【正文】 電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 矩形波導(dǎo)中導(dǎo)行電磁波的傳輸特性 第六章 電磁波的傳輸 導(dǎo)行電磁波的一般傳輸特性分析 傳輸線(xiàn)概述 其它導(dǎo)波系統(tǒng)簡(jiǎn)介 微波傳輸線(xiàn) 電磁波傳輸?shù)膽?yīng)用 電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 概 要 無(wú)線(xiàn)傳播和有線(xiàn)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(wú)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(dǎo)波系統(tǒng)的有界空間中的傳輸。導(dǎo)波系統(tǒng)是引導(dǎo)電磁波傳輸?shù)膫鬏斁€(xiàn)或波導(dǎo)，被引導(dǎo)的電磁波稱(chēng)為導(dǎo)行電磁波或?qū)Рā２ㄑ貙?dǎo)波系統(tǒng)的傳播稱(chēng)為傳輸。導(dǎo)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(dǎo)和傳輸橫電磁波（ TEM波）的實(shí)心傳輸線(xiàn)（雙導(dǎo)體或多導(dǎo)體傳輸線(xiàn)），以及由它 電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 們派生或演化而成的傳輸準(zhǔn)橫電磁波（準(zhǔn) TEM波）的集成電路傳輸線(xiàn)等。空管波導(dǎo)采用電磁場(chǎng)的方法進(jìn)行分析，實(shí)心傳輸線(xiàn)采用等效電路的方法進(jìn)行分析。 本章采用場(chǎng)、路對(duì)比和場(chǎng)、路結(jié)合的方法，首先介紹場(chǎng)的分析方法，運(yùn)用縱向場(chǎng)量法將一般矢量波動(dòng)方程簡(jiǎn)化為便于分析的縱向標(biāo)量波動(dòng)方程，以矩形波導(dǎo)為典型實(shí)例論述了矩形波導(dǎo)中導(dǎo)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(dǎo)體傳輸線(xiàn)為典型實(shí)例論述了傳輸波的傳輸特性。對(duì)其他導(dǎo)波系統(tǒng)也做了簡(jiǎn)要介紹。在此基礎(chǔ)上討論一般電磁波傳輸?shù)膽?yīng)用。 電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 1．空管傳輸線(xiàn)（規(guī)則金屬波導(dǎo)） 圖 （ a）表示矩形波導(dǎo)、圓形波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)和脊波 導(dǎo)。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(xiàn)概述 ● 傳輸線(xiàn)類(lèi)型 0 , 0zzEH??0 , 0zzEH??電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 2．實(shí)心傳輸線(xiàn)（雙導(dǎo)體或多導(dǎo)體傳輸線(xiàn)） 圖 （ b）表示雙導(dǎo)線(xiàn)、同軸線(xiàn)、帶狀線(xiàn)和微帶線(xiàn)。主要傳輸橫電磁波（ TEM波，沿縱向 ）和準(zhǔn)橫電磁波（準(zhǔn) 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(xiàn)內(nèi)、外導(dǎo)體構(gòu)成空管傳輸線(xiàn)，存在主波 TM波和TE波，內(nèi)導(dǎo)體為實(shí)心傳輸線(xiàn)，還同時(shí)存在附加的 TEM波。雙導(dǎo)線(xiàn)適用于 100MHz以下米波及大于米波所有波長(zhǎng)的電磁波，同軸線(xiàn)適用于 3GHz以下分米波，帶狀線(xiàn)和微帶線(xiàn)適用于分米波和厘米波傳輸。 0 , 0zzEH??0 , 0zzEH??電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 3．介質(zhì)傳輸線(xiàn)（表面波波導(dǎo)） 圖 （ c）表示介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)鏡像波導(dǎo)和介質(zhì)光波導(dǎo)。介質(zhì)傳輸線(xiàn)是利用全內(nèi)反射基于表面波原理制成的表面波傳輸線(xiàn)。介質(zhì)波導(dǎo)和介質(zhì)鏡像波導(dǎo)適用于微波（包括毫米波和亞毫米波），介質(zhì)光波導(dǎo)適用于光波傳輸。 ● 傳輸線(xiàn)隨頻率的演化過(guò)程 電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 雙導(dǎo)體傳輸線(xiàn) 同軸導(dǎo)線(xiàn) 空管波導(dǎo) 介質(zhì)傳輸線(xiàn) 要求 ，以形成 U， I 的波動(dòng)傳輸； f↑，輻射損耗 ↑，要求 。 l ??d ? 一根單線(xiàn)延展為閉合空心導(dǎo)管包圍另一根單線(xiàn)，填充絕緣介質(zhì)：外導(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體和填充介質(zhì)：避免內(nèi)導(dǎo)體高頻集膚效應(yīng)的導(dǎo)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(dǎo)頻帶窄，笨重、工藝加工難和批量成本高的缺點(diǎn)，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(diǎn)。 ,f ???,f ???,f ???電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 ● 傳輸線(xiàn)隨集成化的演化過(guò)程 航空、航天等空間科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(jìn)了微波集成電路的發(fā)展。 微波集成電路 —— 微波技術(shù) 半導(dǎo)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(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 圖 。 電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 導(dǎo)行電磁波的一般傳輸特性分析 導(dǎo)波理論（場(chǎng)分析法） —— 用于嚴(yán)格分析規(guī)則金屬波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)行電磁波的理論。 電磁導(dǎo)波特性 沿傳輸線(xiàn)的 縱向傳輸特性 ； 在橫截面內(nèi)的 橫向分布特性 。 縱向場(chǎng)量法 圖 表示任意截面無(wú)限長(zhǎng)均勻規(guī)則金屬波導(dǎo)。 已知無(wú)源空間場(chǎng)矢量波動(dòng)方程 電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 設(shè)圖 z軸與波導(dǎo)軸重合，時(shí)諧場(chǎng)沿 +z方向傳播，則方程（ ）的解 縱向場(chǎng)量法 —— 將矢量波動(dòng)方程分解為標(biāo)量波動(dòng)方程，再按邊界條件匹配特點(diǎn)將場(chǎng)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(chǎng)標(biāo)量方程的縱向場(chǎng)標(biāo)量后，再按縱、橫場(chǎng)關(guān)系式由已知縱向場(chǎng)分量求橫向場(chǎng)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(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 代入方程（ ）得 式中 作用于式（ ）即出現(xiàn) 。只考慮 的縱向標(biāo)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(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 縱、橫場(chǎng)分量關(guān)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(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)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(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 各類(lèi)導(dǎo)波模式的一般傳輸特性 方程（ ）改寫(xiě)為 2222 = 0 = 0 x y z c zx y z c zE + k EH + k H??()() 對(duì)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(wú)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(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)教程 式（ ）代入方程（ ），將橫向分量考慮進(jìn)去，得 它與無(wú)源區(qū)二維靜態(tài)場(chǎng) 和 滿(mǎn)足相同拉普拉斯方程?？闯?凡是存在二維靜態(tài)場(chǎng)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