三种矩形脊波导特性的比较
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。
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。
微波技术矩形波导2
(3-4)
1E P= ab 4η
2 0
空气波导
µ =120π ε
非磁介质波导 µ = µ0 ,ε = ε0εr
E ab λ P= 1− 2a 480π
2 0
2
P=
2 E0 ab εr
ห้องสมุดไป่ตู้480π
λ 1− 2a
2
λ 请注意：对非磁介质波导， = 请注意：对非磁介质波导，
ωµ π
β π
TE10波主要特性
传 条 播 件 波 波 导 长
λ＜ c = 2a λ λ λg = 2 λ
1− 2a C λ 1− 2a 1 λ 1− 2a
2 2
相
速
υp =
波 阻 型 抗
η=
µ ε
场结构
图 3-1
二、TE10波的另一种表示
$ dσ = kdxdy。
v
y
ds z x b a 0
图 3-2
计算功率时的面积元
2 v v 1 E0 2 π S ⋅ dσ = sin xdxdy 2η a 2 1 E0 a b 2 π P= ∫0 ∫0 sin a xdxdy 2η 2 1 E0 a π = b∫ 1− cos xds 2η 0 a
我们在上面给出的TE 波表达式， 我们在上面给出的 TE10 波表达式 ， 是以 Hz 为领矢 矢量的。然而， 作领矢矢量， 矢量的。然而，在实用上也常有用Ey作领矢矢量，即 设 π − jβz Ey = E0 sin x e (3(3-1) a 利用Maxwell方程 方程 利用
2 Htmdl s
(3-9)
其中， 其中，
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.。
矩形波导中可以传输的模式
矩形波导中可以传输的模式矩形波导是一种常用于微波和毫米波频段的传输介质，它可以传输多种模式。
这些模式可以根据电磁场的分布和波导尺寸的关系进行分类。
以下是常见的矩形波导中可以传输的模式。
1.矩形波导基本波模式：矩形波导的最基本模式是TE10模式和TM11模式。
这些模式具有最低的传输损耗和较高的传输速度，因为它们具有较大的有效模式尺寸。
TE10模式是电场垂直于波导中心线，磁场平行于中心线的模式。
TM11模式是磁场垂直于波导中心线，电场平行于中心线的模式。
2.矩形波导高阶模式：除了基本波模式，矩形波导还支持各种高阶模式。
这些模式具有比基本模式更复杂的电磁场分布，并且传输特性也会有所不同。
其中一些常见的高阶模式包括TE20、TE01、TE11和TE21模式。
这些高阶模式可以通过适当选择波导尺寸和频率来激发。
3.矩形波导截断模式：当波长比波导的截断波长小时，只有部分高阶模式可以在波导中传输。
这些被称为截断模式。
截断模式的传输特性与截止频率有关，频率越低，截断模式越多。
4.矩形波导共振模式：在一些特定的频率下，矩形波导会出现共振现象，即出现共振模式。
共振模式具有特定的电磁场分布和传输特性，这些特性可以用于设计滤波器和谐振器等微波器件。
常见的共振模式包括TEM 模式、TE01δ模式和TM11δ模式等。
5.矩形波导导波模式：导波模式是指通过波导传输的电磁波。
除了上述提到的TE和TM模式外，还存在一些导波模式，如混合模式和高可调模式。
这些模式在波导尺寸和工作频率的变化下会变得明显。
总而言之，矩形波导可以传输多种模式，包括基本波模式、高阶模式、截断模式、共振模式和导波模式。
这些模式的选择取决于波导尺寸、频率和应用需求。
通过合理设计和选择模式，可以实现低损耗和高效率的微波传输和射频器件设计。
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。
第七讲 矩形波导
六、矩形波导中的简正波
传输模
e jz 2 1 c
2
E z 0
＜cmn
雕落模
e z
＞cmn
2
c
1 c
2
六、矩形波导中的简正波
注意到雕落模 ( 也称截止模 ) ，它是一种快速衰 减的振荡模式。也就是说，在不同的z处，有同一相 位。 当然，雕落模式没有功率和能量传播。 当模式不同，但却有相同的kc，我们称为简并模 式。最后显示的是TEmn和TMmn是简并(Degeneration) 的。
其它分量用 E z , H , 表示 Ex Ey Hx H y f1 E z , H
f 2 Ez , H
f 4 Ez , H
f 3 Ez , H
图 7-1
波导一般解流图
一、矩形波导的求解思路
1. 纵向分量方程
2 2 E k Ez 0 z 2 2 H k Hz 0 z
注意到Ez和Hz的横向函数要依赖具体的边界条件。
二、矩形波导的横向解
在矩形波导中存在 TE 和 TM 两类波，请注意矩形波 导中不可能存在 TEM 波 ( 推而广之，任何空心管中都不 可能存在TEM波)。 这里以 TE 波为例作出讨论，即 Ez=0，对于纵向分
2 2 2 2 x y
由于其独立性，上式各项均为常数
2
(12-6)
2 2 2 1 Z ( z) 2 k k c Z ( z) z 2 (12-7) z 2 E E ( x , y ) e z E ( x , y ) 2 t z kc 0 H H ( x , y ) e z E ( x , y )
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三种矩形脊波导特性的比较
摘要采用有限元法,对三种矩形脊波导的传输特性进行分析,计算三种脊波导的归一化截止波长和单模带宽,并画出相应的场结构图。
由计算结果可以看出倒梯形脊波导的归一化截止波长最长,而梯形脊波导的单模带宽最宽。
关键词有限元;脊波导;传输特性
在微波系统中,矩形波导是应用广泛的一种导波系统。
近年来,随着人们认识到脊波导的宽带特性在通信等领域的重要作用,又分析了多种脊波导的特性,如2004年,逯迈教授等对单双脊梯形脊波导的传输特性进行了细致的分析;2007年,陈小强教授等对三角形和倒梯形两种对称双脊波导做了详细的研究;2010年,孙海等对上翘脊波导的传输特性进行了分析。
本文拟采用有限元法,对三种单脊波导的传输特性及场分布进行分析,并进行三种单脊波导的特性比较。
1理论分析
假设脊波导内为空气,且纵向均匀,采用纵向场法,脊波导内的场结构可以归结为求解Helmholtz(亥姆霍兹)方程:
上式中为电磁波在无限媒质中的波数。
根据有限元理论分析,对于三角单元剖分的场域,可以推导出下列本征值矩阵方程:
  (3)
其中,[A]和[B]均为N×N阶方阵,kc2表示待求的特征值,求解特征值方程(3),得到的最小非负特征值就是主模的截止波数,得到的第二个最小非负特征值就是第一个高次模的截止波数kc,这样就可以算出脊波导相应的截止波长(λc=2π/kc)以及可由主模截止波长和第一高次模截止波长的比值算出单模带宽(BW=λc1/λc2)。
2数值计算
1)波导尺寸的选择。
矩形脊波导、梯形脊波导及倒梯形脊波导的截面图(如图1所示)。
其中矩形单脊波导的宽边为a,窄边为b=0.45a,边s=0.5a,边d=0.5b;梯形单脊波导的宽边为a,窄边为b=0.45a,梯形脊的边s=0.5a,c=0.2a,d=0.5b;倒梯形单脊波导的宽边为a,窄边为b=0.45a,脊的边s=0.2a,c=0.5a,d=0.5b。
(a)矩形脊波导(b)梯形脊波导(c)倒梯形脊波导
图1三种脊波导截面图
2)计算结果。
三种脊波导的归一化截止波长和单模带宽(如表1所示)。
由计算结果可以看出,倒梯形脊波导的归一化主模截止波长是三种脊波导中最长的,梯形脊波导的单模带宽是三种脊波导中最宽的。
3)场结构图。
三种脊波导的主模场图(如图2所示),第一高次模场图(如图3所示)。
主模的电力线在脊的顶部比较集中,第一高次模的电力线更集中分布在脊的两侧,并且在脊的角上更为集中。
图2三种脊波导主模场图
图3三种脊波导第一高次模场图
3结论
本文采用有限元法,对三种脊波导的传输特性进行了分析,并画出相应的主模场结构和第一高次模场结构图,从计算结果可以看出倒梯形脊波导比矩形脊波导有着归一化截止波长更长,单模带宽更宽的特点。
参考文献
[1]CohnSB.PropertiesofRidgeWaveguide[J].Proc.IRE,1974,35(8):783-788.
[2]陈小强,李明,任恩恩,逯迈.两种新型双脊波导传输特性的研究.西安电子科技大学学报,2007,34(3):495-499.
[3]孙海,王泽文,周伟.基于有限元法的上翘梯形脊波导特征值分析.山西大学学报(自然科学版),2010,33(1):87-91.。