微波技术与天线刘学观 第23节

《微波技术与天线刘学观 第23节》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波技术与天线刘学观 第23节（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 2.3 圆波导 n若将同轴线的内导体抽走，则在一定条件下，由外导体 所包围的圆形空间也能传输电磁能量，这就是圆形波导 ，简称圆波导(circular waveguide)。 n与矩形波导一样，圆波导也只能传输TE和TM波型。 n本节要点 n圆波导中的场 n圆波导的传输特性 n几种常用模式 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 1. 圆波导中的场 n表达式中的cosm和sinm是由于圆波导的轴对称性，使 场的极化方向具有不确定性，因此导行波的场分布在方 向存在两种可能的分布，它们独立存在，相互正交，截止 波长相同，构成同一导行模的极化简并模(

2、degenerate mode)。 n其中，Jm(x)为m阶贝塞尔函数；mn为m阶贝塞尔函数 的一阶导数的第n个根，kcTEmn= mn /a 。 (1)TE波 n采用分离变量法及边界条件，求得纵向磁场的通解 为 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 第一类贝塞尔函数 及其导数 的变化曲线 第二类贝塞尔函数 的变化曲线 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 利用纵向分量表示横向分量 TE波 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 其它场分量: 圆波导TE波的波阻抗为 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 n与TE波相同的分析，可求得TM波纵向电场通解为 ： (2)

3、 TM波 边界条件 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 其它场分量: 圆波导中TM模, 波阻抗为 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 n 圆波导中存在着无穷多种TE和TM模，不同的m和n代表 不同的模式，记作TEmn和TMmn，其中，m表示场沿圆周分 布的整波数，n表示场沿半径分布的最大值个数。 n 它们的相移常数分别为 结论： 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 圆波导模TEmn和TMmn的截止波数分别为 各模式的截止波长分别为： 2. 圆波导的传输特性 （1）截止波长 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 圆波导中 TM波截 止波长值 圆波导中 TE波

4、截止 波长值 波型 H11 H21 H01 1.841 3.054 3.832 3.41a 2.06a 1.64a 波 型 E01 E11 E21 2.405 3.832 5.135 2.62a 1.64a 1.22a 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 圆波导中各模式截止波长的分布图 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 当 所有的模都不能传输 当 只能传输 模 当 时，则可传输 和 两种波 如要传输 波，则 但此波导中将同时 存在 、 、 及 四个模式的波型。 在所有的模式中，TE11模截止波长最长，其次为 TM01模，三种典型模式的截止波长分别为 :TE11, TM01

5、,TE01. 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 圆波导具有轴对称结构。对于m0的任意非圆对称模 式,由于场沿方向存在sinm和cosm两种场分布，两者 的截止波数相同传播特性相同，但极化面互相垂直，称之 为极化简并。 (2)简并模 (a)E-H简并 (b) 极化简并(polarization degenerate) 在圆波导中除TE0n和TM0n 外的所有模式均存在极化简并 。 由于贝塞尔函数具有 的性质， 所以一阶贝塞尔函数的根和零阶贝塞尔函数 导数的根相等， 故 ，从而形 成了TE0n模和TM1n模的简并。 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 极化简并 旋转 正因为存

6、在极化简并, 所以波在传播过程中由于圆波导细微的不均 匀而引起极化旋转, 从而导致不能单模传输 。利用极化简并现象制 成极化衰减器、极化变换器等 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 (c)传输功率 其中， TEmn和TMmn模的传输功率分别为： 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 可见，要探索小衰减，大功率传输线，想到圆波 导是自然的。 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 当我们深入研究波导衰减，发现频率升高时衰减在矩形波导中上升很 快。仔细分析表明，衰减由两部分组成：一部分称纵向电流衰减，另一部 分是横向电流衰减。 当频率升高时，横向电尺寸加大，使横向电流衰减反

7、而减少。这样所 构成的矛盾因素使衰减有了极值，同时形成频率升高时衰减增加。 而以后在圆波导中将会发现，有的波型(圆波导中H01波型)无纵向电流 ，因此，若采用这种波型会使高频时衰减减小。 圆波导TE01波衰减 矩形波导TE10波衰减 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 3.几种常用模式 TE11模的截止波长最长，是圆波导中的最低次模，也是主模。圆波导中 模的场分布与矩形波导的模的场分布很相似，因此工程上容易通过矩形波导 的横截面逐渐过渡变为圆波导，从而构成方圆波导变换器。 场结构分布图方圆波导变换器 但由于圆波导中极化简并模的存在，所以很难实现单模传输，因此圆波导 不太适合于远距离传

8、输场合。 (1) 主模(principle mode)TE11模 在一些特殊应用中，如在雷达系统中，当要求传输圆极化波时，采用TE11波是 很方便的；又如在多路通信收发共用天线中采用TE11波的两个不同极化波，以 避免收发之间的耦合。利用TE11波为极化简并也可构成一些特殊的波导元器件 ，如铁氧体环行器、极化变换器、极化衰减器等。 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 TE11波（m=1，n=1） 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 （2）圆对称TM01模 TM01模是圆波导的第一个高次模。由于它具有圆对称性故不存在极 化简并模，因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工作模式

9、。 TM01模的场分布 磁场只有 H分量 波导内壁电流： 因其磁场只有H分量，故波导内壁电流只有纵向分量，因此它可以有 效地和轴向流动的电子流交换能量，由此将其应用于微波电子管中的谐 振腔及直线电子加速器中的工作模式。 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 TM01波(m=0，n=1） 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 (3)低损耗的TE01模 TE01模是圆波导的高次模式，比它低的模式有TE11 、TM01 、TE21 ， 它与TM11是简并模。它也是圆对称模故无极化简并。 圆波导三种模式的导体衰减曲线 TE01模的场分布 磁场有径向 和轴向分量 波导内壁电流： 磁场只有径向和轴向分量，故波导管壁电流无纵向分量，只有周向电流。因此， 当传输功率一定时，随着频率升高，管壁的热损耗将单调下降，故其损耗相对其它 模式来说是低的。因此可将工作在TE01模的圆波导用于毫米波的远距离传输或制作 高Q值的谐振腔。但TE01模不是主模，故使用时需要设法抑制其它模式。 第二章 规则金属波导之圆波导 微波技术与天线 TE01波（m=0，n=1 ）