【正文】 電磁場與電磁波基礎教程 矩形波導中導行電磁波的傳輸特性 第六章 電磁波的傳輸 導行電磁波的一般傳輸特性分析 傳輸線概述 其它導波系統(tǒng)簡介 微波傳輸線 電磁波傳輸?shù)膽? 電磁場與電磁波基礎教程 概 要 無線傳播和有線傳輸是傳遞電磁波信息的兩種基本形式。前面介紹了電磁波在無界空間的傳播和不同平面媒質(zhì)邊界面的反射和折射；下面將介紹電磁波在導波系統(tǒng)的有界空間中的傳輸。導波系統(tǒng)是引導電磁波傳輸?shù)膫鬏斁€或波導，被引導的電磁波稱為導行電磁波或?qū)Рā２ㄑ貙Рㄏ到y(tǒng)的傳播稱為傳輸。導波系統(tǒng)大體分為傳輸橫電波（ TE波）和橫磁波（ TM波）的空管波導和傳輸橫電磁波（ TEM波）的實心傳輸線（雙導體或多導體傳輸線），以及由它 電磁場與電磁波基礎教程 們派生或演化而成的傳輸準橫電磁波（準 TEM波）的集成電路傳輸線等?？展懿▽Р捎秒姶艌龅姆椒ㄟM行分析，實心傳輸線采用等效電路的方法進行分析。 本章采用場、路對比和場、路結(jié)合的方法，首先介紹場的分析方法，運用縱向場量法將一般矢量波動方程簡化為便于分析的縱向標量波動方程，以矩形波導為典型實例論述了矩形波導中導行波的傳輸特性；其次介紹路的分析方法，基于基爾霍夫定律，以雙導體傳輸線為典型實例論述了傳輸波的傳輸特性。對其他導波系統(tǒng)也做了簡要介紹。在此基礎上討論一般電磁波傳輸?shù)膽谩? 電磁場與電磁波基礎教程 1．空管傳輸線（規(guī)則金屬波導） 圖 （ a）表示矩形波導、圓形波導、橢圓波導和脊波 導。只能傳輸橫磁波（ TM波，沿縱向 ）或橫 電波（ TE波，沿縱向 ），適用于厘米波和毫 半波傳輸。 傳輸線概述 ● 傳輸線類型 0 , 0zzEH??0 , 0zzEH??電磁場與電磁波基礎教程 電磁場與電磁波基礎教程 2．實心傳輸線（雙導體或多導體傳輸線） 圖 （ b）表示雙導線、同軸線、帶狀線和微帶線。主要傳輸橫電磁波（ TEM波，沿縱向 ）和準橫電磁波（準 TEM波，主波為 TEM波，由填充介質(zhì)使 ，引起附加的 TM波或 TE波）。其中同軸線內(nèi)、外導體構(gòu)成空管傳輸線，存在主波 TM波和TE波，內(nèi)導體為實心傳輸線，還同時存在附加的 TEM波。雙導線適用于 100MHz以下米波及大于米波所有波長的電磁波，同軸線適用于 3GHz以下分米波，帶狀線和微帶線適用于分米波和厘米波傳輸。 0 , 0zzEH??0 , 0zzEH??電磁場與電磁波基礎教程 3．介質(zhì)傳輸線（表面波波導） 圖 （ c）表示介質(zhì)波導、介質(zhì)鏡像波導和介質(zhì)光波導。介質(zhì)傳輸線是利用全內(nèi)反射基于表面波原理制成的表面波傳輸線。介質(zhì)波導和介質(zhì)鏡像波導適用于微波（包括毫米波和亞毫米波），介質(zhì)光波導適用于光波傳輸。 ● 傳輸線隨頻率的演化過程 電磁場與電磁波基礎教程 雙導體傳輸線 同軸導線 空管波導 介質(zhì)傳輸線 要求 ，以形成 U， I 的波動傳輸； f↑，輻射損耗 ↑，要求 。 l ??d ? 一根單線延展為閉合空心導管包圍另一根單線，填充絕緣介質(zhì)：外導體屏蔽隨 f 增大的輻射損耗和外界干擾，填充介質(zhì)起緣絕作用。 抽出同軸導線內(nèi)導體和填充介質(zhì)：避免內(nèi)導體高頻集膚效應的導體損耗和填充介質(zhì)的介質(zhì)損耗；內(nèi)截面變大，功率容量增加。 避免空管波導頻帶窄，笨重、工藝加工難和批量成本高的缺點，具有損耗小、加工方便、重量輕、成本低和便于微波集成的優(yōu)點。 ,f ???,f ???,f ???電磁場與電磁波基礎教程 ● 傳輸線隨集成化的演化過程 航空、航天等空間科學和技術的發(fā)展，對微波系統(tǒng)提出了體積小、重量輕、可靠性高、性能優(yōu)良、一致性好和成本低等要求，促進了微波集成電路的發(fā)展。 微波集成電路 —— 微波技術 半導體器件 集成電路 的結(jié)合形成的平面型結(jié)構(gòu)電路 圖 。 電磁場與電磁波基礎教程 圖 。 電磁場與電磁波基礎教程 導行電磁波的一般傳輸特性分析 導波理論（場分析法） —— 用于嚴格分析規(guī)則金屬波導內(nèi)導行電磁波的理論。 電磁導波特性 沿傳輸線的 縱向傳輸特性 ； 在橫截面內(nèi)的 橫向分布特性 。 縱向場量法 圖 表示任意截面無限長均勻規(guī)則金屬波導。 已知無源空間場矢量波動方程 電磁場與電磁波基礎教程 設圖 z軸與波導軸重合，時諧場沿 +z方向傳播，則方程（ ）的解 縱向場量法 —— 將矢量波動方程分解為標量波動方程，再按邊界條件匹配特點將場量劃分為縱、橫向分量；不必求所有分量，只須先求與縱向邊界條件匹配的縱向場標量方程的縱向場標量后，再按縱、橫場關系式由已知縱向場分量求橫向場分量。 2?22222200 kkk ? ? ?? ? ?? ? ?? () ()式 中 。EEHH , , , ) e , , , ) e yzyzx y z x yx y z x y???? () ()EEHH( ) (( ) (將式（ ）中的 E、 H和 分解為直角分量 電磁場與電磁波基礎教程 代入方程（ ）得 式中 作用于式（ ）即出現(xiàn) 。只考慮 的縱向標量方程 2 2 2222 2 2zt xy xy? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?， iz?2?2 2 2 222 2 2 2( ) ( ) ( ) x x y y z zx x y y z zxyE E EH H Hx y z z? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? () ()(6.E a a a H a a a 3c)2 2 22 2 2+ ( + ) + ( + ) t i ii i iE k E i = x , y , zH k H????()(),2 2 22 2 2 + ( + ) 0 + ( + ) = 0 x y z zx y z zE k E = H k H????()()按 式 （ ） 得 方 程 的 解電磁場與電磁波基礎教程 縱、橫場分量關系由麥克斯韋方程旋度式建立，有 = j = j EHHE ????? ? ???()() , , , ) , , , ) yzzzyzE x y z E x y eH x y z H x y e???? ( ) ( ( a) ( ) ( ( ) + = j = j zyxzxyEEHyEE Hx? ??? ??????? ? ??()() j + = j ε y xzzyxE EHxyHHEy????? ?? ? ?????()()電磁場與電磁波基礎教程 聯(lián)立求解方程（ ），得 = j ε j ε zxyy xzHH ExH HExy???????? ?????() ()221 = ( + j ) 1 = ( j ) zzxczzycEHEk x yEHEk y x? ? ?? ? ????????????()()221 = ( j ε + ) 1 = ( j ε + ) zzxczzycEHHk y xEHHk x y???????????????()() 2 2 2 = + ckk ? ()電磁場與電磁波基礎教程 各類導波模式的一般傳輸特性 方程（ ）改寫為 2222 = 0 = 0 x y z c zx y z c zE + k EH + k H??()() 對于 TEM波，有 和 ，式（ ）變?yōu)? 0zE ? 0zH ?21, , , 0x y x ycE E H H k ? 看出式（ ）構(gòu)成一組無意義的零解。獲得非零解的存在條件只能取 1. 橫電磁波的一般傳輸特性 2 2 2 = 0 + = 0 ckk ?或 ()電磁場與電磁波基礎教程 式（ ）代入方程（ ），將橫向分量考慮進去，得 它與無源區(qū)二維靜態(tài)場 和 滿足相同拉普拉斯方程?？闯?凡是存在二維靜態(tài)場的系統(tǒng)中必定存在 TEM模，這樣的系統(tǒng)也可以用作傳輸 TEM波的