西南交通大学：《电磁场》课程教学资源（PPT课件）第八章 波导 Waveguide

波一导 第八章波导 Waveguide 序 导行电磁波的分类及其一般特性 矩形波导 谐振腔 回下页

第 八 章 波 导 第八章 波 导 Waveguide 序 矩形波导 谐振腔 导行电磁波的分类及其一般特性 返 回 下 页

波一导 80序 Introduction 80.1频谱表( Frequency Table) 3Hz 30Hz 300HZ 3kHz 30kHz 300kHz 3MHZ 30MHZ 300MHZ 3GHz GHZ 300GHz 3THZ 30THz 300THz 音频甚低频低频中频高频甚高频特高频「超高频极高频「超级 VFVLF VHF UHF SHE EHF高频 雷达频率 微波频率 红外 射频 无线电波 超长波长波中波短波超短波分米波厘米波毫米波 VLW LW MW SW VSW 米波 105km 104km 103km 102km 10km lkm 100m (公里) (米) (厘米)(毫米) (微米) 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 Introduction 8.0.1 频谱表 (Frequency Table) 8.0 序 音频 VF 甚低频 VLF 低 频 LF 中 频 MF 高 频 HF 甚高频 VHF 特高频 UHF 超高频 SHF 极高频 EHF 超长波 VLW 长波 LW 中波 MW 超短波 VSW 米波 分米波 厘米波 毫米波 3Hz 30Hz 300Hz 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz 105km 104km 103km 102km 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 100 10 1 （公里） （米） （厘米）（毫米） （微米） 短波 SW 音 频 雷达频率 视 频 微波频率 红外 超级 高频 射频 无线电波 m m m 返 回 上 页 下 页

波一导 8.0.2波导类型( Waveguide forms) E 低、中频区(双导体)中高频区(微带线)高频区(金属波导) 图8.0.1各种载波体 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 图8.0.1 各种载波体 低、中频区(双导体） 中高频区(微带线） 高频区(金属波导） 8.0.2 波导类型 (Waveguide Forms) 返 回 上 页 下 页

波一导 8.0.2微波特点( Microwave Characteristic) 1.类似于光波的特性 波长很短,直线传播。可将电磁能量集中在很 小的角度内定向辐射(雷达;航天遥控、遥感、遥 测、通信等) 2穿越电离层的透射性 给空间通信、卫星导航、卫星遥感、射电天文 学等提供了无线通道 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 8.0.2 微波特点 (Microwave Characteristic) 1.类似于光波的特性 波长很短，直线传播。可将电磁能量集中在很 小的角度内定向辐射（雷达；航天遥控、遥感、遥 测、通信等） 2.穿越电离层的透射性 给空间通信、卫星导航、卫星遥感、射电天文 学等提供了无线通道。 返 回 上 页 下 页

波一导 3宽频带特性 传输的信息越多,占用的频带越宽。 30kM-100kM带宽可以传送200路电视或10000 双向电话,这是短波通信望尘莫及的。 信息传输的速度越来越高,如1s内传输107~109 个数据,非微波莫属。 4.抗低频干扰特性 大多数自然干扰(来自宇宙、大气层)和人 为千扰(电气、电子设备等产生的电子垃圾)集 中在数十兆以下的低、中频域内,用微波滤波器 便可拒之门外。 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 4.抗低频干扰特性 大多数自然干扰（来自宇宙、大气层）和人 为干扰（电气、电子设备等产生的电子垃圾）集 中在数十兆以下的低、中频域内，用微波滤波器 便可拒之门外。 信息传输的速度越来越高，如1s内传输 个数据，非微波莫属。 7 9 10 ~10 3.宽频带特性 传输的信息越多，占用的频带越宽。 30kM~100kM带宽可以传送200路电视或 100000 路 双向电话，这是短波通信望尘莫及的。 返 回 上 页 下 页

波一导 1000 电离层 5000汽 外层大 論滋层 地球 1000 长波传播 500 电离层 器续察2层 20崎解缘签F层 电离 07层层 地球 50:D层 短波传播 电离层 20}s 臭氧层 珠穆朗玛 积云雨 同温层对流层 地球 微波传播 图8.0.2对流层、同温层和电离 图8.0.3不同波长的传播途径 层的配置(白天) 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 图8.0.3 不同波长的传播途径 长 波 传 播 短 波 传 播 微 波 传 播 图8.0.2 对流层、同温层和电离 层的配置（白天） 返 回 上 页 下 页

波一导 8.1导行电磁波分类及其一般特性 Guided Electromagnetic Wave's Types and characteristic 8.1.1导行波的分类( Guided Wave's Types) 设 载波体无限长,具有轴向均匀性(无反射) 载波体为完纯导体,其周围是理想介质(无损耗) 载波体中无激励源(p=0,J=0) 电磁波沿z轴传播,且随时间作正弦变化 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 8 . 1 导行电磁波分类及其一般特性 8.1.1 导行波的分类 (Guided Wave’s Types) Guided Electromagnetic Wave’s Types and Characteristic 设： 载波体无限长，具有轴向均匀性（无反射） 载波体为完纯导体，其周围是理想介质（无损耗） 载波体中无激励源 ( = 0 , J = 0) 电磁波沿 z 轴传播，且随时间作正弦变化。 返 回 上 页 下 页

波一导 V2E=-k2E(1)V2H=-k2H(2) 式中k=O√/=0/v,沿z轴传播的通解为 E(x,y, z)=E(x, y)e =; H(, 3, 2)=H(,yer= 代入式(1)、(2),得到波动方程 VfE(x, y+kcE(x,y)=0 ViH(x, y)+kcH(x,y)=0 式中 k2=k2+y2 —横向拉普拉斯算子。 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 (1) 2 2 E  E   = −k (2) 2 2 H  H   = −k 式中 k =  = / v ，沿 z 轴传播的通解为 E (x, y,z) = E (x, y)e − z ； z H x y z H x y − ( , , ) = ( , )e   代入式（1)、(2），得到波动方程 ( , ) ( , ) 0 2 2 t E x y + kc E x y = ( , ) ( , ) 0 2 2 t H x y + kc H x y = , —横向拉普拉斯算子。 2 2 2 k = k + c 2 2 2 2 2 x y t   +    = 式中 返 回 上 页 下 页

波一导 波动方程V:E(x,y)+k2E(x,y)=0 VH(, y)+k-H(x,y)=o 根据纵向场法解得E和H,再由 Maxwel方程 解得其它四个场分量 1 aE H aH (-=+j04-x-=) aE (-y--+jo4-=) OX ax OE aH aE aH H (0E--y-=)H, gjos 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 (j ) 1 2 x H y E k H z z c x   −   =      ( j ) 1 2 y H x E k E z z c x   +   = −      (j ) 1 2 y H x E k H z z c y   +   = −      ( j ) 1 2 x H y E k E z z c y   +   = −      根据纵向场法解得 和 ，再由Maxwell 方程 解得其它四个场分量 Ez  Hz  ( , ) ( , ) 0 2 2 t E  x y + kc E  x y = ( , ) ( , ) 0 2 2 t H  x y + kc H  x y = 波动方程 返 回 上 页 下 页

波一导 1、TEM波(E=0,B=0) 只有当k=0时,电磁场的横向分量才存在,此时 VE(x,y)=0,V2H(x,y)=0—拉普拉斯方程 说明,任一时刻,在xOy平面上场的分布与稳态场相同。 2、TE波(E.=0.H≠0) 亦称横电波( Transverse Electric 3、TM波(E≠0,H2=0) 亦称横磁波( Transverse Magnetic) 「返回「上页「下页

第 八 章 波 导 2、TE 波（ E  z = 0, H  z  0 ） 3、TM 波（ E  z  0, H  z = 0 ） 亦称横电波 (Transverse Electric) 亦称横磁波 (Transverse Magnetic) 1、TEM 波 ( = 0, = 0) Ez Hz   说明，任一时刻，在x0y平面上场的分布与稳态场相同。 只有当 kc = 0 时，电磁场的横向分量才存在，此时 ( , ) 0 , 2 t E  x y = ( , ) 0 2 t H  x y = ——拉普拉斯方程 返 回 上 页 下 页