电磁波的在规则波导中的传播

讨论电磁波的在规则波导中的传播特性，就是确定在给定的边界条件下，满足麦克斯韦方程组的解，这个解的不同形式就表示不同的波型，这个解随时空的变化规律，便是电磁波在波导中传播规律。本节讨论在任意截面波导中的波动方程的求解方法以及电磁波在波导中传播的一般特性。

一、麦克斯韦方程组及边界条件

1.一般边界条件

2.理想导体表面的边界条件

二、规则波导中电磁场的求解方法

1.直接求解法

在给定边界条件下求解上述波动方程，便可得波导中电磁场的解。

2.赫兹矢量位法

(1)赫兹电矢量位引入赫兹电矢量位

(2)赫兹磁矢量位引入赫兹磁矢量位

3.纵向分量法

先求解满足标量波动方程的z方向分量(纵向分量)；然后，由各分量间的关系求出其他分量

(横向分量)

三、导行波波型的分类

波型也称模式，它指的是能够单独在波导传输线中存在的电磁场结构的型式。

1.横电磁波:即没有纵向电场又没有纵向磁场分量，即和的波，并以TEM 表示。TEM波只能存在于多导体传输线中，而不能存在于空心波导中。

2.横电波:凡是磁场矢量既有横向分量又有纵向分量，而电场矢量只有横向分量，即

的波称为磁波或横电波，通常表示为H波或TE波。

3.横磁波:凡其电场矢量除有横向分量外还有纵向分量，而磁场矢量只有横向分量，即

的波称为电波或横磁波，通常表示为E波或TM波。

§2.2 导行波的传输特性

各种不同横截面的波导系统传输导行波时，尽管横向场分布彼此各异，但它们有着共同的纵向传输特性。导行波的传输特性包括六个方面：

截止波长、波导波长、相速群速和色散、波阻抗、传输功率以及导行波的衰减

一、截止波长

在即的情况下，称为传输状态。

在即的情况下，这是传输系统的截止状态。

就是介于传输状态和截止状态之间的临界状态。

临界频率或截止频率：

临界波长或截止波长：

截止波数：

二、波导波长

波导中的波长称为波导波长，并记为

为真空中的波长。

对于TEM波，

三、相速、群速和色散

1、相速度——波导中传输的波的等相位面沿轴向移动的速度。

TE、TM波的相速度公式为

对于TEM波, 则

2、群速度

群速度是一群具有相近的ω和β的波群在传输过程中的“共同”速度，或者说波包的速度。TE波和TM波的群速度为

对于TEM波, 则

3、色散特性

TE波和TM波的相速和群速都随波长而变，即是频率的函数，这种现象称为“色散”。

TE波和TM波统称为“色散波”，而TEM波的相速和群速相同，且与频率无关，没有色散，

称为“无色散波”(或非色散波)。

四、波阻抗

波阻抗Z，它定义为相互正交的横向电场和横向磁场的比，即

五、传输功率

六、导行波的衰减

1、波导壁的欧姆损耗

2、波导中的介质损耗

§2.3 矩形波导

矩形波导是横截面为矩形的填充空气的空心金属管，是实际中应用最广泛的一种微波传输线。

一、矩形波导的电磁场解

1.TE波及其场分量

2.TM波及其场分量

3.模式与截止波长

对应于不同的m和n值TE和TM波都有无限个波型，它们的场分布结构不同，且都能在

波导中存在，分别称作(或)波(或模)和(或)波(或模)。但矩形波导中没有，和模，因为它们的场分量为零。

矩形波导的截止波

长:

截止频率：

二、矩形波导中波的特性

场分量

三、矩形波中的高次型波

矩形波导中的高次型波虽都不用作传输模，也非毫无用处。例如他们波阻抗的纯电抗性可

作为阻抗匹配元件和滤波器等；此外在波导系统中如遇不均匀性，也会激起各种高次模式。

为抑制它们，也必须对它们的性质有所了解。

1、场结构

像波一样，高次模的场结构也可以从TE波和TM波的场量表示式求得，但过于繁冗。

事实上，各高次型波的差别是m、n数值的不同，它们相应与坐标轴上横向驻波场分布变

化的半周期的不同。这样，在知道、、、和这四个较简单波型的场分布之后，即可组合出其它高次型波。

2、高次型波的波阻抗

在传输波的系统中，遇不均匀性必出现高次型波。因波导尺寸的限制，这些高次型波的传播

常数，从而使高次型波成为非传播的消失波。对于TE波型消失波，有

呈感抗性质；对于TM波型消失波，有，呈容抗性质。这样，当波导中存在高

次型波时，我们可根据不均匀性的边界条件来判断消失波是TE波还是TM波，进而推知不均

匀性的作用相当于电感还是电容。

§2.4 圆波导

圆波导是横截面为圆形(其内半径为a)的空心金属管.

一、圆波导中电磁场的解

圆波导中同样只能传输TE波和TM波。

TE波的截止波长：

TM波的截止波长：

圆波导中的波型及其特点：

圆波导中存在着无限多的模和模，但由于n=1，2，3，…，即，

所以和模不存在，而可以存在，，和( ，)波型。

(1)圆波导的波型存在两种简并:

(a)极化简并 (b)E-H简并

(2)波型指数m和n的含义——指数m表示角坐标φ从而变到2π时,场沿波导圆周分布的

周期数；指数n是贝塞尔函数或其导数的根的序号，它表示场沿半径方向分布的半驻波个数，

或者说场的最大值的个数。

二、圆波导的三个主要波型( ，和)的特性

1.波

由于波的截止波长,所以它是圆波导中的高次模。

的特点：由于m=0，所以各场量沿方向无变化，即场是轴对称的，壁上电流仅沿

着圆周流动，没有纵向分量。