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2005-1-25 第一章 电磁场的数学物理基础 第一课 第一课 第一课 7.1 导行电磁波概论 7.2 矩形波导 由设计的波导尺寸实现单模传输。 对于一定比值a/b,在给定工作频率下TE10模具有最小的衰减。 TE10 模和TE20 模之间的距离大于其他高阶模之间的距离, TE10 模波段最宽。 截止波长相同时,传输TE10 模所要求的 a 边尺寸最小。同时 TE10 模的截止波长与 b 边尺寸无关,所以可尽量减小 b 的尺 寸以节省材料。但考虑波导的击穿和衰减问题,b 不能太小。 单模传输条件 解:(1)对于b a 2b 的矩形波导,其主模为TE10 模,相 应的截止频率: 例7.2.2 有一内充空气、截面尺寸为 的矩形波导,以主模工作在 3GHz 。若要求工作频率至少高于主模截止频率的 20% 和至少低于次高模截止频率的 20% 。 (1)给出尺寸a 和b 的设计。 (2)根据设计的尺寸,计算在工作频率时的相速、波导波长和波阻抗。 次高模为TE01 模,其截止频率: (2) 取 则 解得 且 由题意 x y z O b a 主模的功率传输 其中 7.3 圆柱形波导 在圆柱形波导内 圆柱坐标系中展开 圆柱坐标系中展开 同样可采用两个纵向场分量 Ez 和 Hz 来表示其他场分量: 7.3.1 圆柱形波导中的场分布 1. 圆柱形波导中TM 波的场分布 方程 求圆柱形波导内场量分布的方法与求矩形波导内场量分布的方法相同,只是应采用圆柱坐标系,如图所示。 对于TM波,Hz = 0,波导内的电磁场由Ez 确定 其解为 的第 n 个零点 边界条件 圆柱形波导 y x z O a 贝塞尔函数及其导数的变化曲线 2. 圆柱形波导中TE 波的场分布 方程 对于TE波,Ez= 0,波导内的电磁场由Hz 确定 其解为 的第 n 个零点 边界条件 圆柱形波导 y x z O a 7.3.2 圆柱形波导中波的传播特性 2.61a 3.41a TE11 TM01 TE21 TE01 TM11 TE21 TM21 TE12 TM02 Ⅲ Ⅱ Ⅰ TE32 TE02 TM12 1. 圆柱形波导中的模式分布图 (1) 圆柱形波导中存在无穷多个可能的传播模式。 ② 从TE波和TM波的场分量表示式可知,当 m≠0 时,对于同一个模或模都有两个场结构,它们与坐标φ的关系分别为sin(mφ) 和 cos(mφ) ,这种简并称为极化简并,是圆柱形波导中特有的。 (2) 圆柱形波导中最低截止频率模式是TE11模,其截止波长为3.41a ,它是圆柱形波导中的主模。 ① 不同模式具有相同的截止波长。例如 , 因此,TE0n 模和TM1n 模存在模式简并现象,这种简并称为E —H 简并,这和矩形波导中的模式简并相同。 2. 圆柱形波导中波的传播特性 (3) 圆柱形波导中存在模式的双重简并: 7.4.1 同轴波导中的TEM波 同轴波导是一种内、外导体构成的双导体导波系统,也称为同轴线。如图所示,内、外导体为理想导体,内导体半径为a ,外导体的内半径为b ,内、外导体之间填充电参数为ε和μ的理想介质。由于同轴线是双导体波导,因此它既 可以传播TEM波,也可以传播TE波和TM波。 设电磁波沿+z 方向传播,相应的场为时谐场,其复数形式为 同轴波导 x z y 对于TEM波, , 而磁力线是闭合曲线,电场和磁场都在横截面内,即 7.4 同轴波导 1. TEM波的场分布 在圆柱坐标系中 同轴波导中TEM模 的场分布如图所示 磁力线 同轴波导中TEM模的场分布 电力线 取沿+z方向的 传播因子 相位常数: 相速度: 波阻抗: —— TEM模是同轴波导中的主模 传播常数: 2. TEM波的传播参数 截止波长 —— 无色散波 截止波数 若假设该处的电场强度等于同轴波导中所填充媒质的击穿电场强度 Ebr
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