微波的波导传输与检测

波导理论

半导体激光器设计理论II. 半导体激光模式理论 北京大学物理系郭长志（7 Sept. 2006, LT-II-1A.doc） 半导体激光器中，为了实现激射(振荡)，必须利用波导腔中的谐振现象；而为了降低阈值，实现室温连续激射，则必 光场集中在波导腔内；为了使辐 射出去的光场能量集中和稳定， 还必须使波导腔的结构能够保证 半导体激光器(图1.1)从同质结构 到异质结构，从低温脉冲激射到 室温连续激射,激射波长从0.9 左右的近红外到可见光和远红外 的发展,一方面是依靠新材料和新 工艺的探索，另一方面是依靠对 激射过程，特别是对波导结构及 其传播模式的研究才取得的。 半导体波导是利用以半导体材料为主的不同材料和注入非平衡载流子等的光学性质，按一定的几何分布组成的有利于光场集中并定向传播的结构。定向传播的波导轴线，可以是笔直的，也可以是弯曲的。在一定的波导结构中，只允许一定的偏振性、一定的场强空间分布、一定几何形状的波阵面(等相面）、一定的频谱的电磁波在其中传播，因而辐射出去的光场也具有一定的光束结构和频谱结构。也就是说，一定的波导结构确定一定的内外传播模式。从光在传播过程中所应遵从的麦克斯韦方程组及由其导出的波动方程和波导方程，结合实际的材料电磁性质分布和边界条件，可以从理论上定量地推知波导结构及其传播模式之间的内在联系。这方面的分析工作是理论认识和工程设计的重要依据。 半导体激光器的波导模式理论，在很大程度上继承了微波理论的成果，同时也赋予了新的光学处理。因此，在讨论半导体激光器的波导模式问题时，既可以从求解一定介质分布和边界条件的波导方程入手，也可以从分析波导腔内光的反射、折射、干涉和衍射现象入手。因为这两者在实质上是等价的，所以应该得出完全相同的结果。前者的方法是系统的，后者则较为直观。下面将以电磁波理论为主，导出主要结果：而以唯象光学作为补充，讨论结果的物理(光学)含义。 半导体激光器的波导模式理论与集成光学理论有若干共同的内容。然而，前者主要讨论有源介质波导的模式结构、选模机制和模式机制和模式稳定性等问题，其光源就在波导腔内；后者则着重讨论无源介质波导模式的饋入、饋出、耦合、转换、调制等问题[1]~[4]。

11微波技术复习(答案史密斯圆图版)

微波技术与天线复习提纲（2011级） 一、思考题 1. 什么是微波？微波有什么特点？ 答：微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，频率围从300MHZ到3000GHZ，波长从0.1mm到1m； 微波的特点：似光性、穿透性、宽频带特性、热效应特性、散射特性、抗低频干扰特性、视距传播性、分布参数的不确定性、电磁兼容和电磁环境污染。 2. 试解释一下长线的物理概念，说明以长线为基础的传输线理论的主要物理现 象有哪些？一般是采用哪些物理量来描述？ 答：长线是指传输线的几何长度与工作波长相比拟的的传输线； 以长线为基础的物理现象：传输线的反射和衰落； 主要描述的物理量有：输入阻抗、反射系数、传输系数和驻波系数。 3. 均匀传输线如何建立等效电路，等效电路中各个等效元件如何定义？ 4. 均匀传输线方程通解的含义 5. 如何求得传输线方程的解？

6. 试解释传输线的工作特性参数（特性阻抗、传播常数、相速和波长） 答：传输线的工作特性参数主要有特征阻抗Z 0，传输常数，相速及波长。 1)特征阻抗即传输线上入射波电压与入射波电流的比值或反射波电压与反射波 电流比值的负值，其表达式为0Z = 它仅由自身的分布参数决定而与负载及信号源无关； 2）传输常数j γαβ=+是描述传输线上导行波的衰减和相移的参数，其中，α和β 分别称为衰减常数和相移常数，其一般的表达式为γ3)传输线上电压、电流入射波（或反射波）的等相位面沿传播方向传播的速度称为相速，即； 4）传输线上电磁波的波长λ与自由空间波长0λ 的关系2πλβ= =。 7. 传输线状态参量输入阻抗、反射系数、驻波比是如何定义的，有何特点，并 分析三者之间的关系 答：输入阻抗：传输线上任一点的阻抗Z i n 定义为该点的电压和电流之比， 与导波系统的状态特性无关，10001tan ()tan in Z jZ z Z z Z Z jZ z ββ+=+ 反射系数：传输线上任意一点反射波电压与入射波电压的比值称为传输线在该点的反射系数，对于无耗传输线，它的表达式为2(2)10110 ()||j z j z Z Z z e Z Z βφβ---Γ==Γ+ 驻波比：传输线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅的比值为电压驻波比，也称为驻波系数。 反射系数与输入阻抗的关系：当传输线的特性阻抗一定时，输入阻抗与反射系数一一对应，因此，输入阻抗可通过反射系数的测量来确定；当10Z Z =时，1Γ=0，此时传输线上任一点的反射系数都等于0，称之为负载匹配。 驻波比与反射系数的关系：111||1|| ρ+Γ=-Γ，驻波比的取值围是1ρ≤<∞；当传输线上无反射时，驻波比为1，当传输线全反射时，驻波比趋于无穷大。显然，驻波比反映了传输线上驻波的程度，即驻波比越大，传输线的驻波就越严重。 8. 均匀传输线输入阻抗的特性，与哪些参数有关？

电磁场理论与微波技术复习提纲

电磁场理论与微波技术复习提纲 一、总体要求 通过本课程的学习，建立起电磁场与电磁波的基本思想，掌握电磁场与微波技术的基本概念、基本原理、基本分析方法，对波导理论有比较完整的理解，了解电磁场与微波技术的最新发展和应用。 “电磁场理论与微波技术”由“电磁场与电磁波基本理论”和“微波技术基础”两部分构成。第一部分“电磁场理论”所占比例约为：55% 第二部分“微波技术基础”所占比例约为：45% “电磁场与电磁波基本理论”部分重点考查内容为： 基本概念和理论 静电场 恒定电场 麦克斯韦方程组 平面电磁波 “微波技术基础”部分考查内容为： 基本概念和理论 传输线理论 波导理论 微波网络基础 二、考试形式与试卷结构 1、试题分为选择题（20%）、填空题（20%）、名词解释题（8%）、简答题（10%）、计算题（42%）。试卷总分100分。 2、考试形式为闭卷考试 3、考试时间：120分钟 名词解释： 1、坡印廷矢量和平均坡印廷矢量 2、电位移矢量 3、主模 4、色散

5、体电荷分布、面电荷分布、线电荷分布、体电流分布、面电流分布、线电流分布 6、电偶极子 7、直线极化、左右旋圆极化、椭圆极化 8、趋肤效应 9、均匀平面波、TEM模、TE模、TM模 10、全反射和全透射 11、波导 12、基本振子和对称振子 13、简并现象 14、微波 简答题： 1、如何判断长线和短线？ 2、何谓分布参数电路？何谓集总参数电路？ 3、何谓色散传输线？对色散传输线和非色散传输线各举一个例子。 4、均匀无耗长线有几种工作状态？特点？条件是什么？ 5、说明二端口网络几种参量的物理意义？ 6、发生全反射和全透射的条件 7、分析微波网络的方法 8、写出常见的微波元件9、分析天线的方法10、写出常见的天线 11、用哪些参数可以描述天线的性能指标，并解释其中的一到两个参数。 12、通量和散度的区别 13、旋度和环流的区别14、负载匹配和电源匹配 计算题： 1、矢量分析 1.1、1. 2、1.4、1.15、1.20 2、无界空间均匀平面波2.45、2.46、3.2、3.14 3、理想介质和良导体为边界的均匀平面波垂直入射3.17、3.22 4、分离变量法2.23，平行导体板（ppt例题） 5、阻抗圆图 6、波导模式和波长等计算5.11、5.12 7、高斯定理和安培环路定理（ppt例题）

波导中微波的模式

波导中微波的模式（TE\TM\TEM） 首先什么是模式，模式就是没有激励源条件下的Maxwell方程的解。 T是transverse 的缩写，本意为“横向”。在模式中特指“与传输方向垂直的方向”。举例，若波导中电磁波传输方向为z方向，则横向为直角坐标系中的x，y 方向；或柱坐标系的\rho，\phi方向。 TE模式表示“所有电场分量均与传输方向垂直”，即“传输方向上没有电场分量”；TM模式同理。TEM模式意义为“电场、磁场分量均与传输方向垂直”。 TEM波就是横波,HxE与k三者相互垂直,其他方向都没有分量，但有的在波传播方向k上有H波或E波,这就产生了所谓的TE波或TM波 沿一定途径(比如说波导)传播的电磁波为导行电磁波。根据麦克斯韦方程,导行电磁波在传播方向上一般是有E和H分量的。 光的传播形态分类:根据传播方向上有无电场分量或磁场分量,可分为如下三类,任何光都可以这三种波的合成形式表示出来。

1、TEM波:在传播方向上没有电场和磁场分量,称为横电磁波。若激光在谐振腔中的传播方向为z方向,那么激光的电场和磁场将没有z方向的分量!实际的激光模式是准TEM模,即允许Ez、Hz分量的存在,但它们必须<<横向分量,因为较大的Ez 意味着波矢方向偏离光轴较大,容易溢出腔外,所以损耗大,难于形成振荡。 2、TE波(即s波):在传播方向上有磁场分量但无电场分量,称为横电波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Ey, Hx, Hz,传播方向为z方向。 3、TM波(即p波):在传播方向上有电场分量而无磁场分量,称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Hy, Ex, Ez,传播方向为z方向。 三者可以这样记忆:横电磁波就是电和磁都是横着的,横电波只有电场是横的,横磁波就只有磁场是横的 而所谓横,就是与电磁波传播方向向量k是垂直的,可以想象一个单簇的光线就是一根直线的水管,在水管横截面上的就是与水流方向垂直的,所谓横,就是这个意思了。 微波工程、电磁场理论等课程中有关于TEM、TE、TM模的更为详细的描述。这里会存在一个疑问:不是说电场和磁场以及传播方向都正交相互垂直吗?那为啥会出现不相互垂直的TE/TM波 原因就在于,在介质中传播特别是折射后,产生了折射,原因在于介质,由于存在非正交分量,其实可能是导致介质损耗的原因所在! 波的振动方向最基本的情况可分两种: 图:振动方向与波的传播方向平行,这种波称为纵波

射频与微波技术原理及应用汇总

射频与微波技术原理及应用培训教材 华东师范大学微波研究所 一、Maxwell(麦克斯韦)方程 Maxwell 方程是经典电磁理论的基本方程，是解决所有电磁问题的基础，它用数学形式概括了宏观电磁场的基本性质。其微分形式为 0 B E t D H J t D B ρ???=- ????=+??=?= (1.1) 对于各向同性介质，有 D E B H J E εμσ=== (1.2) 其中D 为电位移矢量、B 为磁感应强度、J 为电流密度矢量。 电磁场的问题就是通过边界条件求解Maxwell 方程，得到空间任何位置的电场、磁场分布。对于规则边界条件，Maxwell 方程有严格的解析解。但对于任意形状的边界条件，Maxwell 方程只有近似解，此时应采用数值分析方法求解，如矩量法、有限元法、时域有限差分法等等。目前对应这些数值方法，有很多商业的电磁场仿真软件，如Ansoft 公司的Ensemble 和HFSS 、Agilent 公司的Momentum 和ADS 、CST 公司的Microwave Studio 以及Remcom 公司的XFDTD 等。 由矢量亥姆霍兹方程联立Maxwell 方程就得到矢量波动方程。当0,0J ρ==时，有 222200E k E H k H ?+=?+= (1.3) 其中k 为传播波数，22k ωμε=。 二、传输线理论 传输线理论又称一维分布参数电路理论，是射频、微波电路设计和计算的理论基

础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁作用，在微波网络分析中也相当重要。 1、微波等效电路法 低频时是利用路的概念和方法，各点有确切的电压、电流概念，以及明确的电阻、电感、电容等，这是集总参数电路。在集总参数电路中，基本电路参数为L、C、R。由于频率低，波长长，电路尺寸与波长相比很小，电磁场随时间变化而不随长度变化，而且电感、电阻、线间电容和电导的作用都可忽略，因此整个电路的电能仅集中于电容中，磁能集中于电感线圈中，损耗集中于电阻中。 射频和微波频段是利用场的概念和方法，主要考虑场的空间分布，测量参数由电压U、电流I转化为频率f、功率P、驻波系数等，这是分布参数电路。在分布参数电路中，电磁场不仅随时间变化也随空间变化，相位有明显的滞后效应，线上每点电位都不同，处处有储能和损耗。 由于匀直无限长的传输系统在现实中是不存在的，因此工程上常用微波等效电路法。微波等效电路法的特点是：一定条件下“化场为路”。具体内容包括： (1)、将均匀导波系统等效为具有分布参数的均匀传输线； (2)、将不均匀性等效为集总参数微波网络； (3)、确定均匀导波系统与不均匀区的参考面。 2、传输线方程及其解 传输线方程是传输线理论的基本方程，是描述传输线上的电压、电流的变化规律及其相互关系的微分方程。电路理论和传输线之间的关键不同处在于电尺寸。集总参数电路和分布参数电路的分界线可认为是l/λ≥0.05。 以传输TEM模的均匀传输线作为模型，如图1所示。在线上任取线元dz来分析(dz<<λ)，其等效电路如图2所示。终端负载处为坐标起点，向波源方向为正方向。 图1. 均匀传输线模型图2、线元及其等效电路根据等效电路，有

微波波导参数

普通矩形波导D 型法兰盘的尺寸 法兰盘型号FDM 、FDP 14 18 22 26 32 40 48 58 70 IEC 法兰盘型号FDR 、UDR 14 18 22 26 32 40 48 58 70 相配的波导型号 BJ14 BJ18 BJ22 BJ26 BJ32 BJ40BJ48 BJ58 BJ70 图 图22图22图22图22图22图22图23图23图23基本直径A 8.00 8.00 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 6.35 5.00 配合符号 A9 A9 A9 A9 A9 B9 B9 B9 B9 下 +.280 +.280 +.280+.280+.280+.150+.150 +.150 +.140定 位孔偏差 上 +.316 +.316 +.316+.316+.316+.186+.186 +.186 +.170配合符号 A15 A15 A15 A15 A15 B15 B15 B15 B15 下 +.282 +.282 +.282+.282+.282+.150+.150 +.150 +.140孔 的 尺 寸 边 接 孔 偏差 上 +.860 +.860 +.860 +.860 +.860+.730+.730 +.730 +.620a 165.10 129.54109.2286.3672.1458.1747.549 40.386 34.849b 82.55 64.77 54.61 43.18 34.0429.0822.149 20.193 15.799a1 169.16 133.60113.2890.4276.2061.4250.80 43.64 38.10b1 86.61 68.83 58.67 47.24 38.10 32.3325.40 23.44 19.05 p 220.70 185.00161.10138.10114.3098.4 88.9 81.0 68.3 N 138.10 120.00106.4095.3076.2069.9063.50 61.90 49.20x 12.09 12.09 12.0912.0910.0610.0610.06 10.05 10.05y 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Rmax 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5 R1 8 8 8 8 6 6 6 6 4 R2 3.65 3.65 3.65 3.65 2.40 2.40 2.40 2.40 1.80 C 120.600 100.0890.7868.28 65.08 54.3628.58 25.40 22.22D 200.00 165.00141.98119.0697.2282.3071.82 64.66 55.58E 63.46 50.04 47.64 34.0829.3625.4022.22 19.04 15.88F 117.38 100.0887.3876.2059.1453.3446.44 44.46 36.52ΦZ 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.10 0.10 0.10 0.10 基本尺寸 210.7 175.0 151.1128.1106.390.4 80.9 73.0 63.3 G 偏差 ±0.50 ±0.50 ±0.50 ±0.50 ±0.40 ±0.40±0.40 ±0.40 ±0.30

微波技术中的重要知识点

微波的波长(或频率)范围 微波的主要特性 微波的发展和应用 微波的主要特性 渡越时间效应及传播延时效应 导波和导波系统 平行双线的辐射损耗将随着频率f的升高而急剧地升高 ——chap1 边界条件 光滑导体壁构成的导波系统中不可能存在慢波 横电磁波TEM只能存在于多导体导波系统中，如双线、同轴线等这类导波系统中 TE波和TM波可以独立存在于金属柱面波导、圆柱介质波导和无限宽的平板介质波导中 波(EH波或HE波)则存在于一般开波导和非均匀波导，这是由于单独的TE波或TM波不能满足复杂的边界条件，必须二者线性叠加方能有合适的解之故 TEM波只能存在于多导体构成的导波系统中 对于可传播TEM波的导波系统，为获取导波的传输特性，分析思路和具体方法是什么？ 导波的分类 TEM波的特性分析 TE波、TM波的特性分析 ——chap1 3 对于可传播TE或TM波的金属柱面波导，为获取导波的传输特性，分析思路和具体方法是什么？ 在无耗导波系统中，传播波的电能时均值与磁能时均值彼此相等 模式正交性 ——chap1 5 导波系统 导波系统基本功能 传输线的结构和特点其导波是TEM波或准TEM波 导波系统中电磁波在横方向上运动与在纵方向上的运动有何不同？导波的纵向传播特点与导波的横向分布有无关系？为什么？ 场沿z为指数规律分布，截止场的阻抗为纯虚数，TE场阻抗为是感抗，TM场的阻抗是容抗。同轴线 同轴线有两种类型硬同轴线软同轴线 一定尺寸的同轴线，在频率增高时除传播TEM波外还可以传播TE波和TM波，但它们均属于要避免的波型。 精确地绘制场结构图直接根据场分量和它们沿坐标的变化规律作图。 同轴线的磁场结构电流分布图 开槽 顺着电流线方向开一窄槽缝，电流不致遭受破坏，场分布也不致发生变化 若要耦合出电场，可用探针，让探针平行于电力线；若要耦合出磁场，则可用小环，让磁

微波频率及波导波长的测量

微波频率及波导波长的测量 电磁波的分类图 1、微波的性质 微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，它不仅在通讯、原子能技术、空间技术、量子电子学以及农业生产许多方面有着广泛的应用，在科学研究中也是一种重要的观测手段，微波的研究方法和测试设备都与无线电波的不同。从上图中可以看出，微波的频率范围是处于 光波和广播电视所采用的无线电波之间，因此它兼有两者的性质，却又区别于两者。与无线电波相比，微波有下述几个主要特点： (1).波长短(1m —1mm)：具有直线传播的特性，利用这个特点，就能在微波波段制成方向性极好的天线系统，也可以收到地面和宇宙空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，为雷达定位、导航等领域提供了广阔的应用。 (2).频率高：微波的电磁振荡周期(10-9一10-12s)很短，已经和电子管中电子在电极间的 飞越时间(约10-9s)相接近，甚至还小，因此普通电子管不再用在微波器件(振荡器、放大器和检波器)中，必须采用原理完全不同的微波电子管(速调管、磁控管和行波管等)、微波固体器件和量子器件来代替。微波传输线、微波元件和微波测量设备的线度与波长具有相近的数量级，在导体中传播时趋肤效应和辐射变得十分严重，一般无线电元件如电阻，电容，电感等元件都 不再适用，也必须用原理完全不同的微波元件(波导管、波导元件、谐振腔等)来代替。 (3).微波在研究方法上不像无线电那样去研究电路中的电压和电流，而是研究微波系统中的电磁场，以波长、功率、驻波系数等作为基本测量参量。 (4) .量子特性：在微波波段，电磁波每个量子的能量范围大约是10-6?10-3eV，而许多 原子和分子发射和吸收的电磁波的波长也正好处在微波波段内。人们利用这一特点来研究分子 和原子的结构，发展了微波波谱学和量子电子学等尖端学科，并研制了低噪音的量子放大器和准确的分子钟，原子钟。 (5).能穿透电离层：微波可以畅通无阻地穿越地球上空的电离层，为卫星通讯，宇宙通讯和射电天文学的研究和发展提供了广阔的前途。 综上所述微波具有自己的特点，不论在处理问题时运用的概念和方法上，还是在实际应用的微波系统的原理和结构上，都与普通无线电不同。微波实验是近代物理实验的重要组成部分。 2、微波的用途 (1)微波炉 微波炉是一种相当简单的系统，由高功率源、波导馈线和炉腔所成。源一般是工作在2.45GHz 的磁控管，它的输出功率通常在500?1500W之间。炉腔具有金属壁，电气尺寸相对较大，为了减

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（10-6 m ）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10-9~10-13 s ，已经和电子管中电子的飞越时间（10-9 s ）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。 3）能穿透电离层。微波可以畅通无阻地穿过地球周围的电离层，是进行卫星通讯，宇航通讯和射电天文研究的有效手段。 4）量子特性。在微波波段，电磁波每个量子的能量范围约为10-6~10-3ev 。许多原子和分子发射和吸收的电磁波能量正好处于微波波段内，人们正是利用这一特点研究分子和原子结构，发展了微波波谱学、量子电子学等新兴学科，并研制了量子放大器、分子钟和原子钟。 2、常用的微波振荡器 2.1 反射式速调管振荡器 反射式速调管振荡器由反射速调管、稳压电源和高频结构三部分组成，核心部分是反射速调管。 反射速调管的结构如图1所示，它由阴极（灯丝）、反射极和栅极（谐振腔）三部分组成。灯丝（阴极）的作用是发射热电子；谐振腔相对阴极成正电位，用来加速电子，并激励微波振荡；反射极电压可在一定范围（0~-200V ）调节，反射极的作用是与谐振腔形成反射空间，使电子群聚并反射到谐振腔，提供微波功率。实验室所用的速调管型号通常有K-27，

平板波导理论

第一章 平板波导的射线理论 光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于绕射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度不断地衰减。因此，有必要设计制作某种器件，它能够引导光束的传播，从而使光束的能量在横的方向上受到限制，并使损耗和噪声降到最小，这种器件通常称为光波导，简称波导。结构最简单的波导是由三层均匀介质组成的，中间的介质层称为波导层或芯层，芯两侧的介质层称为包层。芯层的介电常数比芯两侧包层的介电常数稍高，使得光束能够集中在芯层中传输，因而起到导波的作用。这种波导的介电常数分布是陡变的，也称为阶梯变化的，常称这种波导为平板波导。 对光波导特性的分析，应用两种理论，即射线光学理论和波动光学理论。射线光学理论的优点是对平板波导的分析过程简单直观，对某些物理概念能给出直观的物理意义，容易理解。缺点是对于结构复杂的多层波导射线光学理论不便于应用，或只能得出粗糙的结果。一般而言，若想全面、正确地分析各种结构的光波导的模式特性，还必须采用波动理论。 光射线，简称射线或光线，可以这样理解：一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。它的方向沿着光能流的方向。光线与光束是不同的，光线是无限细的，光束则有一定的尺寸。光线在均匀介质中的传输轨迹是一条直线，在非均匀介质中的传输轨迹是一条曲直线。用射线去代表光能量传输路线的方法称为射线光学。射线光学是忽略光波长的光学，亦即射线理论是光波长趋于零的波动理论。 本章将应用射线光学的基本理论对三层平板波导加以分析，目的是对波导的导波原理和与之相关的某些物理概念为读者给出直观的物理意义和清晰的理解，并为以后运用波动光学理论分析各种结构光波导的模式特性打好基础。 1.1 模式类型 我们把波导中所能传输的电磁场型称为波导的模式，在平板波导中存在两种基本模

实验三 微波波导波长与频率的测量

实验三微波波导波长与频率的测量、分析和计算 一、实验目的 (1) 熟悉微波测量线的使用； (2) 学会测量微波波导波长和信号源频率； (3) 分析和计算波导波长及微波频率。 二、实验原理 测量线的基本测量原理是基于无耗均匀传输线理论，当终端负载与测量线匹配时测量线内是行波；当终端负载为短路或开路时，传输线上为纯驻波，能量全部反射。根据驻波分布的特性，在波导系统终端短路时，传输系统中会形成纯驻波分布状态，在这种情况下，两个驻波波节点之间的距离即为波导波长的 1/2 ，所以只要测量出两个驻波波节点之间的距离，就可以得到信号源工作频率所对应的波导波长。 方法一：通过测量线上的驻波比，然后换算出反射系数模值，再利用驻波最小点位置 d min 便可得到反射系数的幅角以及微波信号特性、网络特性等。根据这一原理，在测得一组驻波最小点位置 d 1，d 2，d 3，d 4 … 后，由于相邻波节点的距离是波导波长的 1/2，这样便可通过下式算出波导波长。 ?? ? ? ? ?-+-+-+-=0min 10min 20min 30min 423421d d d d d d d d g λ (3-1) 方法二：交叉读数法测量波导波长，如图 3-1 所示。 图 3-1 交叉读数法测量波节点位置 为了使测量波导波长的精度较高(接近实际的波导波长)，采用交叉读数法测量波导波长。在测试系统调整良好状态下，通过测定一个驻波波节点两侧相等的电流指示值 I 0 (可选取最大值的 20%)所对应的两个位置 d 1、d 2，则取 d 1、d 2 之和的平均值，得到对应驻波波节点的位置 d min1 。用同样的方法测定另一个相邻波节点的位置d min2，如图 3-1 所示，则 d min1、 d mi n2 与系统中波导波长之间的关系为： )(2 1 );(21432min 211min d d d d d d +=+= (3-2) 1min 2min 2d d g -=λ (3-3) 在波导中，还可利用下面公式计算波导波长：

耦合波导理论

第二章线性电光效应的耦合波理论 2001年，She 等人提出一种全新的理论，它从麦克斯韦方程出发，考虑二阶非线性极化强度(也就是只考虑线性电光效应)，忽略其余高阶极化强度，推出关于线性电光效应的耦合波方程，得到在电场作用下的晶体中光的两个独立电场分量的解析解。这种方法，可运用于研究光在任意一个方向的电场作用下沿任意方向传播的各种线性电光效应的情况，并且不单可以用于研究光的振幅调制，也可以容易去解决光的相位调制问题。另外对于给定的一个晶体(点群)，能根据需要利用该理论进行优化设计。这全新的耦合波理论相对折射率椭球理论来说，它的物理图象清晰，得到的结果是解析解，不用再作任何数学变换。我们不单可以方便地进行优化设计，而且也可用于电光调制器等电光器件性能的分析。它的出现拓展电光材料的选择范围和优化调制器的调制方式，从而引起了电光效应研究领域内新一轮的探索。 2.1 理论推导 波在介质中传播时，能够通过介质内的非线性极化而相互作用将导致形形色色的非线性光学现象，如高次谐波、参量转换、受激散射等等。电光效应就是其中的一种非线性光学现象。电(波)与光(波)的互作用，实质上又可以看作是几个处于不同波段的电磁波在非线性介质中的波耦合过程，因此可以象非线性光学那样，通过求解耦合波方程来获得电光作用的有关知识。对于普克尔效应，是入射波为光+)(ω电波)(m ω产生一个输出光波)(m ωω+的三波耦合过程。对于电光效应，它涉及到的是光与物质的相互作用，光是由麦克斯韦方程或场方程描述，物质体系是由光学布洛方程描述。于是我们采用类似非线性光学方法，首先给出相应的非线性极化强度，把电场所感生的附加极化矢量当成一个微扰量P ?，再将它视为新的极化光源引入麦克斯韦波动方程，通过整理最后可得到相应的耦合波方程。线性电光效应耦合波理论就是以麦克斯韦波动方程为基础和出发点推导出来的。 我们可以由麦克斯韦方程组和物质方程推导出：

微波技术 第二章 传输线基本理论

第二章传输线基本理论 §2-1 引言 一、传输线的种类用来传输电磁能量的线路称为传输系统，由传输系统引导向一定方向传播的电磁波称为导行波。和低频段不同，微波传输线的种类繁多。按其上传播的导行波的特征可分为三大类：①TEM波传输线。如平行双线、同轴线以及微带传输线（包括带状线和微带）等；②波导传输线。如矩形波导、圆柱波导、椭圆波导及脊波导等；③表面波传输线。如介质波导、镜像线及单根线等等。各类传输线示于图2-1-1中。 微波传输线不仅能将电磁能量由一处传送到另一外，还可以构成各种各样的微波元件，这与低频传输截然不同。不同的频段，可以选不同类型的传输线。对传输线的基本要求是：

损耗小、效率高；功率容量大；工作频带宽；尺寸小且均匀。 二、分布参数的概念 “长度”有绝对长度与相对长度两种概念。对于传输线的“长”或“短”，并不是以其绝对 长度而是以其与波长比值的相对大小而论的。我们把比值 称为传输线的相对长度。在 微波领域里，波长 以厘米或毫米计。虽然传输线的长度有时只不过是几十厘米甚至几个 毫米，比如传输频率为3GHz的同轴电缆虽只有半米长，但它已是工作波长的5倍，故须把它称为“长线”；相反，输送市电的电力传输线（频率为50Hz）即使长度为几千米，但与市电的波长（6000千米）相比小得多，因此只能称为“短线”而不能称为“长线”。微波传输线都属于“长线”的范畴，故本章又可称作长线的基本理论。 前者对应于低频率传输线。它在低频电路中只起连接线的作用，因频率低，其本身分布参数所引起的效应过错全可以忽略不计，所以在低频电路中只考虑时间因子而忽略空间效应，因而把电路当作集中参数电路来处于是允许的。后者对应于微波传输线。因为频率很高时分布参数效应不能再忽视了，传输线不能仅当作连接线，它将形成分布参数电路，参与整个电路的工作。因而传输线在电路中所引起的效应必须用传输线理论来研究。 亦即，在微波传输线上处处存在分布电阻、分布电感，线间处处存在分布电容和漏电电导。我们用R1、L1、G1、C1分别表示传输线单位长度的电阻、电感、电导和电容，它们的数值与传输线截面尺寸、导体材料、填充介质以及工作频率有关。表2-1-1列同了平行双导线和同轴线的各分布参数表达式。根据传输线上分布参数的均匀与否，可将传输线分为均匀和不均匀两种。本章讨论的主要是均匀传输线。 对一均匀传输线，由于参数沿线均匀分布，故可任取一小线元dz来讨形论。因dz很小， 故可将它看成一个集总参数电路。用一个 （T或形）四端网络来等效，如图2-1-3a 所示。于是，整个传输线就可看成是由许多相同线元的四端网络级联而成的电路，如图2-1-3b 所示。这是有耗传输线的等效电路，对于无耗传输线（即R1=G1=0），其等效电路如图2-1-3c 所示。 表2-1-1 平行双导线和同轴线的分布参数

波导理论3

《半导体激光模式理论》习题作业及其解答 (C.Z.Guo, LT-II-Ex.doc, 20 Sept. 2006) 习题作业一 Ex.1-1(a ) 分别对平面波的八个特点进行解析证明(20%)。(b ) 何谓三层平板波导及其电磁模型？何谓导波模式、辐射模式，衬底模式、空气模式、馈入模式、及其各自的特点(15%)？(c ) 精确而详尽地比较平面波和导波模式的异同(15%)。 [解答] (a ) 平面波的波函数为：()()0,0,cos ,==-=z y r z x E E z t Ae t z E i βωβ(1.1-11g ) 0,c o s ,01 220=??? ? ??+-+= =-z r i r z i r y x H tg z t e A H H i βββωββω μβ (1.1-11h ) 由：0 00 0022,022,2 πλπν ωλ π λπ βα βc n n k k k r i == >= = =- =-= (1.1-11f,d,e ) (i),(ii),(iii),(viii) 是对于光频电极化过程的阻尼系数 γ 足够大的各向同性均匀介质才成立。[注] 在郭长志的《半导体激光模式理论》第一章 §3.2中对此有详细讨论如下： §3.2 介质极化及其色散的电子论 介质的电极化过程及其频率关系的微观理论应该建立在全量子理论(Full quantum theory ) (即对原子系统和电磁辐射都作量子化处理)的基础上，但是洛伦兹(Lorentz )电子论可以提供一个比较形象而且近似正确的全经典模型(Full classical theory ) (即对原子系统和电磁辐射都作经典的处理)。也就是说，在线性光学范畴内，可以认为介质中的每个电子都是由简谐恢复力(Harmonic restoring force ) m e ω02r 维持在其平衡位置上，m e 是电子的质量或有效质量，ω0为其本征圆频率。在与电磁辐射相互作用的过程中，每个电子在电磁辐射中的电场E 作用下，按牛顿运动方程运动： E q dt r d m r m dt r d m e e e e ---=γω22 022 (1.3-3a ) 其中2γm e d r /dt 是与其它原子碰撞造成的阻尼力(Damping force )。 由于原子的大小或电子运动范围比所涉电磁波的波长小得多，由(1.2-2)得： ()() t i t i e E e y x E E z ωβω0~ ,≈=- (1.3-3b ) 其中E 0为常量。因而(1.3-3a )简化为二阶常系数微分方程：

微波技术与天线复习大纲汇总

微波技术与天线复习大纲 绪论 一、基本概念 1、什么是微波，微波的波段如何划分？ 答：微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，频率范围从300MHz到3000GHz，波长从0.1mm到1m。 通常，微波波段分为米波、厘米波毫米和亚毫米波四个波段。 2、微波有何特点及特性？ 答：似光性；穿透性；宽频带特性；热效应性；散射性；抗低频干扰性；视距传播性；分布参数的不确定性；电磁兼容和电磁环境污染。 第一章均匀传输线理论 一、基本概念 1、什么是微波传输线（或导波系统）？ 答：微波传输线（或导波系统）是用以传输信息和能量的各种形式的传输系统的总称。它的作用是引导电磁波沿一定的方向传输，因此又称为导波系统，它所引导的电磁波称为导行波。 2、什么是均匀传输线，它是如何分类的？ 答：截面尺寸、形状、媒质分布、材料及边界条件均不变的导波系统成为规则导波系统或均匀传输线。 可大致分为三种类型： （1）双导体传输线（或TEM波传输线）；由两根或两根以上的平行导体构成，主要包括平行双线、同轴线、带状线和微带线等。由于其上传输的电磁波是TEM波或准TEM波，所以又称为TEM波传输线。 （2）波导：均匀填充介质的金属波导管，主要包括矩形波导，圆波导、脊形波导和椭圆波导等。 （3）介质传输线：因电磁波沿此类传输线表面传播，故又称为表面波波导，主要包括介质波导，镜像线和单根表面波传输线等。 二、计算题（一般是课后练习题） 1.1 设一特性阻抗为50Ω的均匀传输线终端接负载R1=100Ω，求负载反射系数。在负载0.2，0.25及0.5处的输入阻抗及反射系数分别为多少？

解：， ，， 由于，，故当分别为0.2，0.25及0.5时有： ， 将上述所算得的反射系数带入求输入阻抗的公式则有 （化简略） 1.4 有一特性阻抗=50Ω的无耗均匀传输线，导体间的媒质参数= 2.25，=1，终接=1Ω的负载。当=100MHz时，其线长度为。试求： （1）传输线的实际长度。（2）负载终端反射系数。（3）输入端反射系数。（4）输入端阻抗。 解：先求波长，欲求波长应知道波的传播速度（一下简称为波速）。 波速 其中，分别是自由空间中电介质常数和磁导率常数，分别是相对电介质常数和相对磁导率常数，为光速。 ，，于是， （1）传输线的实际长度 （2）负载终端反射系数 （3）输入端反射系数 （4）输入端阻抗 1.11 设特性阻抗为=50Ω的无耗均匀传输线，终端接有负载阻抗Ω为复阻抗时，可以用一下方法实现阻抗变换器匹配：即在终端或在阻抗变换器前并接一段终端短路线，试分别求这两种情况下阻抗变换器的特性阻抗及短路线长度。 解：图(a)中的短路线的输入导纳为，， 由，可得到短路线的长度，此时终端等效为纯电阻，即。因此阻抗变换器的特性阻抗为。

平板波导理论

第一章平板波导的射线理论光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，由于绕射而引起发散，这些情况都会导致光束中心部分的强度不断地衰减。因此，有必要设计制作某种器件，它能够引导光束的传播，从而使光束的能量在横的方向上受到限制，并使损耗和噪声降到最小，这种器件通常称为光波导，简称波导。结构最简单的波导是由三层均匀介质组成的，中间的介质层称为波导层或芯层，芯两侧的介质层称为包层。芯层的介电常数比芯两侧包层的介电常数稍高，使得光束能够集中在芯层中传输，因而起到导波的作用。这种波导的介电常数分布是陡变的，也称为阶梯变化的，常称这种波导为平板波导。 对光波导特性的分析，应用两种理论，即射线光学理论和波动光学理论。射线光学理论的优点是对平板波导的分析过程简单直观，对某些物理概念能给出直观的物理意义，容易理解。缺点是对于结构复杂的多层波导射线光学理论不便于应用，或只能得出粗糙的结果。一般而言，若想全面、正确地分析各种结构的光波导的模式特性，还必须采用波动理论。 光射线，简称射线或光线，可以这样理解：一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。它的方向沿着光能流的方向。光线与光束是不同的，光线是无限细的，光束则有一定的尺寸。光线在均匀介质中的传输轨迹是一条直线，在非均匀介质中的传输轨迹是一条曲直线。用射线去代表光能量传输路线的方法称为射线光学。射线光学是忽略光波长的光学，亦即射线理论是光波长趋于零的波动理论。 本章将应用射线光学的基本理论对三层平板波导加以分析，目的是对波导的导波原理和与之相关的某些物理概念为读者给出直观的物理意义和清晰的理解，并为以后运用波动光学理论分析各种结构光波导的模式特性打好基础。 1.1 模式类型 我们把波导中所能传输的电磁场型称为波导的模式，在平板波导中存在两种基本模式，一种称为TE模，另一种称为TM模。两种模式用光的电场和磁场的偏振方向来定

微波技术在矩形波导中传输特性实验讲稿汇总

微波技术在矩形波导中传输特性实验讲稿汇总

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 ，测频率f，并计算光速C和群速u， g 相速 V； g 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。 3）能穿透电离层。微波可以畅通无阻地穿过