微波技術(shù)基礎(chǔ)各類導(dǎo)波的特性

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1、1.波阻抗的定義？TEM波波阻抗表達(dá)式？2.矢量波動(dòng)方程(也叫?)的形式？3.導(dǎo)波傳播的條件？4.色散波與非色散波的區(qū)別？在自由空間中，沒有邊界條件需要滿足。而TEM波是滿足Maxwell方程的，也就是說(shuō)，TEM波是Maxwell方程的一個(gè)解，因此TEM可以在自由空間中存在。至于說(shuō)怎樣可以產(chǎn)生TEM波，實(shí)際上是不容易的。無(wú)限大平板電容器是可以產(chǎn)生TEM波。但“無(wú)限大”實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，近似上說(shuō)才可以。由TEM波場(chǎng)在橫平面的分布與靜態(tài)場(chǎng)相同這一點(diǎn)，可判斷具體的導(dǎo)波系統(tǒng)能否傳輸TEM波，例如空心金屬柱面（單導(dǎo)體）波導(dǎo)，因其橫截面內(nèi)無(wú)法建立起

2、靜態(tài)場(chǎng)（導(dǎo)體表面上存在異性電荷時(shí)不可能有靜止?fàn)顟B(tài)）。所以空心（單導(dǎo)體）波導(dǎo)中不存在TEM波，而同軸線則可建立起靜態(tài)場(chǎng)，故可存在TEM波。由此推得TEM波只能存在于多導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)波系統(tǒng)中。提問:試定性解釋為什么空心金屬波導(dǎo)中不能傳輸TEM波？解釋一：因?yàn)門EM波是指電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量均在于傳輸線橫截面內(nèi)的一種波，即TEM波沿波的傳播方向沒有電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量。因此，假若波導(dǎo)管內(nèi)可存在TEM波，則閉合的磁力線應(yīng)完全在橫截面內(nèi)。由麥克斯韋方程可知，沿閉合磁力線的線積分應(yīng)等于回線所交鏈的軸向電流，在空心波導(dǎo)中無(wú)內(nèi)導(dǎo)體，因而無(wú)軸向傳導(dǎo)電流，只可能存在有

3、位移電流，但軸向位移電流的存在表明沿軸向應(yīng)有交變電場(chǎng)存在()，而這與TEM波的定義相矛盾。故波導(dǎo)管中不可能存在TEM波。記一下傳TEM播波時(shí)，kc=ez=hz=0，，位函數(shù)Φ滿足拉普拉斯方程。位函數(shù)Φ和靜電場(chǎng)中的電位一樣，適合波導(dǎo)橫截面上坐標(biāo)的二維標(biāo)量拉普拉斯方程，因而，在這種特殊情形下，波導(dǎo)橫截面上場(chǎng)的分布就和靜電場(chǎng)的分布一樣[Φ＝常數(shù)的面代表一系列的等位面，波導(dǎo)內(nèi)壁代表在邊界上的等位面]。如果我們研究的波導(dǎo)是一個(gè)空金屬管，那么在波導(dǎo)內(nèi)壁這個(gè)等位面內(nèi)，電場(chǎng)是不能存在的－這是靜電場(chǎng)問題中一個(gè)熟知的現(xiàn)象，但是，如果在金屬管中還有另一導(dǎo)體

4、存在，那么，因?yàn)橛辛藘蓚€(gè)電位不等的導(dǎo)電面，所以在導(dǎo)電面之間可能存在著電位梯度或電場(chǎng)。因而，對(duì)應(yīng)于(kc=0)的波只能在多導(dǎo)線傳輸系統(tǒng)中存在，而不能在空心金屬管中存在。解釋二：記一下對(duì)于可傳播TEM波的導(dǎo)波系統(tǒng)，為獲取導(dǎo)波的傳輸特性，分析思路和具體方法是什么？答：求解滿足邊界條件的拉普拉斯方程。求出后，利用邊界條件求出Φ中的系數(shù)，再記一下1.3.3TE、TM波的特性分析場(chǎng)分量TE波的場(chǎng)分量將，代入橫-縱場(chǎng)的關(guān)系式有：TE波的場(chǎng)分量,與傳播方向互相垂直,并按成右手螺旋關(guān)系。波阻抗TM波場(chǎng)分量采用與TE波完全類似的分析方法，可得TM波的場(chǎng)分

5、量關(guān)系式和表達(dá)為：傳播特性截止特性TE波、TM波存在截止頻率fc或截止波長(zhǎng)λc。它們分別為速度、色散TE波和TM波的相速為其中在空氣填充的導(dǎo)波系統(tǒng)中TE波、TM波的相速大于光速c;TE波、TM波的相速不代表能量或信號(hào)的傳播，它是波前或波的形狀沿導(dǎo)波系統(tǒng)的縱向所表現(xiàn)的速度。沒有違背了相對(duì)論原理TE波和TM波的相速為波長(zhǎng)TE波、TM波的波導(dǎo)波長(zhǎng)由定義可得：工作波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)對(duì)于可傳播TE或TM波的金屬柱面波導(dǎo)，為獲取導(dǎo)波的傳輸特性，分析思路和具體方法是什么？答：采用縱向場(chǎng)法。首先(利用分離變量法)求解hz(TE波)或ez(TM波)所滿足的標(biāo)

6、量波動(dòng)方程：利用邊界條件，求出kc，利用橫場(chǎng)和縱場(chǎng)之間的關(guān)系式，進(jìn)而可求出導(dǎo)波的其他所有參量。1.4導(dǎo)波的傳輸功率、能量及衰減1.4.1傳輸功率設(shè)導(dǎo)波系統(tǒng)的橫截面為S，則導(dǎo)波的傳輸功率為：TEM波TE、TM波存在縱向場(chǎng)的TE波和TM波，由于它們的橫向場(chǎng)可由縱向場(chǎng)表出，因此傳輸功率也可由縱向場(chǎng)來(lái)表示：1.4.2導(dǎo)波的能量單位長(zhǎng)導(dǎo)波系統(tǒng)中傳播波的電能和磁能可由能量密度時(shí)均值積分求得。TEM波TE、TM波1.4.2導(dǎo)波的衰減屏蔽波導(dǎo)的衰減：1.歐姆損耗；2.介質(zhì)損耗。當(dāng)導(dǎo)波系統(tǒng)有損耗時(shí)，正向波的振幅隨z按的規(guī)律變化，傳輸功率則按的規(guī)律變化。

7、設(shè)在z=0處的傳輸功率為P0，則在z處的傳輸功率為：（單位長(zhǎng)度損耗）單位：奈培（Np）和分貝（dB）傳播常數(shù)衰減常數(shù)相位常數(shù)無(wú)耗時(shí)α＝0導(dǎo)體損耗引起的衰減（簡(jiǎn)稱導(dǎo)體衰減）計(jì)算導(dǎo)體衰減，其衰減常數(shù)以αc代表，這時(shí)假定介質(zhì)是無(wú)耗的，導(dǎo)波衰減僅由導(dǎo)體損耗造成。若設(shè)n為導(dǎo)體表面的外法向單位矢量。τ代表導(dǎo)體表面切向單位矢量，S’代表導(dǎo)體表面，根據(jù)坡印廷定理，損耗功率等于導(dǎo)波進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)的復(fù)功率的實(shí)部。即式中為導(dǎo)體表面阻抗，。這里將進(jìn)入導(dǎo)體壁內(nèi)的波近似為均勻平面波，故波阻抗就等于導(dǎo)體表面阻抗。上式變?yōu)椋篢EM、TE、TM波的導(dǎo)體損耗介質(zhì)損耗引起的衰

8、減（簡(jiǎn)稱介質(zhì)衰減）假定導(dǎo)體是理想的，導(dǎo)波的衰減僅由介質(zhì)損耗造成。在這種情況下，因?yàn)閷?dǎo)體邊界仍是理想的，所以介質(zhì)有耗并不影響無(wú)耗場(chǎng)解的形式，只是將無(wú)耗解的介質(zhì)常數(shù)由實(shí)數(shù)換成復(fù)數(shù):介質(zhì)的損耗角正切方法1方法2將各類波的場(chǎng)量代