微波技术-第3章1矩形波导

微波技术矩形波导中电磁波的通解要点矩形波导是一种常见的微波传输线结构，具有广泛的应用，如微波通信、雷达系统和微波功率传输等。

在矩形波导中，电磁波的传播可以通过求解波动方程得到其通解。

下面将介绍矩形波导中电磁波的通解的要点。

矩形波导中的电磁波动方程是由Maxwell方程组给出的。

在无源情况下，即没有电流密度和电荷密度，Maxwell方程组可以简化为两个波动方程，即：（1）对电场E的波动方程：∇^2E+k^2E=0（2）对磁场H的波动方程：∇^2H+k^2H=0其中，k为波数，k=ω/c，ω为角频率，c为光速，∇^2为Laplace 算子。

为了求解上述波动方程，我们需要确定边界条件。

（1）边界条件：矩形波导具有无限大的边界，因此我们可以选择适当的坐标系来求解波动方程。

一种常见的坐标系选择是矩形坐标系，其中坐标轴沿着波导的边界方向。

在矩形波导的壁面上，电场E和磁场H应满足如下边界条件：a）电场E与波导壁面垂直，即E·n=0，其中n为壁面的法向量；b）磁场H与波导壁面平行，即H·n=0。

（2）模态理论：矩形波导中的电磁波存在多个模式，每个模式由一组特定的场分布和频率特征确定。

每个模式都对应于特定的截止频率，超过这个频率时将不能在波导中传播。

对于矩形波导，存在两个基本的模式，即TE (Transverse Electric)模式和TM (Transverse Magnetic)模式。

TE模式是指电场E的一部分为零，也就是垂直于波导壁面的电场分量为零。

TE模式有多种类型，根据电场分布情况的不同而命名。

例如，TE10模式表示只有横向电场分量的模式，而TE20模式表示有两个横向电场分量的模式。

TM模式是指磁场H的一部分为零，也就是垂直于波导壁面的磁场分量为零。

TM模式也有多种类型，根据磁场分布情况的不同而命名。

例如，TM11模式表示只有横向磁场分量的模式，而TM30模式表示有三个横向磁场分量的模式。

微波技术与天线实验报告实验名称：实验3：利用HFSS仿真分析矩形波导学生班级：学生姓名：学生学号：实验日期：2011年月日一、 实验目的学会HFSS 仿真波导的步骤，画出波导内场分布随时间变化图，理解波的传播与截止概念；计算传播常数并与理论值比较。

二、 实验原理矩形波导的结构如图1，波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。

x yz图 1矩形波导1） TE 模，0=z E 。

coscos z z mn m x n y H H e a b γππ-= 2cos sin x mn c z n m x n y E H b a bj k e γπππωμ-= 2sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b γωμπππ-=-2sin cos z x mn c m m x n y H H e k a a bγλπππ-= 2cos sin z y mn c n m x n y H H e k ba b γλπππ-= 其中，c kmn H 是与激励源有关的待定常数。

2） TM 模Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。

注意：对于mn TM 和mn TE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。

mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即c k （mn TM ）=c k （mn TE ）所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛b n a mc f （mn TM ）=c f （mn TE ）对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ<c λ）的模式才能在波导中传播。

由公式可以看出矩形波导的c f ，c λ不仅与波导的尺寸a, b 有关，还和模指数m, n 有关。

当a, b 一定时，随着f 的改变，矩形波导可以多模传播，也可以单模传播，甚至也可以处于截止状态。

标准矩形波导
标准矩形波导是一种常见的波导结构，广泛应用于微波通信、雷达系统和微波加热等领域。

它具有较宽的频带、低传输损耗和良好的抗干扰能力，因此备受青睐。

本文将对标准矩形波导的结构特点、工作原理和应用进行介绍。

结构特点。

标准矩形波导由金属矩形管和金属盖板组成，其截面呈矩形。

矩形波导的宽度和高度决定了其工作频率范围，通常采用常见的规格，如WR90、WR75等。

矩形波导内壁通常采用电镀银或金属镀层，以降低传输损耗和提高抗氧化能力。

波导的两端可以通过连接器与其他设备相连，形成封闭的传输通道。

工作原理。

当高频信号进入矩形波导时，会在波导内壁上产生电磁场，这些电磁场沿着波导传播，并在波导的另一端输出。

由于矩形波导内壁的导电性，电磁波会在波导内壁上发生多次反射，从而实现信号的传输。

矩形波导的工作原理类似于光纤，都是利用全反射来传输
信号，但波导的工作频率通常在兆赫至千兆赫的微波范围内。

应用领域。

标准矩形波导在微波通信系统中扮演着重要角色，常用于天线和收发模块之间的信号传输。

此外，矩形波导还被广泛应用于雷达系统中，用于天线阵列、相控阵和波束形成等方面。

在微波加热设备中，矩形波导也被用于传输高频能量，实现对食品和工业原料的加热处理。

总结。

标准矩形波导作为一种重要的微波传输结构，在通信、雷达和加热等领域都有着广泛的应用。

其结构特点、工作原理和应用领域都体现了其独特的优势和价值。

随着微波技术的不断发展，矩形波导将继续发挥重要作用，为各种微波应用提供可靠的传输支持。

矩形波导的设计讲解矩形波导模式和场结构分析第⼀章绪论1.1选题背景及意义矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截⾯形状为矩形的长⽅形的⾦属管。

若将同轴线的内导线抽⾛，则在⼀定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。

矩波导加⼯⽅便，具有损耗⼩和双极化特性，常⽤于要求双极化模的天线的馈线中，也⼴泛⽤作各种谐振腔、波长计，是⼀种较常⽤的规则⾦属波导。

矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。

其中主要有三种常⽤模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。

在不同⼯作模式下，截⽌波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种⼯作模式的⽤途也不相同。

导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电⼒线的疏密来表⽰场得强与弱。

本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常⽤模式，并利⽤MATLAB 和三维⾼频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。

1.2国内外研究概况及发展趋势由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究⽅法，采取重叠的研究⽅法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。

时域有限差分法就是实现直接对电磁⼯程问题进⾏计算机模拟的基本⽅法。

在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进⾏了⼤量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作⽤下的理论。

另外，对于物体的电特性，理论上具有⼏乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作⽤。

英国物理学家汤姆逊(电⼦的发现者) 在1893 年发表了⼀本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩⾦属壁管⼦(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预⾔波长可与矩柱直径相⽐拟, 这就是微波。

他预⾔的矩波导传输, 直到1936 年才实现。

微波技术基础考察小论文请讨论矩形波导TE 10模的截止波长、相速、波导波长、波阻抗；其外形结构尺寸的确定遵循什么原则？ 一、理论依据1） 通常将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气介质的规则金属波导称为矩形波导, 它是微波技术中最常用的传输系统之一 矩形波导TE 波的截止波数:22⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=b n a m K c ππ它与波导尺寸、传输波型有关。

m 和n 分别代表TE 波沿x 方向和y 方向分布的半波个数, 一组m 、n, 对应一种TE 波, 称作TE mn 模; 但m 和n 不能同时为零, 否则场分量全部为零。

因此，矩形波导能够存在TE m0模和TE 0n 模及TE mn (m,n ≠0)模; 其中TE 10模是最低次模（主模）, 其余称为高次模。

2）单模传输在传输过程中，如若我们需要传输TE 10模，我们需要抑制高次模的传输。

因此工作波长应该满足：1020TE TE λλλ<<1001TE TE λλλ<<二、问题解答对于TE 10模即m = 1, n = 01）TE 10模的截止波数c K 为：a K c π=2） 截止波长c λ：a aK cc 222===πππλ 3）相速p v 表示波的等相位面沿波导的轴向（z ）传播的速度， 其值：22211⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==a v v wv c p λλλβ4）波导波长g λ表示波导内沿其轴向传播的电磁波，它的相邻的两个同相位点之间的距离， 其值：21⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==c p g fv λλλλ将截止波长代入，则： 波导波长：22211⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==a fv c p g λλλλλλ 5）在不计损耗的情况下，在行波状态下，电场的横向分量Et 和磁场的横向分量Ht 不仅构成了沿波导轴正Z 方向传播的波，而且对于同一波形而言，t E 和t H 的比值在波导横截面内处处相等，它与坐标Z 无关，并具有阻抗的量纲。

第3章 规则波导和空腔谐振器3.1什么是规则波导？它对实际的波导有哪些简化？答 规则波导是对实际波导的简化。

简化条件是：（1）波导壁为理想导体表面（∞=σ）；从而可以利用理想导体边界条件；（2）波导被均匀填充（ε、μ为常量）；从而可利用最简单的波动方程；（3）波导内无自由电荷（0=ρ）和传导电流（0=J ）；从而可利用最简单的齐次波动方程；（4）波导沿纵向无限长，且截面形状不变。

从而可利用纵向场法。

3.2纵向场法的主要步骤是什么？以矩形波导为例说明它对问题的分析过程有哪些简化？答 纵向场法的主要步骤是：（1）写出纵向场方程和边界条件（边值问题），（2）运用分离变量法求纵向场方程的通解，（3）利用边界条件求纵向场方程的特解，（4）导出横向场与纵向场的关系，从而写出波导的一般解，（5）讨论波导中场的特性。

运用纵向场法只需解1个标量波动方程，从而避免了解5个标量波动方程。

3.3什么是波导内的波型（模式）？它们是怎样分类和表示的？各符号代表什么物理意义？ 答 运用纵向场法得到的解称为波导内的波型（模式）。

分为横电模和横磁模两大类，表示为TEmn 模和TMmn 模，其中TE 表示横电模，即0=z E ，TM 表示横磁模，即0=z H 。

m 表示场沿波导截面宽边分布的半波数；n 表示场沿波导截面窄边分布的半波数。

3.4矩形波导存在哪三种状态？其导行条件是什么？答 矩形波导存在三种状态，见表3-1-1。

导行条件是222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛<b n a m λ3.5从方程H E ωμj -=⨯∇和E H ωεj =⨯∇出发，推导矩形波导中TE 波的横向分量与纵向分量的关系式（3-1-25）。

解 对TE 波，有0=z E 。

由H E ωμj -=⨯∇和E H ωεj =⨯∇、 βj z-=∂∂得 ()x y z E H j yH ωεβj =--∂∂ ⑴ ()y zx E xH H j ωεβj =∂∂-- ⑵ 0=∂∂-∂∂yH x H x y⑶()x y H E j ωμβj -=-- ⑷()y x H E j ωμβj -=-⑸ z x y H yE x E ωμj -=∂∂-∂∂ ⑹ 由式⑴、⑸y H k E zcx ∂∂-=2j ωμ⑺ 由式⑵、⑷xH k E zc y ∂∂=2j ωμ⑻ 由式⑷得xH k H zc x ∂∂-=2j β⑼ 由式⑸得y H k H zc y ∂∂-=2j β⑽ 3.6用尺寸为2mm 04.3414.72⨯的JB-32矩形波导作馈线，问：（1）当cm 6=λ时波导中能传输哪些波型？（2）写出该波导的单模工作条件。

标准矩形波导标准矩形波导是一种常见的波导类型，广泛应用于微波和毫米波领域。

它具有矩形横截面，通常用于传输高频电磁波。

标准矩形波导由金属管制成，内部空间充满绝缘材料，以便传输电磁波。

本文将介绍标准矩形波导的结构、工作原理以及应用领域。

结构。

标准矩形波导通常由金属制成，其横截面呈矩形形状，通常为长方形或正方形。

波导内部填充绝缘材料，如空气、聚四氟乙烯等，以减小能量损耗。

波导的尺寸通常由其工作频率决定，不同频率的波导尺寸也会有所不同。

波导的壁厚通常足够厚，以确保能够传输高频电磁波而不产生能量损耗。

工作原理。

标准矩形波导主要通过电磁波在金属管内的反射和传播来实现信号的传输。

当电磁波进入波导时，会在金属管内发生多次反射，从而使得信号能够沿着波导传播。

由于波导内部填充了绝缘材料，因此能量损耗相对较小。

波导的工作原理类似于光纤，但其工作频率范围更宽，适用于更多的应用场景。

应用领域。

标准矩形波导广泛应用于微波和毫米波领域，包括雷达系统、通信系统、天线系统等。

由于其能够传输高频电磁波而不产生较大的能量损耗，因此在这些领域中得到了广泛的应用。

标准矩形波导还可以用于连接不同类型的波导或其他射频设备，起到信号传输和匹配的作用。

总结。

标准矩形波导是一种重要的微波传输介质，其结构简单、工作稳定、能量损耗小，适用于多种高频电磁波传输场景。

随着无线通信、雷达技术等领域的发展，标准矩形波导的应用前景将更加广阔。

希望本文对标准矩形波导的结构、工作原理和应用有所帮助，为相关领域的研究和应用提供参考。