)致谢 (33)发表论文清单 (34)参考文献 (35)兰州交通大学硕士学位论文引言在微波工程中使用着多种类型的传输线，如同轴线、矩形波导、圆形波导等等，这些传输线不仅可以用来传输电磁能量，还可以用来构成多种微波元件，电磁波在有限空间中的传播就称为在波导中的传播，而脊波导是其中的一种常见的导波结构，它是矩形波导的一种变形又称凸缘波导，分单脊波导和多脊波导两大种。
微波技术在矩形波导中传输特性实验讲稿.
微波技术实验微波技术是从20世纪初开始发展起来的一门新兴科学技术，1940年前处于实验室研究阶段，1940~1945年处于实际应用阶段，1945年以后形成了一系列以微波为基础的新兴科学，如微波波谱学，射电天文学，射电气象学等；1965年以后，向固体化、小形化方向发展，并逐步得到了实际应用。
特别在天体物理、射电天文、宇宙通讯等领域，具有别的方法和技术无法取代的特殊功能。
[实验目的]1、学习用物理学的理论探究微波的特点及微波发射和传输的原理，2、掌握观测速调管的工作特性，描绘工作特性曲线（振荡膜）和频率特性曲线；3、观测波导管的工作状态，用直接法，等指示度法，功率衰减法测量大、中、小驻波比，测量波导波长g ，测频率f ，并计算光速C 和群速u ，相速g V ；4、观测体效应管的振荡特性，I -V 曲线、P -V 曲线、f -V 曲线。
[实验原理]一、微波基本知识1、微波及其特点微波是波长很短（频率很高）的电磁波。
一般把波长1m ~0.1mm ，频率在300MHz ~3000GHz 范围内的电磁波称为微波。
根据波长的差异还可以将微波分为分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波。
不同范围的电磁波既有其相同的特性，又有各自不同的特点，本实验所产生的微波频率在8600MHz ~9600MHz 范围内。
微波具有以下特性：1）似光性。
由于微波波长短，其数量级可达到毫米（10-3m ），与光波的数量级（10-6m ）可相比拟，因此微波具有光的传播特性，在一般物体面前呈直线传播状态。
利用这个特点可制成方向性极强的天线、雷达等。
2）频率高，振荡周期短。
微波的振荡周期10-9~10-13s ，已经和电子管中电子的飞越时间（10-9s ）可相比拟。
作为一种高频率的电磁辐射，由于趋肤效应，辐射耗损相当严重。
因此，一般的电子管、集中参数元件，一般的电流传输线已不能在微波器件中使用，而必须用分布参数元件，如波导管、谐振腔、测量线等来代替，其测量的量是驻波比、特性阻抗、频率等。
圆波导与矩形波导比较
B1 J n (kc r ) + B2 N n (kc r )
平面行波（x 的正向，反射） 行波形式
exp m j (k x x + k y y )
→∞ (1, 2 ) Hn (kc r ) r →
柱面行波（r 的正向，反射）
( 2 ,1) (kc r ) = J n (kc r ) m jN n (kc r ) Hn
驻波波节数： 从中心到边界 的半驻波数
0 0 π 2π 3π 0.5
|sin(kxx)| |J0(kcr)|
4π
相邻波节反相，柱面波周向周期变化 各自周期相等 边界处的函数值取其中一零解上，不同的零点，包含波节数不同 驻波异同 零解从 = 0 开始 等幅驻波 两驻波关系 坐标系/驻波函数的不同仅方便满足边界条件时，函数形式简单 *柱面波的求解方法 3 级数、积分、插值，高阶递推
[
]
两行波关系
2 1 ] （Q1：为何以 r 衰减？） exp[± i(kc r − 1 4 π − 2 nπ ) π kc r
Ez
x=± a y =±b
=0
∂H z ∂n
x=± a y =±b
=0
Ez
r =a
=0
∂H z ∂r
=0
r =a
边界条件
Et = 0 Hn = 0
cos (k x (± a )) = 0 k a = µ m = mπ cos' ， x k y b = µ n = nπ cos ( k y (± b )) = 0 cos'
0 -0.5 -1 0 π
·1·
2π
3π
4π
满足边界条件 后的驻波解
cos mπ A cos' a
矩形波导的特点
矩形波导的特点矩形波导是一种常见的波导结构，具有广泛的应用领域。
其特点包括低损耗、高功率能力、宽带宽、易于制造和可靠性高等优点。
本文将对矩形波导的特点以及相关参考内容进行详细介绍。
一、低损耗矩形波导的主要优点之一是其低损耗。
由于其设计和制造过程中，能够有效减少介质损耗和金属损耗的影响。
此外，在高频率下，电磁波会越来越不容易沿着金属表面传输，从而减少波导的损耗。
一般来说，矩形波导的损耗比同等尺寸的同轴线低得多。
二、高功率能力由于矩形波导的结构简单，容易实现高功率输出。
其金属表面是平整的，可以承受高电压和高电流，从而实现高功率输出。
此外，矩形波导的抗电强度比同等尺寸的同轴线高，能够有效避免放电和击穿等现象的发生。
因此，在高功率雷达、微波加热、医用设备和其他领域中，矩形波导一直是首选的高功率输出选择。
三、宽带宽矩形波导也具有比同轴线更宽的带宽。
由于其结构特点，矩形波导可以支持更宽的波段。
相比之下，同轴线的带宽受到电磁场分布的限制，不能承受太宽的频率范围。
此外，矩形波导的宽带宽还使得它可以适用于多种工作条件下的应用。
四、易于制造制造矩形波导相比其他波导结构更加容易。
其结构简单，可以通过冲孔、折弯、焊接和切割等简单的工艺流程完成制造。
此外，由于矩形波导的金属表面平整，可以有效避免制造过程中出现的涂覆和接触等质量问题。
五、可靠性高矩形波导的结构紧凑，耐久性好，能够承受很高的温度和压力条件。
它不会受到机械注入和化学腐蚀的影响，能够长期稳定地工作。
因此，矩形波导被广泛应用于航空航天、军事和科学研究等领域的高可靠性应用中。
综上所述，矩形波导具有低损耗、高功率能力、宽带宽、易于制造和可靠性高等特点。
这些优点使得矩形波导成为在航空航天、军事和医疗等领域中被广泛采用的高效、可靠的传输介质。
矩形波导的特点
矩形波导的特点
矩形波导（Rectangular waveguide）是一种常用的传输微波能量的波导结构。
它具有以下特点：
1. 大功率承载能力：矩形波导的内部电场分布比较均匀，因此在相同的输入功率下，其最大输出功率较其他波导结构要高。
2. 低传输损耗：矩形波导的传输损耗比传输线要小，因为传输线上的电磁波要通过导线进行传输，而矩形波导中的电磁波只需要在金属面之间传播即可，传输效率更高。
3. 宽频带：矩形波导的宽度和高度可按一定的比例调节，以适应不同频率下的传输要求。
一般较宽的矩形波导具有更宽的工作频带。
4. 可靠性高：矩形波导结构简单，容易制造，结构稳定，因此具有较高的可靠性。
参考文献：
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变形圆脊矩形波导传输特性的研究作者：陈小强赵霞逯迈任恩恩来源：《现代电子技术》2010年第02期摘要:脊波导器件在使用中会产生各种变形,在此采用有限元方法研究错位和受力变形对圆脊矩形波导传输特性的影响。
数值分析结果表明,错位变形使脊波导截止波长变长,单模带宽增大程度小于2%;双边受力变形对脊波导传输特性的影响较大,当变形达到10%时,其特性变化超过10%,在使用中应引起重视。
关键词:有限元法;脊波导;截止波长;单模带宽中图分类号:TN814文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)02-134-03Study on Transmission Characteristic of Circular_ridge Waveguide in Different DistortionsCHEN Xiaoqiang,ZHAO Xia,LU Mai,REN Enen(Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,730070,China)Abstract: Ridge waveguide apparatus can engender various distortions in use,the finite element method is applied to research the influence of transmission characteristic of displacement distortion and distortion under stress to circular-ridge waveguide.Numerical results indicate that displacement distortion makes the cutoff wavelength of ridge waveguide increase,but the extent of single-mode bandwidth increased is less than 2%.For transmission characteristic of ridge waveguide,it has bigger influence and should be respected in use that distortion of ridge waveguide under stress in two sides,while deformation attains 10%,its characteristics change more than 10%.Keywords:finite element method;ridge waveguide;cutoff wavelength;single_mode bandwidth在现代微波技术中,为了满足微波传输系统的某些要求,需要不断探索和研究具有特殊截面形状的各种新型波导[1]。
近年提出的脊波导是为了解决毫米波晶体探针中矩形波导与共面波导之间的渐变连接问题。
研究分析表明,脊波导与矩形波导相比,有着主模截止波长较长,单模工作频带较宽等优点,这使得脊波导在微波和毫米波的器件中得到广泛的应用。
同时,人们还提出了多种变形结构的脊形矩形金属波导,比如圆形脊波导[2]、梯形脊波导[2-9]等,但在实际生产中,由于生产制造、装配及使用等原因,造成脊波导变形,分析研究变形对脊波导传输特性的影响,有助于更科学、精确地分析微波器件及由脊波导构成的微波系统的特性。
这里主要研究圆脊矩形波导在错位变形和受力不同变形情况下对传输特性的影响。
1 基本原理在圆脊矩形波导的横截面上TE波可以通过亥姆霍兹方程描述,即:且在波导壁上满足齐次诺曼(Neumann)边界条件。
根据有限元理论分析(详见文献[10]),对于三角单元剖分的场域,总可以推导出下列本征值矩阵方程:式中:A和B均为N×N阶方阵。
圆脊矩形波导的传输特性可以通过求解方程(2)得到。
2 数值计算结果2.1 波导尺寸的选择圆形单脊波导选择如下几何尺寸:宽边为a,窄边为b=0.45a,圆形脊的直径d=0.5b。
2.2 波导错位变形的计算结果文中变形程度选取不超过宽边的10%,所以取变形角度φ为1°~13°,保证了变形在10%以内。
圆脊矩形波导错位变形的截面图如图1所示。
根据上述分析,对脊波导及错变脊波导中TE波的模及邻近高次模的特征值进行求解,求出不同变形程度时主模及邻近高次模的截止波长,计算了单模带宽。
错位变形脊波导的归一化主模截止波长及单模带宽的变化曲线见图2。
圆脊矩形波导错变截止波长和单模带宽的相对误差见表1,表2。
截止波长的相对误差-单模带宽的相对误差:-式中为未变形时的截止波长为变形后的截止波长为未变形时的单模带宽为变形后的单模带宽。
图1 圆脊矩形波导错位变形图2 圆脊矩形波导错变归一化截止波长及单模带宽表1 圆脊矩形波导错变时截止波长的相对误差φ /(°)012345600.010.060.130.250.390.58φ /(°)78910111213表2 圆脊矩形波导错变时单模带宽的相对误差φ /(°)0123456φ /(°)78910111213002.3 单脊波导受力变形的计算结果单脊波导尺寸的选择如第2.1所述,变形程度σ为0.01a~0.1a。
圆形单脊波导受力变形如图3所示。
脊波导受力变形的主模归一化截止波长及单模带宽的变化曲线见图4。
圆形单脊波导各种受力变形时截止波长的相对误差见表3,圆形单脊波导各种受力变形时单模带宽的相对误差见表4。
3 结果分析(1) 圆形单脊波导错变后的归一化截止波长随变形程度的增大而增大,当变形达到10%时,其相对误差为2.91%。
(2) 圆形单脊波导错位变形的单模带宽随变形的增大呈增大趋势,当变形达到10%时,其相对误差为1%。
(3) 圆形单脊波导受力变形后,在图3(a),(b)所示的变形中,随着受力增大,变形程度增大,归一化截止波长和单模带宽都在减小;在图3(c)所示的变形中,随着受力增大,变形程度增加,归一化截止波长和单模带宽都在增大;在图3(d)所示的变形中,归一化截止波长减小,单模带宽增大。
其中,图3(b)所示的受力,当变形达到10%时,其相对误差分别为12.41%和10.73%。
表明,圆形单脊波导受到如图3(b)所示的受力变形时,对其传输特性的影响最大,特性变差,因此是应该避免的情况。
图3(c)的受力情况能使特性变好,应用时可以不考虑这种变形的影响。
图3 圆形单脊波导受力变形图4 圆形单脊波导错变的归一化截止波长与单模带宽(4) 脊波导错变后,传输特性的变化较小,与没有受力变形时相比,相对误差在2%以内。
这在工程上是可以接受的。
表3 圆形单脊波导受力变形时归一化截止波长相对误差受力情况σ /(°)0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10左侧0.000.631.251.892.523.203.864.565.276.006.78双边0.001.242.483.704.946.217.518.8210.1411.4712.87下侧0.000.501.041.602.182.793.424.174.745.456.18两边上侧0.000.911.822.723.654.625.566.557.538.559.54表4 圆形单脊波导受力变形时单模带宽相对误差受力情况σ /(°)0.000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10左侧0.000.390.801.261.782.332.933.584.305.125.99双边0.000.781.632.553.564.655.857.148.5110.0211.66下侧0.000.902.022.803.784.815.876.988.089.2710.49两边上侧0.000.490.991.461.922.362.743.143.473.764.044 结语以上分析表明,对于圆形单脊波导,应用时应尽量避免双边同时受力,如图3(b)所示的情况;对于受力如图3(c)的情况,可不考虑对传输特性的影响。
在工程应用中,对于错变的情况,只要变形在工程允许的范围内,其对传输特性的影响可以不考虑。
但对不同的受力变形,只要保证变形程度不超过8%,即可保证工程实际应用的需要。
参考文献[1]马海武,王丽黎,赵仙红.电磁场理论[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.[2]Niu J X,Zhang Q,Zhou X L,et al.Transmission Characte_ristics Analysis forTrapezoidal_Ridge Metal Waveguide using 2_D FDFD\.Journal of Applied Sciences,2006,24(6):569-572.[3]Jarvis D A,Rao T C.Design of Double_ridged Rectangular Waveguide of Arbitrary Ratio and Ridge Height[J].IEEE Proc._Microw.Antennas Propag.,2000,147(1):31-34.[4]Rong Y Zaki K A.Characteristics of Generalized Rectangular and Circular Ridge Waveguides [J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques,2000,48(2):258-265.[5]Lu M,Leonard P J.Design of Trapezoidal_ridge Waveguide by Finite ElementMethod[J].IEEE Proc.Microw.Ante_nnas Propag.,2004,151(3):205-211.[6]金林.不对称脊波导截止波长的计算[J].现代雷达,2000,22(1):62-66.[7]孙海,王泽文.基于有限元的多脊波导传输特性的数值分析[J].山西大学学报:自然科学版,2008,31(2):177-180.[8]陈小强,李明,逯迈,等.两种新型双脊波导传输特性的研究[J].西安电子科技大学学报,2007,34(3):495-499.[9]黄彩华.矩形变形脊波导主模截止波长和特性计算[J].雷达与对抗,1997,18(3):16-22.[10]Jin J M.The Finite Element Method in Electromagnetics[M].Xi′an:Xidian University Press,2001.。