微波技术-第3章1矩形波导
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第1篇一、矩形波导的模式分类矩形波导中的电磁波模式主要分为TE(横电磁波)模式和TM(纵电磁波)模式。
1. TE模式TE模式是指电场只在波导的横向(垂直于传播方向)分量存在,而磁场则在纵向(沿传播方向)分量存在。
根据电场和磁场在波导横截面上的分布,TE模式又可以分为TE10、TE20、TE01等模式。
(1)TE10模式:TE10模式是矩形波导中最基本、最常用的模式。
其电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
TE10模式的截止频率最高,适用于高频传输。
(2)TE20模式:TE20模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率低于TE10模式,适用于中频传输。
(3)TE01模式:TE01模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
其截止频率最低,适用于低频传输。
2. TM模式TM模式是指磁场只在波导的横向分量存在,而电场则在纵向分量存在。
根据电场和磁场在波导横截面上的分布,TM模式又可以分为TM01、TM11、TM21等模式。
(1)TM01模式:TM01模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率最高,适用于高频传输。
(2)TM11模式:TM11模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈椭圆。
其截止频率低于TM01模式,适用于中频传输。
(3)TM21模式:TM21模式的电场分布呈矩形,磁场分布呈圆形。
其截止频率最低,适用于低频传输。
二、矩形波导的模式特性1. 截止频率截止频率是矩形波导中一个重要的参数,它决定了电磁波在波导中能否有效传输。
不同模式的截止频率不同,其中TE10模式的截止频率最高,适用于高频传输。
2. 相速度相速度是指电磁波在波导中传播的速度。
不同模式的相速度不同,TE模式的相速度比TM模式快。
3. 模式损耗模式损耗是指电磁波在波导中传播时,由于波导壁的吸收和辐射等原因,能量逐渐衰减的现象。
不同模式的损耗不同,TE模式的损耗比TM模式小。
4. 传输特性矩形波导中不同模式的传输特性不同,如TE模式的传输特性较好,适用于高频传输;TM模式的传输特性较差,适用于低频传输。
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。
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 x H H j ωεβj =∂∂-- ⑵0=∂∂-∂∂yH x H x y⑶()x y H E j ωμβj -=-- ⑷()y x H E j ωμβj -=- ⑸z 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。
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。
xyz图 1矩形波导1)TE 模,0=z E 。
coscos zz mn m x n y H H e a bγππ-= 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 bγωμπππ-=-2sincos z x mn c m m x n y H H e k aa bγλπππ-=2cossin z y mn c n m x n y H H e k ba bγλπππ-=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mnTE 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。