微波技术基础各类导波的特性共32页PPT资料
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微波技术基础导波的分类跟各类导波的特性
2 2 pe e20 ( j )2 Γe ( j ) pe eff ( ) 1 2 2 e0 jΓe ( j )2 Γe ( j ) e20
1.3 实现方法
3. 传输线上加载串联电容和并联电感构成的复合介质
。
z LR z CR
临界（截止）角频率
临界（截止）频率
③ k kc
2
2
2 k 2 kc2 0
j kc2 k 2
Z ( z) Z1ez Z 2ez
这时场的振幅沿z方向呈指数变化而相位不变，它不 再是行波而是衰减场。式中第一项代表沿+z方向衰减的， 第二项代表沿-z方向衰减的场。这种状态称为截止状态或 过截止状态。
kc
2
c 0 2 p g k k k rr rr 这种导行波的相速小于无界媒质中的波速，而波长小于无 界媒质中的波长，这是一种慢波→可用周期结构实现。
2 2 c
0
回旋振荡管
-慢波
特点：发展最早，现在已经比较成熟； 工作频率从厘米波段到亚毫米波段。
3).Ez≠0，Hz ≠ 0的波称为混合波(EH波或HE波)。 这种波可视为TE波和TM波的线性叠加。
TM11
1.Ez=0，Hz≠0的波称为横电波(TE波)或磁波(H波)。 2.Ez≠0，Hz=0的波称为横磁波(TM波)或电波(E波)。 3.Ez≠0，Hz ≠ 0的波称为混合波(EH波或HE波)。 前两种波，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。
相速：是没有受到任何调制的单频稳态正弦波的波前 ( 等 相位面)在传播方向上推进的速度＝ω/β。 这种“早就开始振荡和传播，并且持续不断的”波，不载 有任何信息。
《微波技术基础》课件
微波具有高频率、短波长、高传输速率、穿透力强等特点。这些特性使得微 波在通信、雷达和射频领域有着广泛的应用。
微波技术的应用领域
பைடு நூலகம்
通信
微波技术在无线通信领域发挥重要作用，包 括移动通信、卫星通信和无线局域网等。
医疗诊断
微波医疗设备可用于乳腺癌检测、皮肤病诊 断等，具有无创、高分辨率的特点。
雷达
微波雷达广泛应用于气象预测、航空导航、 智能交通等领域，实现目标探测与跟踪。
循环器
循环器是一种用于控制信号方向流动的微波器 件，常用于无线通信和雷达系统中。
微波电路的设计原则
1 匹配
保证信号的最大能量传输，减少反射损耗。
2 稳定性
设计电路时考虑温度、供电和尺寸等因素，保持稳定的工作性能。
3 带宽
设计宽带电路以满足不同频率范围的应用需求。
微波技术的未来发展趋势
未来，随着5G通信、物联网和人工智能等技术的快速发展，微波技术将在更 多领域展示出巨大潜力，为人类社会的进步和创新提供支撑。
工业加热
微波加热技术广泛应用于食品加工、材料烧 结等领域，具有快速、节能的特点。
常见的微波器件
波导
波导是一种用于传输和导向微波的金属管道， 常用于通信、雷达等高频电路中。
功分器
功分器用于将一个输入信号分成两个或多个输 出信号，常用于天线阵列和无线通信系统。
微波滤波器
微波滤波器用于选择性地传输或屏蔽特定频率 的信号，常用于通信和雷达系统中。
结论和要点
微波技术是一门重要的学科，应用广泛且前景广阔。深入了解微波技术的基 础知识对于我们掌握相关领域的应用和发展趋势至关重要。
微波技术基础
本PPT课件将带你深入了解微波技术的基础知识，包括微波技术的定义、物 理特性、应用领域、常见器件、电路设计原则以及未来发展趋势。
微波技术的应用领域
பைடு நூலகம்
通信
微波技术在无线通信领域发挥重要作用，包 括移动通信、卫星通信和无线局域网等。
医疗诊断
微波医疗设备可用于乳腺癌检测、皮肤病诊 断等，具有无创、高分辨率的特点。
雷达
微波雷达广泛应用于气象预测、航空导航、 智能交通等领域，实现目标探测与跟踪。
循环器
循环器是一种用于控制信号方向流动的微波器 件，常用于无线通信和雷达系统中。
微波电路的设计原则
1 匹配
保证信号的最大能量传输，减少反射损耗。
2 稳定性
设计电路时考虑温度、供电和尺寸等因素，保持稳定的工作性能。
3 带宽
设计宽带电路以满足不同频率范围的应用需求。
微波技术的未来发展趋势
未来，随着5G通信、物联网和人工智能等技术的快速发展，微波技术将在更 多领域展示出巨大潜力，为人类社会的进步和创新提供支撑。
工业加热
微波加热技术广泛应用于食品加工、材料烧 结等领域，具有快速、节能的特点。
常见的微波器件
波导
波导是一种用于传输和导向微波的金属管道， 常用于通信、雷达等高频电路中。
功分器
功分器用于将一个输入信号分成两个或多个输 出信号，常用于天线阵列和无线通信系统。
微波滤波器
微波滤波器用于选择性地传输或屏蔽特定频率 的信号，常用于通信和雷达系统中。
结论和要点
微波技术是一门重要的学科，应用广泛且前景广阔。深入了解微波技术的基 础知识对于我们掌握相关领域的应用和发展趋势至关重要。
微波技术基础
本PPT课件将带你深入了解微波技术的基础知识，包括微波技术的定义、物 理特性、应用领域、常见器件、电路设计原则以及未来发展趋势。
微波技术基础-TE-TM特性概要
kc2
hezz
0
利用边界条件，求出kc，利用橫场和纵场之间的关系式， 进而可求出导波的其他所有参量。
三TE波、TM波的特性分析
1.4 导波的传输功率、能量及衰减
一 传输功率 二 导波的能量 三 导波的衰减
1.5 模式正交性 1.6 导波系统中截止状态下的场
一传输功率
vg
d d
1
d d
(1.66) (1.67)
三TE波、TM波的特性分析
由式(1.67) 可得TE波、TM波的群速度
vg 1
d d
v
1
fc f
2
v
2
1
c
(1.68)
vp
v
1 fc f 2
传输功率的一般表达式，对各类导波均适用。
一传输功率
一.传输功率
P
1 Re
2
S E H * azdS
1 Re 2
S Et
Ht azdS
(1.78)
et ZTEM ht az
ht YTEMaz et
(1.35)
对TEM波，由(1.78)式并考虑式(1.35)的关系可得
2
m
式中 ， 。合成波为
E E1 E2 2Em cost z e jtz (1.64)
可见合成场为一调幅波，振幅函数是一个慢变化的波，它 叠加在高频载波上形成合成波的幅度包络线(或称为合成 波的波包)。合成波的变化规律如图1.4所示。
az
微波技术基础各类导波的特性
TEM波
2 2 1 1 PTEM Z TEM H t dS YTEM Et dS 2 2 s s 2 2 1 1 Z TEM H 0t dS YTEM E0t dS 2 2 s s
TE、TM波
2 1 PTE Z TE H t dS 2 s 2 1 YTE Et dS 2 s 2 2 1 1 Z TE H 0t dS YTE E0t dS 2 2 s s
S
2
dl (Np/m)
c
TM
Rm
l
2ZTM
S
2 2 H 0t dl Rm E n 0 z dl l ( Np / m) 2 2 H 0t dS 2ZTM kc 2 E0 z dS
S
介质损耗引起的衰减（简称介质衰减）
假定导体是理想的，导波的衰减仅由介质损耗造成。在 这种情况下，因为导体边界仍是理想的，所以介质有耗 并不影响无耗场解的形式，只是将无耗解的介质常数由 实数换成复数:
式中 Z m 为导体表面阻抗， Zm Rm jX m 。这里将进入 导体壁内的波近似为均匀平面波，故波阻抗就等于导体 表面阻抗。上式变为： 1 PL R m n ( H H ) ( n )dS S 2 2 1 Re H dS S 2 2 1 Pl Re H dl l 2 2 Rm H dl Pl l c ( Np / m) 2 2 P 2Z H dS
如果我们研究的波导是一个空金属管那么在波导内壁这个等位面内电场是不能存在的这是静电场问题中一个熟知的现象但是如果在金属管中还有另一导体存在那么因为有了两个电位不等的导电面所以在导电面之间可能存在着电位梯度或电场
微波技术基础课件第三章规则金属波导
仿照TE10模，TEm0模的场结构便是沿b边不变化，沿a边 有m个半驻波分布; 或者说是沿b边不变化，沿a边有m个TE10 模场结构“小巢”。图3.1-2(b)表示TE20模的场结构。
第3章 规则金属波导
(2) TE01模与TE0n模的场结构TE01模只有Ex、Hy和Hz三个 场分量，其场结构与TE10模的差别只是波的极化面旋转了 90°，即场沿a边不变化，沿b边有半个驻波分布，如图3.1-2 (c)所示。
(3.1-4) (3.1-5)
E0z (x, y) 0, y 0, aTM导波 E0z (x, y) 0, y 0, b
(3.1-6)
第3章 规则金属波导
(1) TE模(TE modes) 其Ez=0，Hz(x,y,z)=H0z(x,y)e-jβz≠0。应用分离变量法，即 令
H0z(x,y)=X(x)Y(y)
(3.1-7)
代入本征值方程，得到
1 X (x)
d 2 X (x) dx2
1 Y ( y)
d 2Y ( y) dy2
k
2 c
0
(3.1-8)
第3章 规则金属波导
此式要成立，每项必须等于常数。定义分离变数为kx和ky，
则得到方程:
d
2X dx
(
2
x)
k
2 x
X
(
x)
0
(3.1-9)
d
2Y ( y) dy2
第3章 规则金属波导
(1) TE10模与TEm0模的场结构 TE10(m=1,n=0)模的场分量由式(3.1-16１)求得为
Ey
ja
H10
sin
x
a
e jz
Hz
ja
第3章 规则金属波导
(2) TE01模与TE0n模的场结构TE01模只有Ex、Hy和Hz三个 场分量，其场结构与TE10模的差别只是波的极化面旋转了 90°，即场沿a边不变化，沿b边有半个驻波分布，如图3.1-2 (c)所示。
(3.1-4) (3.1-5)
E0z (x, y) 0, y 0, aTM导波 E0z (x, y) 0, y 0, b
(3.1-6)
第3章 规则金属波导
(1) TE模(TE modes) 其Ez=0，Hz(x,y,z)=H0z(x,y)e-jβz≠0。应用分离变量法，即 令
H0z(x,y)=X(x)Y(y)
(3.1-7)
代入本征值方程，得到
1 X (x)
d 2 X (x) dx2
1 Y ( y)
d 2Y ( y) dy2
k
2 c
0
(3.1-8)
第3章 规则金属波导
此式要成立，每项必须等于常数。定义分离变数为kx和ky，
则得到方程:
d
2X dx
(
2
x)
k
2 x
X
(
x)
0
(3.1-9)
d
2Y ( y) dy2
第3章 规则金属波导
(1) TE10模与TEm0模的场结构 TE10(m=1,n=0)模的场分量由式(3.1-16１)求得为
Ey
ja
H10
sin
x
a
e jz
Hz
ja
微波技术基础引论PPT课件
1011 109 108 107 106
102
1 101
2021/7/12
3000GHz — 300GHz — 30GHz — 3GHz（3000MHz）— 300MHz
亚毫米波（THz）毫米波 5厘米波
第5页/共35页
分米波
微波:
1 mm to 1 m wavelength. bands: (1 GHz = 109 Hz) •P band: 0.3 - 1 GHz (30 - 100 cm) •L band: 1 - 2 GHz (15 - 30 cm) •S band: 2 - 4 GHz (7.5 - 15 cm) •C band: 4 - 8 GHz (3.8 - 7.5 cm) •X band: 8 - 12.5 GHz (2.4 - 3.8 cm) •Ku band: 12.5 - 18 GHz (1.7 - 2.4 cm) •K band: 18 - 26.5 GHz (1.1 - 1.7 cm) •Ka band: 26.5 - 40 GHz (0.75 - 1.1 cm)
及
Et
j
kc2
[t Ez
Zht H z
zˆ]
(0 形式) 0
Ht
j
kc2
[t H z
Ye zˆ
tEz ]
kc 0
k 2 kc2 2
k
2021/7/12
29
第29页/共35页
k 0 k2 kc2 k 1 (kc / k)2
c
k
又由 t Et jzˆHz t Ht j zˆEz
2021/7/12
30
第30页/共35页
混合波——
kc2 0
导行系统横向为衰减解形式，场被束缚在导行系统表面——表面波。
微波技术基础导波的分类及各类导波的特性共32页文档
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
微波技术基础导波的分类及各 类导波的特性
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
微波技术基础 ppt课件
由此两式消去 H t ：
k2 z2 2 E vt z tE zja vz tH z ⑤
同理，由①、③可得：
k2 z2 2 H vt z tH zja vz tE z ⑥
k2 2 →无界媒质中电磁波的传播常数
★重要结论：规则导行系统中，导波场的横向分量可 由纵向分量完全确定。
再由③出发：
结构—两根平行导线； 缺点—随着信号频率升高，导线电阻损耗增大，不能有效引
导微波。
➢ 微波频段导波系统
米波频段结构—改进型双导线即平行双导体线； 分米波～厘米波频段结构—封闭式双导体导波系统即同轴线； 厘米波～毫米波频段结构—柱面金属波导；
毫米波～亚毫米波频段结构—柱面金属波导、介质波导。
导波系统的主要功能 1）、无辐射损耗地引导电磁波沿其轴向行进而将能
× H vjE v
× E vj H v
v H0
v E0
采用广义柱坐标系（u，υ，z），设导波沿z向（轴向）传播， 微分算符▽和电场Ε、磁场Η可以表示成：
E v ( u , v t, z ) a v z E /v t ( z u , v , z ) a r z E z ( u , v , z )
H v ( u , v , z ) H v t ( u , v , z ) a v z H z ( u , v , z )
展开后令方程两边的横向分量和纵向分量分别相等
两边乘以
jωμ
v
t× H t j
a v zE v z ①
ta v zH za v z H zt j
v E t②
两边作
★重要结论：规则导行系统中导波场的纵向分量满足标量亥 姆霍兹方程 。
色散关系式
纵向场分量可以表示成横向坐标r和纵向坐标z的函数，即
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P 1 2R esE v H v a v zd S1 2R esE v t H v ta v zd S
➢ TEM波
PTEM 12ZTEMs
v Ht
2
dS
12YTEMs
v2 Et dS
12ZTEMs
v H0t
2 dS12YTEMs
v E0t
2
dS
➢ TE、TM波
PTE
1 2 ZTE
s
W esw e平 均 dS4sE vE vdS r r
W msw m 平 均 dS4sHH dS
➢ TEM波
v2
WeTEM
4
s
E0t v
dS
2
WmTEM4 s H0t dS
➢ TE、TM波
v2
WeTE
4
s
E0t
dS
v2 v2
W m T E4s H 0t H 0z dS
v2 v2
对论原理
TE波和TM波的相速为
g
dz dt
0, 0g1/d d 1ffc21c2
➢ 波长
TE波、TM波的波导波长由定义可得：
gfp
1/c2
1fc/f2
工作波长 截止波长
f
c fc
1
2 g
1
2 c
1
2
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？
波阻抗
ZTEY 1 TEj kZTEM
➢ TM波场分量
采用与TE波完全类似的分析方法，可得TM波的场分量
关系式和表达为：
v E0t
kc2
t Ez
v H0t
j
kc2 tEz
avz
v E0t
j
v H0t
avz
传播特性
v H0t
j
avz
v E0t
ZTMYT 1Mj kZTEM
➢ 截止特性
v Ht
2
dS
1 2 YTE s
v Et
2
dS
1 2
Z TE
s
v H 0t
2
dS
1 2
YTE
s
v E0t
2
dS
1
v2
1
v2
PTM 2ZTMs Ht dS 2YTMs Et dS
12ZTMs
v H0t
2 dS 12YTMs
v E0t
2
dS
存在纵向场的TE波和TM波，由于它们的横向场可由纵向 场表出，因此传输功率也可由纵向场来表示：
场分量
➢ TE波的场分量
将 E z ，0 H z代入0 横-纵场的关系式有：
v
H0t kc2 tHz
v E0t
jkc2v tHzvavz
E TvE0t波 的场H v分0t成量 右E手a v 0,tz螺H与旋0传关t 播系方。向
v E0t
j
v H0t
avz
v H0t
j
avz
v E0t
互a相v z 垂直,并按
答：采用纵向场法。首先(利用分离变量法)求解hz(TE波) 或ez(TM波)所满足的标量波动方程：
2t
hezz
kc2
hezz
0
利用边界条件，求出kc，利用橫场和纵场之间的关系式， 进而可求出导波的其他所有参量。
1.4 导波的传输功率、能量及衰减
1.4.1 传输功率
设导波系统的横截面为S，则导波的传输功率为：
TE波、TM波存在截止频率fc或截止波长λc。它们分别为
fc
kc
2
c
2 kc
➢ 速度、色散
TE波和TM波的相速为
其中
p
1fc/f2 1/c2
1/ c/ rr
在空气填充的导波系统中TE波、TM波的相速
大于光速c; TE波、TM波的相速不代表能
p
量或信号的传播，它是波前或波的形状沿导
波系统的纵向所表现的速度。没有违背了相
如果我们研究的波导是一个空金属管，那么在波导内壁 这个等位面内，电场是不能存在的－这是静电场问题中一 个熟知的现象，但是，如果在金属管中还有另一导体存在， 那么，因为有了两个电位不等的导电面，所以在导电面之 间可能存在着电位梯度或电场。因而，对应于(kc=0
fc 0,c)的 波只能在多导线传输系统中存在，而不能在
P T E1 2Z T Ekc2 2sH vz2d S1 2Z T Ekc2 2sH v 0z2d S
1 2 v2 1 2 v2
P T M 2Y T M kc2sE z dS2Y T M kc2sE 0z dS
1.4.2 导波的能量
单位长导波系统中传播波的电能和磁能可由能量密度时
均值积分求得。
在自由空间中，没有边界条件需要满足。而 TEM波是满足Maxwell方程的，也就是说，TEM 波是Maxwell方程的一个解，因此TEM可以在自 由空间中存在。
至于说怎样可以产生TEM波，实际上是不容 易的。无限大平板电容器是可以产生TEM波。但 “无限大”实际上无法实现，近似上说才可以。
➢ 由TEM波场在横平面的分布与静态场相同这 一点，可判断具体的导波系统能否传输TEM 波，例如空心金属柱面（单导体）波导，因 其横截面内无法建立起静态场（导体表面上 存在异性电荷时不可能有静止状态）。所以 空心（单导体）波导中不存在TEM波，而同 轴线则可建立起静态场，故可存在TEM波。 由此推得TEM波只能存在于多导体构成的导 波系统中。
空心金属管中存在。
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？
记一下
答：求解满足边界条件的拉普拉斯方程。
t2(u,v) 0
求出 u，v 后，利用边界条件求出Φ中的系数，再
ert tu， v
r
u u r
h t Y T E M a z t u ， v
1.3.3 TE、TM波的特性分析
W eTM4s E0t E0z dS
v2
WmTM4 s H0t dS
提问:试定性解释为什么空心金属波导中不能传输TEM波？
解释一：
记一下
因为TEM波是指电场和磁场分量均在于传输线横截 面内的一种波，即TEM波沿波的传播方向没有电场和磁 场分量。因此，假若波导管内可存在TEM波，则闭合的 磁力线应完全在横截面内。由麦克斯韦方程可知，沿闭合 磁力线的线积分应等于回线所交链的轴向电流，在空心波 导中无内导体，因而无轴向传导电流，只可能存在有位移 电流，但轴向位移电流的存在表明沿轴向应有交变电场存
在( Jzd Dz /t)，而这与TEM波的定义相矛盾。故波导
管中不可能存在TEM波。
记一下
解释二：
传TEM播波时，kc=ez=hz=0， t2(u，,v位) 函0数Φ满足拉
普拉斯方程。位函数Φ和静电场中的电位一样，适合波导 横截面上坐标的二维标量拉普拉斯方程，因而，在这种特 殊情形下，波导横截面上场的分布就和静电场的分布一样 [Φ＝常数的面代表一系列的等位面，波导内壁代表在边 界上的等位面]。