金属波导壁电流分布及应用

⑴、电场分布
- jwma px H 10 sin e p a jb a p x - jb z Hx = H 10 sin e p a p x - jb z H z = H 10 cos e a E x = Ez = H y = 0 Ey =
x
a
jb z
Ey与x轴有关，且Ey与 sin
成正比；如图，沿宽边a电
矩 形 波 导 的 主 模
什么叫波导的主模
波导的主模是波导中截止频率最低的模 式，可以在波导中单独存在，作为单模传输 。高于主模的其他模式，统称为高次模。
矩形波导中的主模是TE10模
将 m=1 n=0 代入传输特性公式，可得主模传输特性。
Ey ja H 10 sin
x
主 模 传 输 特 性
管壁电流的求解
利用理想导体的边界条件：
Js=n×Hr
表面电 流密度
内壁面法相 单位矢量
内表面切向方 向的磁场
因此，只要知道波导表面切向磁场的分布，就可得出管壁 电流分布。 由TE10模的磁场表达式（省去传播因子），有:
H
H
Z


H

0
COS (
Hale Waihona Puke Baidu
x
a
)
)
j a
x
H 0 sin(
x
a
壁电流分布
窄壁面 在X=0的侧壁上
b
0 a
在X=a的侧壁上
结论：电流只有Y分量，且在x=0和x=a侧管 壁电流相等，电流密度为常数。
（1）在y=0的下壁面上
b
法向为y+轴方向，切向磁 场分量有Hx和Hz,其中，
与Hx对应的Js为:
0 a
宽壁面
与Hz对应的Js为:
（1）在y=b的上壁面上
宽壁上面
b
法向为-y轴方向，切向磁 场分量有Hx和Hz,其中，
位移电流：
J d j E
位移电流分布与电场分布相似,仅是 时间相位上位移电流超前电场π/2,因 此只要把电场图形向z方向移动λp/4, 便得到位移电流
电场力线图
位移电流：
J d j E
由位移电流公式可知，当电场强度最大时位移电流达到最大值。即， x=a/2波导宽壁中央位置时Ey振幅最大，也即位移电流取得最大位
Hx在波导宽边上为正弦分布，而Hz在波导宽边上为余弦 分布；
TE10模式下电磁场的结构图
二、壁电流
1、定义：当波导内传输电磁波时，波
导内壁上将会感应高频电流，称为壁电 流。
2、研究管壁电流的意义 管壁电流与场结构密切相关， 场结构决定管壁电流的分布，反过 来，管壁电流也决定场结构的分布。 对于波导的激励、波导参数的测量 以及波导器件的设计都需要了解和 理由管壁电流的分布。
置处。
三、壁电流特性在实际工程中的应用
★开槽问题
若窄缝是沿电流取向，它将不会影响或极少影响场强 的分布；
若窄缝切断了管壁电流，则场型将被扰乱，其结果 将会引起辐射和管内波的反射等现象。
因为矩形波导中的主模为 TE10 模,而由 TE10 的 管壁电流分布可知,在波导宽边中线处只有纵向电流.因 此沿波导宽边的中线开槽不会因切断管壁电流而影响波 导内的场分布,也不会引起波导内电磁波由开槽口向外 辐射能量
B
波导裂缝天线开槽原理 在波导宽壁上偏离中心轴线且平行于该轴线开 一系列窄缝隙，每一槽缝构成该天线阵的一个 阵元，若同侧两相邻缝相距λp、对面两相邻 缝相距λp/2，由TE10模壁电流的分布规律知。 每一个阵元上壁电流方向相同，故构成相辐射 而在空间叠加。
B A
波导裂缝天线开槽原理
二、非辐射性槽的应用
- jwma px H 10 sin e p a jb a p x - jb z H 10 sin e p a p x - jb z H 10 cos e a Ez = H y = 0
jb z
磁场有Hx和Hz两个分量 平行于波导宽边的xz平面内，磁力线是闭合曲线。同样， 磁场与y无关（在y方向场不变）；
a j a x jz Hx H 10 sin e a x jz
H z H 10 cos a E x Ez H y 0 e
e j z
由上式可以看出，矩形波导中，TE10波沿Z方向 为行波，沿X方向为驻波，Hz沿x方向按余弦分布，Hx、 Ey沿x方向按正弦分布，Hx 、Ey、Hz的振幅均与y无 关。
场按正弦律变化。在x=0和x=a处，电场Ey为零；在x=a/2
即整个场型沿z 轴传播。
其电场只有Ey分量，电力线是些平行于y轴 的电力线； 其幅度不随y变化（与y无关），故沿b边电 场无变化。
处，电场Ey为最大；为一个半驻波分布；波沿+z方向传播，
⑵、磁场的分布
Ey = Hx = Hz = Ex =
与Hx对应的Js为:
0 a
与Hz对应的Js为:
结论：在y=0和y=b的管壁电流相反。
壁中央电流分布
在波导宽边中央，TE10模的管壁电流只有沿z方向的电流分量。
壁电流分布图
★ 管壁电流的连续性
• 在宽壁上管壁电流有中断现象 ,似乎电 流不连续； • 实际上除了波导壁上有壁电流以外 , 在 波导内还存在位移电流。位移电流与 壁电流组成了闭合的电流线。
微波技术与天线
———壁电流
通信一班 2组
一、矩形金属波导
讨 论 内 容
二、矩形金属波导在主模TE10 模下电磁场和壁电流分布
三、矩形金属波导壁电流特性在 实践中的应用
实物图片
矩 形 金 属 波 导
一、矩形金属波导
定义：通常将由金属材料制成的、矩形 截面的、内充空气介质的规则金属波导 的统称。
优点：结构简单，机械强度大，其封闭 的结构可以避免外界干扰和辐射损耗， 又因为它无内导体，所以导体损耗低， 功率容量大。目前的大功率的微波系统 中常采用矩形波导作为传输线和构成微 波元器件。
• 当仅需了解波导内的工作情况且不影响其 场分布，应在不切断壁电流的位置上开槽 。
不 切 断 壁 电 流
开 槽
非 辐 射 性 槽
不 辐 射 电 磁 波
谢谢观看！
辐射性槽
非辐射性槽
1、辐射性槽的应用
• 在利用波导作为微波天线或解决某些激励 耦合问题时需要在波导壁上开槽缝，目的 为了让高频能量从波导中适量辐射出去。
开 槽
切 断 壁 电 流
辐 射 性 槽
辐 射 电 磁 波
如图，缝隙B切断了壁电流线，迫使缝边缘电流改道绕行， 而大部分壁电流以位移电流的形式穿越槽缝流通，这意味着 存在横跨缝隙的强电场， 它与平行于槽缝的场一起构成了指 向波导外测的坡印亭矢量，引起电磁波向外辐射。