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规则波导理论
第四章 规则波导理论
前面介绍了几种无色散的TEM 波传输线,它们在结构上都属于双导体
系统。其中平行双线是用在米波波段和分米波低频端的一种传输线;同轴
线是用在分米波~厘米波段的一种传输线;带状线和微带是最近20 多年来
发展起来的新型平面传输线,它们在微波集成电路(MIC )中做传输线或
元器件之用,是属于厘米波高频端的一种传输线。当频率再升高时,上述
几种传输线出现了一系列缺点,致使它们失去了实用价值。比如,随着频
率的增高,趋肤效应显著,因而导体热损耗增加;介质损耗和辐射损耗也
随之增加;横向尺寸减小,功率容量明显下降,加工工艺也愈加困难。
上述缺点促使人们寻找一种新的,适用于更高频率,具有大功率容量
的传输手段,于是产生了波导管。
实际上早在第二次世界大战前的1933 年就已在实验室内被证明,采用
波导管是行之有效的微波功率的传输手段。现代雷达几乎无一例外地采用
波导作为其高频传输系统。波导管的使用频带范围很宽,从 915MHz (微
波加热)到94GHz (F 波段)都可使用波导传输线。
本章所讲的“波导”是指横截面为任意形状的空心金属管。所谓“规
则波导”是指截面形状、尺寸及内部介质分布状况沿轴向均不变化的无限
长直波导。最常用的波导,其横截面形关是矩形和圆形的。波导具有结构
简单、牢固、损耗小、功率容量大等优点,但其使用频带较窄,这一点就
不如同轴线和微带线了。
导行波理论不仅用于分析各类波导传输线本身,还是下面分析谐振腔、
各种微波元件等的理论基础。
102
§4-1 电磁场基础
同前面讨论同轴线、双线传输线所用的“路”的方法不同,本章所讨
论的规则波导采用的是“场”的方法,即从麦克斯韦方程出发,利用边界
条件导出波导传输线中电、磁场所服从的规律,从而了解波导中的模式及
其场结构(即所谓横向问题)以及这些模式沿波导轴向的基本传输特性(即
所谓纵向问题)。
一、麦克斯韦方程
麦克斯韦总结了一系列电磁实验定律,得出一组反映宏观电磁现象所
服从的普遍规律的方程式,这就是著名的麦克斯韦方程组。
麦克斯韦方程的微分形式
r
r r ∂D
H J
∇× + +
∂t
r
r ∂B
E
∇× − (4-1-1)
∂t
r ρ
∇•D
r
∇•B 0
电磁场矢量满足的辅助方程
r r
D εE
r r
B µH (4-1-2)
r r
J σE
式中
r
H ——磁场强度(A/m )
r
E ——电场强度(V/m )
r 2
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