电磁场与电磁波第25讲矩形波导的传播特性
矩形波导的模式(3篇)
第1篇一、矩形波导的模式分类矩形波导中的电磁波模式主要分为TE(横电磁波)模式和TM(纵电磁波)模式。
1. TE模式TE模式是指电场只在波导的横向(垂直于传播方向)分量存在,而磁场则在纵向(沿传播方向)分量存在。
根据电场和磁场在波导横截面上的分布,TE模式又可以分为TE10、TE20、TE01等模式。
(1)TE10模式:TE10模式是矩形波导中最基本、最常用的模式。
其电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
TE10模式的截止频率最高,适用于高频传输。
(2)TE20模式:TE20模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率低于TE10模式,适用于中频传输。
(3)TE01模式:TE01模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
其截止频率最低,适用于低频传输。
2. TM模式TM模式是指磁场只在波导的横向分量存在,而电场则在纵向分量存在。
根据电场和磁场在波导横截面上的分布,TM模式又可以分为TM01、TM11、TM21等模式。
(1)TM01模式:TM01模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率最高,适用于高频传输。
(2)TM11模式:TM11模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
其截止频率低于TM01模式,适用于中频传输。
(3)TM21模式:TM21模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率最低,适用于低频传输。
二、矩形波导的模式特性1. 截止频率截止频率是矩形波导中一个重要的参数,它决定了电磁波在波导中能否有效传输。
不同模式的截止频率不同,其中TE10模式的截止频率最高,适用于高频传输。
2. 相速度相速度是指电磁波在波导中传播的速度。
不同模式的相速度不同,TE模式的相速度比TM模式快。
3. 模式损耗模式损耗是指电磁波在波导中传播时,由于波导壁的吸收和辐射等原因,能量逐渐衰减的现象。
不同模式的损耗不同,TE模式的损耗比TM模式小。
4. 传输特性矩形波导中不同模式的传输特性不同,如TE模式的传输特性较好,适用于高频传输;TM模式的传输特性较差,适用于低频传输。
矩形波导的特点
矩形波导的特点矩形波导是一种常见的电磁波传输器件。
它是由一对平行的金属板组成,中间夹着一段介质。
矩形波导可以传输高频电磁波,因为金属板可以防止电磁波向外辐射,而介质起到传输电磁波的作用。
矩形波导还有一些其他的特点,这篇文章将详细介绍矩形波导的特点。
1. 频率范围宽矩形波导的频率范围非常宽,一般从几千兆赫到几百兆赫都可以使用。
这意味着矩形波导可以用于传输多种高频电磁波。
在实际应用中,矩形波导被广泛用于微波通信、雷达、遥感、卫星通信、物联网等领域。
2. 低损耗矩形波导的传输损耗非常小,可以在长距离传输高频信号时保持很好的信号质量。
这是因为矩形波导中的介质可以降低电磁波的传输损耗,使其在传输时能够更好地保持信号的强度和功率。
3. 占用空间小相比于其他高频传输器件,矩形波导占用的空间非常小。
这是因为矩形波导是一种平面结构,可以将其与其他电路元件集成到一个小型电路板中。
这种特点使得矩形波导在微波通信、雷达、卫星通信等领域应用非常广泛。
4. 带宽宽矩形波导的带宽非常宽,可以传输多种不同频率的电磁波。
这是因为矩形波导的工作原理与传统的同轴电缆不同,矩形波导不需要套管,因此不会受到频率限制。
这种特点使得矩形波导在高速数据传输和宽带通信领域应用非常广泛。
5. 结构简单矩形波导的结构非常简单,由一对平行的金属板和中间的介质组成。
这种结构简单性使得矩形波导的制造成本非常低,且容易维护和升级。
这也是矩形波导被广泛应用的原因之一。
总之,矩形波导具有频率范围宽、低损耗、占用空间小、带宽宽、结构简单等特点。
这些特点使得矩形波导在微波通信、雷达、卫星通信、物联网等领域应用非常广泛。
《电磁场与微波技术教学课件》2.2 矩形波导
n m n j z H y 2 H0 cos x sin y e b a b Kc
n m n j z Ex j 2 H 0 cos x sin y e b a b Kc
* (5)由 S E H ,在z向有实功率,传输能量;在横向是虚功率,
只存储能量。
§2.2 矩形波导
2.截止波长和简并波形 截止波数:
n 2 2 2 m Kc Kx Ky a b
2 2
m n Kc a b
§2.2 矩形波导
通解也可以写成下面的形式 X A cos( K x x x ) (2-70) Y B cos( K y y y ) (2-71)
A、φx、 B、 φy 、Kx、Ky为待定常数 (6个) 当考虑纵向行波传输规律时,电场强度可写成
Ez ( x, y, z) X ( x)Y ( y)Z ( z) E0 cos(Kx x x ) cos(K y y y )e jz (2-72)
内表面上的切向磁场强度 横向磁场决定纵向电流; 纵向磁场决定横向电流
§2.2 矩形波导
H10波各波导壁上的面电流密度为:
在x=0窄壁上
ˆz ˆH 0 cos(t z) J y ˆH z y J S n H x
在x=a窄壁上
ˆz ˆH 0 cos cos(t z) J y ˆH z y J S n H x
m, n 0
§2.2 矩形波导
分析: (1) m、n为自然数,分别表示常量沿x轴和y轴出现的 半周期数; (2) 不同的m、n对应一种波型TEmn,m、n不能同时为零, 但有一个可以取零。 最低次波型为TE10(a>b)或TE01 (a<b)。
标准矩形波导
标准矩形波导标准矩形波导是一种常见的波导类型,广泛应用于微波和毫米波领域。
它具有简单的结构和良好的传输性能,因此在通信、雷达、无线电等领域得到了广泛的应用。
本文将介绍标准矩形波导的基本结构、工作原理和特点。
1. 基本结构。
标准矩形波导由金属矩形管和金属盖板组成。
矩形管的截面形状通常为矩形,其长宽比通常为1:2或1:1.5。
矩形管内部空间被金属盖板分割成上下两个空间,上空间为TE模式的传输空间,下空间为TM模式的传输空间。
矩形波导的工作频率取决于矩形管的尺寸和材料。
2. 工作原理。
当电磁波进入矩形波导时,会在矩形管内部产生TE和TM模式的传输。
TE模式是指电场垂直于传播方向,而TM模式是指磁场垂直于传播方向。
这两种模式在矩形波导内传播时,具有不同的传输特性,可以实现电磁波的传输和耦合。
3. 特点。
标准矩形波导具有以下特点:(1)低损耗,由于矩形波导内部是由金属构成的空间,因此能够减少电磁波的能量损耗,具有较低的传输损耗。
(2)宽带特性,矩形波导能够传输多种模式的电磁波,因此具有较宽的工作频带。
(3)抗干扰能力强,矩形波导的结构稳定,能够有效抵抗外部干扰,具有较强的抗干扰能力。
(4)易于加工和安装,矩形波导的结构简单,易于加工制造,也易于安装和维护。
4. 应用领域。
标准矩形波导广泛应用于通信、雷达、无线电等领域。
在通信系统中,矩形波导常用于微波信号的传输和耦合;在雷达系统中,矩形波导常用于天线的馈源和接收;在无线电系统中,矩形波导常用于天线的馈源和信号的传输。
5. 结语。
标准矩形波导作为一种常见的波导类型,具有简单的结构、良好的传输性能和广泛的应用前景。
随着无线通信和雷达技术的发展,矩形波导将继续发挥重要作用,并不断得到改进和应用。
希望本文能够对标准矩形波导的理解和应用有所帮助。
矩形波导 PPT
m 场量沿x轴[0,a]出现的半周期(半个纯驻波)的数目;
n 场量沿y轴[0,b]出现的半周期的数目。
④j 相位关系 Ey-Hx、Ex-Hy
z轴有功率传输
Ez-Hx、Ez-Hy
x、y轴无功率传输
所以行波状态下,沿波导纵向(z轴)传输有功功率、横向(x、
y轴)无功功率。
2) 场结构
为了能形象和直观的了解场的分布(场结构),可以 利用电力线和磁力线来描绘它。电力线和磁力线遵循 的规律:
力线上某点的切线方向
该点处场的方向
力线的疏密程度
场的强弱
电力线 发自正电荷、止于负电荷,也可以环绕着交变磁场构 成闭合曲线,电力线之间不能相交。在波导壁的内表面(假设为 理想导体)电场的切向分量为零,只有法向分量(垂直分量), 即在波导内壁处电力线垂直边壁。
磁力线 总是闭合曲线,或者围绕载流导体,或者围绕交变电 场而闭合,磁力线之间不能相交,在波导壁的内表面上只能存在 磁场的切向分量,法向分量为零。
3)相速和群速
TMmn和TEmn波型的相速和群速表示式相同:
vp
v
1(/c)2
vg v 1-c2
4)波型阻抗
TMmn和TEmn波型阻抗为:
ZTE
1
1c2
g
ZTM
1c2
g
5)尺寸选择——矩形波导的工作波型图
基于前面的定义,根据波导横截面尺寸、工作波长、 截止波长之间关系,构成矩形波导工作波型图。根据不 同要求,可利用波型图对波导的横截面尺寸和波导波长 作出选择。
TE0n和TEm0是非简并模;其余的TEmn和TMmn都存在简并模: 若a=b, 则TEmn 、TEnm、TMmn和TMnm是简并模;若a=2b,则TE01与TE20,TE02和 TE40,TE50、TE32和TM32是简并模。
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:
[1] 陈国强, 许海德. 波导与天线学[M]. 北京: 国防工业出版社, 1996.
[2] 孙利朝. 电磁场与微波技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2001.
[3] 李文琦, 刘国祥. 微波技术基础[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.。
矩形波导中电磁波的传播模式
矩形波导中电磁波的传播模式矩形波导是一种常见的波导结构,它由四个边界构成,上下为金属板,左右为无限长的平行金属条。
矩形波导中存在多种电磁波的传播模式,如TE模式、TM模式和TEM模式等。
下面将分别介绍这些模式的特点和传播方式。
1. TE模式(Transverse Electric mode)在TE模式中,电磁场的电场的矢量只存在于横向方向,并且垂直于波导的传播方向。
在该模式中,磁场的矢量沿着波导的传播方向。
这意味着在TE模式下,波导内部的电场是零,而磁场是非零的。
因此,TE模式也被称为横电模。
TE模式可进一步分为多种亚模式,如TE10、TE20等。
其中,TE10模式是最低频的模式,在矩形波导中最常用。
TE10模式中,电磁波沿短边传播,且边界条件要求电场分量为零。
其传播速度取决于矩形波导的长边尺寸和频率。
当频率低于截止频率时,该模式不再存在。
2. TM模式(Transverse Magnetic mode)在TM模式中,电场的矢量只存在于横向方向,并且垂直于波导的传播方向。
而磁场的矢量沿着波导的传播方向。
因此,在TM模式下,波导内部的磁场是零,而电场是非零的。
所以,TM模式也被称为横磁模。
TM模式同样可以分为多种亚模式,如TM11、TM21等。
其中,TM11模式也是最常见的模式,在矩形波导中使用较为广泛。
在TM11模式中,磁场沿短边传播,且边界条件要求磁场分量为零。
和TE10模式类似,其传播速度也取决于波导的尺寸和频率,当频率低于截止频率时,该模式也不再存在。
3. TEM模式(Transverse Electro-Magnetic mode)在TEM模式中,电场和磁场的矢量都存在于横向方向,并且垂直于波导的传播方向。
在TEM模式下,波导内部的电场和磁场都是非零的。
由于在波导内部,电场和磁场都存在,而且正交分布,所以也被称为横电磁模。
TEM模式是矩形波导中的基本模式,同时也是最简单的模式。
在TEM模式中,电磁波的传播速度与真空中的光速相同。
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。
矩形波导的传播特性24页PPT
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂,怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈、“不可能”这个字(法语是一个字 ),只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气,不要看破要突 破,不 要嫉妒 要欣赏 ,不要 托延要 积极, 不要心 动要行 动。 38、勤奋,机会,乐观是成功的三要 素。(注 意:传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素,但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出,乐 观是成 功的第 三要素 。
三、矩形波导管中电磁波的传输特性 微波技术基础 课件 PPT
2
1
m
2
n
2
a b
§2-3 矩形波导管中电磁波的传输特性——三、矩形波导管中电磁波的传输特性
❖ 简并现象:不同波型具有相同截止波长(或截止频率)的现象
简并波型的kc、fc、vg、vp以及g都是相同的 kc
o 一般情况下: ▪ TE0n和TEm0是非简并模(TM最低次模为TM11)
2 m 2 n 2 a b
矩形波导管管壁电流立体分布图
❖ 左右两侧壁的电流 ❖ 只有Jy分量 ❖ 大小相等,方向相同。
❖ 上下宽壁内的电流 ❖由Jz和Jx合成, ❖ 同一位置上下宽壁内的管壁电流大小 相等,方向相反。
§2-3 矩形波导管中电磁波的传输特性——四、矩形波导管的管壁电流
了解管壁电流的分布情况,对解决某些实际问题有帮助
ax
s
in
2
a
x dxdy
Em2 axb
2ZTE10
a sin 2
0
a
x dx ab
2ZTE10
Em2 ax
§2-3 矩形波导管中电磁波的传输特性——三、矩形波导管中电磁波的传输特性
▪ 功率容量Pbr:波导能够传输(承受)的最大允许功率(极限功率)
Emax Ey xa / 2 Ebr
a 0.7
b 0.4 ~ 0.5a
▪ 使用的波导已标准化:可根据需要选用
§2-3 矩形波导管中电磁波的传输特性——
四、矩形波导管的管壁电流
▪ 导行波在金属波导内壁表面上将感应出高频电流,称为管壁电流。
▪ 管壁电流如何分布?
假定内表面是理想导体, ▪ Js表示内表面上的表面电流密度矢量 ▪ H表示内表面处切线方向的磁场强度 ▪ an表示内表面法线方向的单位矢量
矩形波导的设计讲解
矩形波导的设计讲解矩形波导是一种常用的传输电磁波的结构,广泛应用于微波和毫米波技术领域。
它具有低损耗、宽带特性和良好的屏蔽效果等优点,因此在通信、雷达、天线等系统中得到了广泛的应用。
本文将从矩形波导的结构特点、电磁波传输特性以及设计步骤等方面对矩形波导的设计进行详细讲解。
首先,矩形波导的结构特点是由金属电磁波传输通道组成的。
其截面形状为矩形,通常由四个金属壁构成。
矩形波导的尺寸通常与工作频率密切相关,较低的频率需要较大的波导尺寸,而较高的频率则需要较小的波导尺寸。
此外,矩形波导的截面形状也可以是正方形或其他多边形,但矩形波导的使用最为广泛。
其次,矩形波导的电磁波传输特性主要取决于波导的尺寸和工作频率。
波导的尺寸会影响波导的模式,波导模式决定了波导中电磁波的传输方式。
常见的波导模式有TE模式和TM模式,其中TE模式是指电场垂直于截面平面,而TM模式是指磁场垂直于截面平面。
波导的工作频率会决定波导中传播的波长,从而影响波导中电磁波的传播特性。
1.确定工作频率:根据系统的要求和应用场景确定波导的工作频率范围。
2.计算波长和波导尺寸:根据工作频率,计算电磁波在波导中的波长,然后根据波导的模式和波导的截面形状,选择适当的波导尺寸。
3.确定材料和金属壁厚度:根据波导的工作频率和损耗要求,选择适当的材料和金属壁厚度。
常用的波导材料有铜、铝、不锈钢等。
4.设计耦合结构:根据系统的要求,设计波导的耦合结构,用于与其他系统的连接。
常见的耦合结构有同轴耦合和波导口耦合等。
5.进行电磁场仿真:利用电磁场仿真软件,对波导的特性进行仿真模拟,验证设计的合理性和性能。
常用的电磁场仿真软件有CST、HFSS等。
6.制作和测试样品:根据设计图纸,制作波导样品,并通过实验和测试对波导进行性能验证。
总结起来,矩形波导的设计主要包括确定工作频率、计算波长和波导尺寸、选择材料和金属壁厚度、设计耦合结构、进行电磁场仿真以及制作和测试样品等步骤。
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。
矩形波导中电磁波的传播模式
矩形波导中电磁波的传播模式[摘要] 人类进入21世纪的信息时代,电子与信息科学技术在飞速发展,要求人们制造各种高科技的仪器。
在电磁学领域,能约束或引导电磁波能量定向传输的传输线或装置是导波系统。
.矩形波导适用于频率较高的频段,但当频率足够高的时候,可以使多个波导模式同时工作, 所以我们有必要对波导中的电磁波传播模式参数进行研究关键词:矩形波导 TM 波 TE 波矩形波导由良导体制作而成,一般为了提高导电性能和抗腐蚀性能,在波导内壁镀上一层高电导率的金或银,它是最常见的波导,许多波导元件都是由矩形波导构成的。
为了简化分析,在讨论中我们将波导的良导电体壁近似为理想导电壁。
由前面的讨论我们知道,矩形波导中不能传输TEM 波,只能传输TE 波和TM 波。
设矩形波导宽为a,高为b,(a>b )沿Z 轴放置,如图(1)所示。
下面分别求解矩形波导中传输的TE 波和TM 波。
1TM 波对于TM 波,z z E H ,0=可以表示为;z jk z z e y x E z y x E -=),(),,(0 (1)式中),(0y x E 满足齐次亥姆霍兹方程,故有0),(),(0202=+∇y x E k y x E c (2) 采用分离变量法解此方程,在直角坐标系中,令)()(),(0y Y x X y x E = (3)0)()(2''=+x X k x X x 将(3)式代入(2)式中,并在等式两边同除以)()(y Y x X 得:0)()()()(2''''=++c k y Y y Y x X x X (4) 上式中第一项仅是X 的函数,第二项仅是Y 的函数,第三项是与X 、Y 无关的常数,要使上式对任何X 、Y 都成立,第一和第二项也应分别是常数,记为:2''2'')()()()(y xk y Y y Y k x X x X -=-=这样就得到两个常微分议程和3个常数所满足的方程:(5) 0)()(2''=+y Y k y Y y(6)222y x c k k k += (7)常微分方程(5)和(6)的通解为)sin()cos()(21x k C x k C x Y x x += (8) )sin()cos()(43y k C y k C y Y y y += (9)将(8)式和(9)式代入(3)式,再代入(1)式,就得到z E 的通解为[][]z jk y y x x z z e y k C y k C x k C x k C z y x E -++=)sin()cos()sin()cos(),,(4321 由矩形波导理想导电壁的边界条件0=E ,确定上式中的几个常数,在4个理想导电壁上,z E 是切向分量,因此有:(1) 在0=X 的波导壁上,由0),,0(==z y x E z 得01=C ; (2) 在0=Y 的波导壁上,由0),0,(==z y x E z 得03=C ;(3) 在a X =的波导壁上,要使0),,(==z y a x E z 有0)sin(=a k x ,从而必须有πm a k x =,其中 3,2.,1=m 为整数,由此得am k x π=(10) (4)在b X =的波导壁上,要使0),,(==z b y x E z 有,0)sin(=b k y 从而必定有πn b k y =,其中 3,2.,1=n 也为整数,由此得bn k y π= (11)将以上利用边界条件求出的常数代入后,波导中TM 波的电场纵向分量为)sin()sin(),,(0bn a m E z y x E z ππ= (12)420C C E =,由电磁波源确定。
第2-5章 矩形波导
Ey Ez Hx
m 1 n 1
j n mx ny j (t z ) E mn sin cos e 2 a b kc b mx ny j (t z ) E mn sin sin e a b j n mx ny j (t z ) E mn sin cos e 2 b a b kc j m mx ny j (t z ) E mn cos sin e 2 a a b kc
如为虚数,令j=a, 则有 EZ=E0Ze-az为衰减波,在波导中为:
2 v c kc f c
2
m / a n / b
2
2
2
则可得截止频率为:
fc v 1 1 m n m n c 2 2 a b 2 a b kc
代入纵横关系式,可得传输型TE模场分量(P52):
Ex Ey
m 0 n 0
j n mx ny j (t z ) H mn cos sin e 2 b a b kc
j m mx ny j (t z ) H mn sin cos e 2 a a b kc m 0 n 0
式中
k
2 c
k
2
2
由于波导中不存在TEM波,故只有TE波和TM波。
1)TE模
E z 0, H z 0
磁场的纵向分量应满足本征值方程:
2 抖H 0 z + 2 抖 x 2
H0z + kc2 H 0 z = 0 y2
对于 H 0 z ( x, y ) 应用分离变量法求解:
H 0 z ( x, y ) X ( x)Y ( y )
TEM波、TE波TM波,矩形波导的传播特性(中文)
H (x, y, z) H0 (x, y) e jkzz
且满足下列矢量亥姆霍兹方程
2 E
x
2
2E y 2
2E z 2
k
2
E
0
2H x 2
2H 2H k 2H 0 y 2 z 2
上式包含了 Ex ,及E y , Ez 6H个x , H直y ,角H z坐标分量,分 别满足齐次标量亥姆霍兹方程。
电磁 屏 蔽
差
好
差
差
好
好
差
使用波段
> 3m > 10cm 厘米波 厘米波 厘米波、毫米波 厘米波、毫米波 光波
根据导波系统横截面的形状选取直角坐标系
或者圆柱坐标系,且令其沿 z 轴放置,传播方向 为正 z 方向。
以直角坐标系为例,则电场与磁场可以分别
表示为
E(x,
y,
z)
E0
(x,
y)
e
jkz z
E0
k2 c
nπ
b
sinmaπ
x
cos
nπ b
y e jkz z
Hy
j
E0
kc2
mπ a
cos
mπ a
x
sin
nπ b
y e jkzz
Ez Ex
� Ey0jsekinkz Ejc2k���z0z mmaaπ��ππ�cboxs����smianπ�x
n sin
nπ b
y e jkzz
Ey
j
kz E0 kc2
nbπ
sin
mπ a
x
cos
nπ b
y e jkzz
Hx
j
矩形波导的传输特性
所以H的通解为:
Hz = (A sin kxx + B cos kxx)(C sin ^y + D cos kyy)
其中:系数A、B、C和D ,及kx、ky由边界条件来确定。
边界条件:在波导壁上,电场强度的切线分量为零。
已知:
E= 4 -浴
称 为矩形波导中的主波型或主模,主模以外的其它模式均称为咼次
模。
工程上,通常要求波导中只传输一种模式,即单模传输这个模
式通常为主模。
模
为了保证单模住模)传输,工作波长应该满足:
壬普壬乍 统 Hx =
y)e
Eo sin( kc b
x )cos( ab
讐怔 壬 l
Eo cos(m x )sin(
y}e-
"
其中:m,n取不同的kc值a就对应a着不同b的模式。
3■矩形波导的传输特性
(1)传播常数
不论是TE还是TM波,传播常数均为:/ = Jk:- k2
; : 由 k=k +k 得到:kc=J^ =(羿) +(写)
横截面的尺寸为a Xb
注意:矩形波导中不能传输TEM波。
2.传输波型及场分量的表达
式
a・TE波 在纵向(z向)只有磁场分量,没有电
场分量,即:
丰 E = 0 H
0
Hz满足的z方程为:z二^ + + k H = 0
62 H A2 H
Ax dy
采用分离变量法求解,设: Hz = X (x)Y (y)
将亿代入方程得:
y\ x
x
0
可得:C = 0
nn
-矩形波导的传播特性
,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。
3. 为了实现TE10 波的单模传输,通常选取:
4. 实际工程中通常选取:
5/27/2020
电磁场理论
15
第截九止频章率由导波行导尺电寸磁和模式决定,因此波导中波的相速度与波导尺寸和模式都有关。
第九章 导行电磁 波
电磁场理论
第9章 导行电磁波 9-2 矩形波导的传输特性
5/27/2020
电磁场与电磁波
1
第九章 导行电磁 波
复习9-1导波系统和电磁波模式(1)
假设电磁波 (坡印廷矢量方向) 沿 +z 方向
TEM波
TE波
TM波
(Transverse ElectroMagne(tTirca)nsverse Electric()Transverse Magnetic)
我们可以定义截止传播常数和截止波长
5/27/2020
电磁场理论
11
第九章 导行电磁 波
1当
以TM波为例来讨论: 时, 为实数, 表示沿正z方向传播的波,
波矢 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。
2当
时, 为虚数,
,表明这种波
是沿着z方向不断衰减的凋落场,不能正常传播。
2. 电磁波的模次越高,截止频率越高,截止波长越短。 根据
m 和 n 的取值,可得 TMmn 波和 TEmn 波的截止频率如下。
对于矩形波导,通常假定 a > b 。
5/27/2020
电磁场理论
13
第先可九从以截实章止现频单导率模行这传一输电方。磁面下来面说我明们这再个从问波题长的,角即度小来于阐最述低这截个止问频题率的。波不能在波导中传输;在处于最小和次小模式之间的频率, 波
《电磁场与微波技术教学课件》2.2 矩形波导
雷达天线
矩形波导可以作为雷达系统的天线, 利用其高方向性和低副瓣特性,提高 雷达的探测精度和距离分辨率。
毫米波雷达
在毫米波雷达中,矩形波导常被用作 发射和接收天线,其宽带宽和低损耗 特性有助于实现高分辨率和高灵敏度 的探测。
测量技术中的应用
微波测量
矩形波导在微波测量技术中常被用作标准测量器件,用于校准和检测微波设备 的性能参数。
100%
军事应用
在二战期间,矩形波导在雷达和 通信系统中得到广泛应用。
80%
技术进步
随着微波技术的不断发展,矩形 波导的性能得到不断提升和优化 。
02
矩形波导的传输特性
传输模式
01
02
03
04
TEM模
在矩形波导中,当工作频率较 低时,只有TM01模可以传输 ,随着频率的升高,会出现 TE11模,TM02模等其他模式 。在某些频率下,可能存在多 个模式同时传输的情况。
矩形波导的应用
雷达系统
矩形波导可用于雷达发射和接收天线,传输高频率 的微波信号。
卫星通信
在卫星通信系统中,矩形波导常用于传输信号,确 保信号的稳定传输。
加热与熔炼
矩形波导的高功率容量使其在工业加热和熔炼中得 到广泛应用。
矩形波导的发展历程
80%
早期研究
20世纪初,科学家开始研究矩形 波导的传输特性。
色散效应
由于色散现象的存在,矩形波导中的信号传输会受到一定的影响。例如,脉冲信号的展宽 、信号畸变等。因此,在设计微波系统时,需要考虑矩形波导的色散效应,以减小其对系 统性能的影响。
பைடு நூலகம் 03
矩形波导的尺寸选择与设计
波导尺寸的选择
01
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2011. 5.21
Review
1. General Wave Behaviors along Uniform Guiding Structures
e ze jt e( jt z) e ze j(t z)
E(x, y, z;t) Re[E0 (x, y)e( jt z) ]
Ez Ez0 (x, y)e z (C1 cos kx x C2 sin kx x)(C3 cos ky y C4 sin ky y)e z
Boundary conditions: aˆn2 (E1 E2 ) 0
E
0 y
Ez0
x0
0
Et0Biblioteka E0 yEx0
Ez0 Ez0
xa y0
0 0
b
,
x a z
the component Ez should first be solved, and from which the other components can be derived.
The z-component of the electric field intensity can be written as
2xyE ( 2 k2 )E 0 and 2xyH ( 2 k2 )H 0
6
X Y h2 XY
The only way the equation can be satisfied is that both terms on the left
side are constants. Now let
X C1 cos kx x C2 sin kx x
Y C3 cos ky y C4 sin ky y
where all the constants C1 , C2 , C3 , C4 , and k x , k y , depend on the boundary conditions.
The z-component of the electric field intensity can be written as
be placed along the x-axis, the narrow side along the y-axis, and the propagating direction be along the z-axis.
For TM waves, Hz = 0 , and according
y
to the method of longitudinal fields,
kx2
X
k
2 x
X
0
2 kx2 0 jkx
X C1 cos kx x C2 sin kx x
7
The two equations are second order ordinary differential equations,
and the general solutions, are respectively
Ex0 Ez0 yb 0
y
b
,
x a z
8
Ez Ez0 (x, y)e z (C1 cos kx x C2 sin kx x)(C3 cos ky y C4 sin ky y)e z
Ez
x0
0 C1
0
Ez
xa
0 kxa
m
kx
m
a
(m 1, 2,3...)
Ez
y0
0 C3
variables is used. Let
Ez0( x,y ) X ( x )Y( y )
We obtain
X Y h2 XY
where X" denotes the second derivative of X with respect to x, and Y" denotes the second derivative of Y with respect to y.
2xyE ( 2 k2 )E 0 and 2xyH ( 2 k2 )H 0
Ex0
1 h2
Ez0 x
j
H z 0 y
Ey0
1 h2
Ez0 y
j
H
0 z
x
H
0 x
1 h2
H z 0 x
j
Ez0 y
H
0 y
1 h2
H z 0 y
j
Ez0 x
2
2xyE ( 2 k2 )E 0
0
Ez
yb
0 kyb n
ky
n
b
(n 1, 2,3...)
Ez Ez0 (x, y)e z
(C1 cos kx x C2 sin kx x)(C3 cos ky y C4 sin ky y)e z
m
C2 C4 sin( a
x) sin( n
b
y)e z
E0
()
ZTE
1
fc f
2
()
3
Main topic
1. Rectangular Waveguides
4
1. Rectangular Waveguides
1.1 TM waves Select the rectangular coordinate system and let the broad side
Ez ( x, y, z ) Ez0( x, y )e z
5
It satisfies the following scalar Helmholtz equation, i.e.
(
2 x2
2 y 2
h2
)Ez0(
x, y
)
0
In order to solve the above equation, the method of separation of
X X
kx2
Y Y
k
2 y
where k x and k y are called the separation constants, and they can be found by using the boundary conditions.
Obviously
h2 kx2 ky2
X X
2 h2 k2
and 2xyH ( 2 k2 )H 0
h2 c2
or
fc
2
h
k
1
fc f
2
(rad/m).
g
2
k
2
2
1
fc f
2
1
fc f
up
u
u
1
fc f
2
1
ug d / d u
1
fc f
2
g
u.
ugup u2.
2
ZTM
1
fc f