第3章 波导传输线理论
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当频率高时，同轴线的内外导体半径 a、b 必须减 少，这就增加了电击穿的危险，容许传输的功率便 受限制。
一般来说， 10cm 时就不能用同轴线了；但这不
是绝对的，当距离短，传输功率小时，同轴线可用
；当要求损耗很小，传输信号的功率大时，10cm
就不可用同轴线了。
平行双导线、同轴线工作频率受限，促使人们寻求 新的传输微波信号的元件，于是波导就诞生了。
波导中为何没有TEM波
原因：若金属波导管中存在TEM波，电力线分 布于波导横截面上，则它必为闭合的磁力线包围； 磁力线正交于电场，必有磁场强度H的纵向分量Hz 如图所示。
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
采用“场”分析方法，研究波导中导行电磁波场的分布规 律和传播规律，实质上就是求解满足波导内壁边界条件的 麦克斯韦方程
3.1.3波导在微波天馈线系统中的应用
微波馈线是微波天线和微波收发信机之间的传媒媒介，它的质 量如何，直接影响所传微波信号的质量。
在波导中传播的电磁波，其电磁场分布有许多形式，总共分为 两类：第一类为横波，记为TE波（或磁波记做H波），第二类 为横磁波，记为TM波（或电波记做E波），在实际工作中大 多数是采用单模情况，单模传输可以通过选择波导尺寸来实现 。因为波导尺寸决定了截止频率的大小，选择波导尺寸大小， 是它只能让最低模式、即TE10波通过，而对其它高阶模式起 截止作用，这样就可以实现单模传输。
17
3.2 波导传输线的常用分析方法及一般特性
双线传输线理论讨论沿双线传输线传输的TEM波，而 在金属波导中不存在TEM波。
金属波导可传输Ez≠0,Hz=0的TM波及Ez=0,Hz≠0的TE 波。
传输线方程的局限性：单根导线、空心金属管、光纤等 无法用电路方法解决。
电磁场理论的有效性：任何电器问题都可以用麦氏方程 表示。
在高功率容量在线测量系统的研制过程中，已经建立了一 套在线测量系统的设计规范，完善了相应的标定系统和考 核方法。在此基础上，建立了不同频段的在线测量装置。 同时，针对可调谐HPM 源的需求，目前已经研制了具有 大带宽的圆波导耦合器，其耦合度在9.2～10.2 GHz 带 宽范围内变化小于± 0.1 dB；针对大尺寸过模波导输出 的HPM源，研制了高功率选模定向耦合器。这些耦合器 构建的在线测量系统在HPM 源的研制中正发挥着重要作
3.1.5常用波导的电参数
矩形波导和圆波导的电参数表如表3-1和表3-2所示：
表3-1 国内矩形波导电参数表
3.1.5常用波导的电参数
矩形波导和圆波导的电参数表如表3-1和表3-2所示：
表3-2 国内圆波导电参数表
内容提要
波导传输线及应用
波导传输线的常用分析方法及一般特性
矩形波导及其传输特性 圆波导及其传输特性
波导是由空心金属管构成的导体，根据其截面形 状不同，可以分为矩形波导、圆波导、脊形波导和 椭圆波导等，如图3-1所示 。
图3-1 金属波导传输线结构
用波导传输电磁能具有以下优点：
（1）辐射小。所传输的电磁能被屏蔽在金属管内，其 辐射极微小。
（2）可传大功率微波信号。因为没有内导体，提高了 传输的功率容量，减少了热耗。
3.1.4波导滤波器的应用
微波电路中的滤波器一般采用波导滤波器。波导滤波器
由于其具有高Q值、低损耗及功率容量大等的优点而被广泛应
用在微波及毫米波系统中。采用传统的感性元件，如金属杆、
横向金属条带和横向膜片等结构来实现的波导滤波器，由于其
结构复杂，因此很难做到低成本大批量生产。为了克服这些问
题，很多系统采用了微带电路结构的滤波器，但是微带滤波器
同轴线可用于较高频率，因为电磁场被屏蔽在内外导体之间 ，没有辐射损耗。同轴线可用在分米波及厘米波波段。当频 率更高时，同轴线存在以下问题：
1.损耗大。由于内外导体是靠介质支撑的，有介质损耗，频 率很高时，介质损耗会很大，集肤效应使得金属的热效应急 剧增加。
2.为了保证同轴线传输横电磁波（TEM波），必须满足条件
将会带来较大的插入损耗等缺点，尤其在较高的频带。
Hale Waihona Puke Baidu
图3-3 加载超材料的E面波导滤波器
3.1.3波导在微波天馈线系统中的应用
最新研究成果：O. Glubokov 和 D. Budimir 采用在谐振和 非谐振节点间提取广义耦合系数的技术，研究并只做了一个带 有四分之一波长谐振器的三阶E 面带通滤波器该带通滤波器具 有广义切比雪夫响应，中心频率为9.45GHz，带宽为 300MHz。利用谐振节点可产生任意频点的零点特性，在其 阻带上产生了三个零点，因此其带外抑制较好。图3-8(a)所示 为其实物，仿真及测试结果对比如图3-8(b)所示：
第3章 波导传输线理论
1
内容提要
波导传输线及应用
波导传输线的常用分析方法及一般特性 矩形波导及其传输特性 圆波导及其传输特性
2
3.1 波导传输线及应用
3.1.1波导传输线
一．辐射大 平行双导线传输线敞露在空间，当频率高时，将有用电磁能向 外辐射形成辐射损耗。频率越高，辐射损耗越大。 二．集肤效应大 频率越高，信号电流就越趋向于导体表面，使电流流过的有效 面积越小，金属中的热损耗就越大。 三．介质损耗大 平行双导线较长时要用绝缘介质或金属绝缘子（即四分之一波 长短路线）作支架以固定导线，当频率很高时，介质损耗或金 属绝缘子的热损耗也很大。 随着频率的升高，辐射损耗急剧增加，介质损耗和热损耗也有 所增加，但没有辐射损耗严重。由于以上现象，平行双导线只 能用于米波及其以上波长范围。
（3）损耗小。一般波导内填充的是干燥的空气，因此 介质损耗很小。
（4）结构简单，均匀性好。
3.1.2圆波导定向耦合器在高功率微波测 量中的应用
基于多孔耦合技术的圆波导耦合器，在微波取样处具有较 低的电场强度，因此可以显著提高在线测量系统的功率容 量。对X波段在线测量系统的标定、大功率考核、高功率 比对以及高功率微波实验表明，该在线测量系统测量结果 稳定可靠，可以应用于HPM 源功率测量和状态监测。
当频率高时，同轴线的内外导体半径 a、b 必须减 少，这就增加了电击穿的危险，容许传输的功率便 受限制。
一般来说， 10cm 时就不能用同轴线了；但这不
是绝对的，当距离短，传输功率小时，同轴线可用
；当要求损耗很小，传输信号的功率大时，10cm
就不可用同轴线了。
平行双导线、同轴线工作频率受限，促使人们寻求 新的传输微波信号的元件，于是波导就诞生了。
波导中为何没有TEM波
原因：若金属波导管中存在TEM波，电力线分 布于波导横截面上，则它必为闭合的磁力线包围； 磁力线正交于电场，必有磁场强度H的纵向分量Hz 如图所示。
3.2.1 波导传输线的常用分析方法
采用“场”分析方法，研究波导中导行电磁波场的分布规 律和传播规律，实质上就是求解满足波导内壁边界条件的 麦克斯韦方程
3.1.3波导在微波天馈线系统中的应用
微波馈线是微波天线和微波收发信机之间的传媒媒介，它的质 量如何，直接影响所传微波信号的质量。
在波导中传播的电磁波，其电磁场分布有许多形式，总共分为 两类：第一类为横波，记为TE波（或磁波记做H波），第二类 为横磁波，记为TM波（或电波记做E波），在实际工作中大 多数是采用单模情况，单模传输可以通过选择波导尺寸来实现 。因为波导尺寸决定了截止频率的大小，选择波导尺寸大小， 是它只能让最低模式、即TE10波通过，而对其它高阶模式起 截止作用，这样就可以实现单模传输。
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3.2 波导传输线的常用分析方法及一般特性
双线传输线理论讨论沿双线传输线传输的TEM波，而 在金属波导中不存在TEM波。
金属波导可传输Ez≠0,Hz=0的TM波及Ez=0,Hz≠0的TE 波。
传输线方程的局限性：单根导线、空心金属管、光纤等 无法用电路方法解决。
电磁场理论的有效性：任何电器问题都可以用麦氏方程 表示。
在高功率容量在线测量系统的研制过程中，已经建立了一 套在线测量系统的设计规范，完善了相应的标定系统和考 核方法。在此基础上，建立了不同频段的在线测量装置。 同时，针对可调谐HPM 源的需求，目前已经研制了具有 大带宽的圆波导耦合器，其耦合度在9.2～10.2 GHz 带 宽范围内变化小于± 0.1 dB；针对大尺寸过模波导输出 的HPM源，研制了高功率选模定向耦合器。这些耦合器 构建的在线测量系统在HPM 源的研制中正发挥着重要作
3.1.5常用波导的电参数
矩形波导和圆波导的电参数表如表3-1和表3-2所示：
表3-1 国内矩形波导电参数表
3.1.5常用波导的电参数
矩形波导和圆波导的电参数表如表3-1和表3-2所示：
表3-2 国内圆波导电参数表
内容提要
波导传输线及应用
波导传输线的常用分析方法及一般特性
矩形波导及其传输特性 圆波导及其传输特性
波导是由空心金属管构成的导体，根据其截面形 状不同，可以分为矩形波导、圆波导、脊形波导和 椭圆波导等，如图3-1所示 。
图3-1 金属波导传输线结构
用波导传输电磁能具有以下优点：
（1）辐射小。所传输的电磁能被屏蔽在金属管内，其 辐射极微小。
（2）可传大功率微波信号。因为没有内导体，提高了 传输的功率容量，减少了热耗。
3.1.4波导滤波器的应用
微波电路中的滤波器一般采用波导滤波器。波导滤波器
由于其具有高Q值、低损耗及功率容量大等的优点而被广泛应
用在微波及毫米波系统中。采用传统的感性元件，如金属杆、
横向金属条带和横向膜片等结构来实现的波导滤波器，由于其
结构复杂，因此很难做到低成本大批量生产。为了克服这些问
题，很多系统采用了微带电路结构的滤波器，但是微带滤波器
同轴线可用于较高频率，因为电磁场被屏蔽在内外导体之间 ，没有辐射损耗。同轴线可用在分米波及厘米波波段。当频 率更高时，同轴线存在以下问题：
1.损耗大。由于内外导体是靠介质支撑的，有介质损耗，频 率很高时，介质损耗会很大，集肤效应使得金属的热效应急 剧增加。
2.为了保证同轴线传输横电磁波（TEM波），必须满足条件
将会带来较大的插入损耗等缺点，尤其在较高的频带。
Hale Waihona Puke Baidu
图3-3 加载超材料的E面波导滤波器
3.1.3波导在微波天馈线系统中的应用
最新研究成果：O. Glubokov 和 D. Budimir 采用在谐振和 非谐振节点间提取广义耦合系数的技术，研究并只做了一个带 有四分之一波长谐振器的三阶E 面带通滤波器该带通滤波器具 有广义切比雪夫响应，中心频率为9.45GHz，带宽为 300MHz。利用谐振节点可产生任意频点的零点特性，在其 阻带上产生了三个零点，因此其带外抑制较好。图3-8(a)所示 为其实物，仿真及测试结果对比如图3-8(b)所示：
第3章 波导传输线理论
1
内容提要
波导传输线及应用
波导传输线的常用分析方法及一般特性 矩形波导及其传输特性 圆波导及其传输特性
2
3.1 波导传输线及应用
3.1.1波导传输线
一．辐射大 平行双导线传输线敞露在空间，当频率高时，将有用电磁能向 外辐射形成辐射损耗。频率越高，辐射损耗越大。 二．集肤效应大 频率越高，信号电流就越趋向于导体表面，使电流流过的有效 面积越小，金属中的热损耗就越大。 三．介质损耗大 平行双导线较长时要用绝缘介质或金属绝缘子（即四分之一波 长短路线）作支架以固定导线，当频率很高时，介质损耗或金 属绝缘子的热损耗也很大。 随着频率的升高，辐射损耗急剧增加，介质损耗和热损耗也有 所增加，但没有辐射损耗严重。由于以上现象，平行双导线只 能用于米波及其以上波长范围。
（3）损耗小。一般波导内填充的是干燥的空气，因此 介质损耗很小。
（4）结构简单，均匀性好。
3.1.2圆波导定向耦合器在高功率微波测 量中的应用
基于多孔耦合技术的圆波导耦合器，在微波取样处具有较 低的电场强度，因此可以显著提高在线测量系统的功率容 量。对X波段在线测量系统的标定、大功率考核、高功率 比对以及高功率微波实验表明，该在线测量系统测量结果 稳定可靠，可以应用于HPM 源功率测量和状态监测。