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1、低能电子直线加速器微波技术基础,.微波与电磁波谱简介 .电磁波基本知识回顾 .微波技术的主要特点 . 导行波系统及传输线理论 .微波在波导管中的传输 .常用的微波元件 .驻波加速器的微波传输系统举例,.微波与电磁波谱简介,微波是电磁波谱中介于普通无线电波与红外线之间的波段。 波长不同的电磁波在产生、传输技术及应用等方面都将具有不同的特点；发展了不同的学科。,微波波段 频率f: 300MHz 300GHz 波长:1m 1mm,代号 f（GHz） 标称波长（cm） L 1 2 22 S 2 4 10C 4 8 5X 8 12 3,1.电磁波的产生 2.电磁波的传播特性 平面电磁波在均匀无损媒质中的
2、传播 平面电磁波在有损媒质中的传播 电磁波在媒质交界面处的传播规律,.电磁波基本知识回顾,电磁波的产生,电流激发磁场 没有单磁极子 磁力线是围绕电 流的闭合曲线,随时间交变的电场感生交变的涡旋磁场 随时间交变的磁场感生交变的涡旋电场,电磁波的产生,交变电场与交变磁场交互感 应， 相互支持，在空间形成统一的 从振源开始，由近及远，在空 间传播的电磁波 振源近区的场分布很复杂，远区则呈球对称分布。在离源更远的区域，球面则近似为平面波。,真空或理想无损媒质（导电率= 0） 横电磁波（TEM波） 按单一频率 正旋规律变化的平面电磁波是简谐等幅的行波。 电磁波传播速度与频率无关，决定 于介质的介电常数和
3、导磁系数 在真空中即为光速.C3108米/秒。 波阻抗 =Em/Hm 在真空中0=377,平面电磁波在均匀无损媒质中的传播,有损媒质（导电率 0） 仍然是横电磁波（TEM波） 单一频率 的平面电磁波，沿传播 方向是振幅衰减的行波。 波传播速度 V与介质的、及 有关，并随频率变化，是色散波。 波阻抗变为复数，并是频率的函数。即电波与磁波之间有相位差。 波传输常数变为复数k=+j。,平面电磁波在均匀有损媒质中的传播,有损媒质,无损媒质,平面电磁波在良导体中传播的特点,很大，波相速很慢。 很小，波阻抗低，即磁场较强，电场较弱。 很大，衰减很快。定义趋肤深度为场强衰减到1/e=0.368倍的距离。 例
4、：铜 =5.8107米/秒 f=3000MHz条件下=1.2微米,良导体,电磁波在媒质交界面的传播特性,媒质1中的一束入射波在交界面处将产生一束反射波和一束透射波。线性媒质中三束波的频率一致。三束波的波矢量同在一个入射平面上；入射平面与交界面相互垂直。反射角与入射角相等 r= i折射角与入射角有关系式为：,三个波的波幅关系要满足介质交界面处 电磁场的边界条件,三个波的波幅关系要满足介质交界面处电磁场的边界条件,三个波的波幅关系要满足介质交界面处电磁场的边界条件,理想导体（2）交界面 上有薄层（自由）面电荷s和（传导）面电流 j s。 在理想导体表面处，入射波和反射波合成的结果满足： 电力线一定
5、垂直于导体表面。 磁力线一定平行于导体表面。 良导体（如铜，银等）很大，可近似为理想导体处理。,理想导体表面的边界条件,.微波技术的主要特点,普通无线电波段使用的振荡管和放大管不能用于产生或放大微波。 微波波长与元器件的尺度可相比拟； 趋肤效应、辐射效应及延时效应明显表现，不可忽略。 不能用任意形状的导线来传输微波。 微波元器件中的电场与磁场是相互依托，共同存在的；没有单纯的电阻R 、电感 L或电容C等集中参 数的元器件及相应的由L和C组成振荡回路。 微波测量的基本参量不可能是电压、电流或电阻；而是频率f、功率 P、波的散射参量及等效的阻抗参量。,普通栅控电子管在微波波段不能正常工作,例： 电
6、子渡越时间10-9秒微波周期 T 10-9 10-12秒 阴栅分布电容 C 10 -12法 (f ) f 106 Hz 1/(C) 106 f 1010 Hz 1/(C) 100,f = 50Hz 波长=?,f = 50Hz 波长=6000km,f = 50MHz 波长= 6 m,f = 3GHz 波长= 10cm,. 导行波系统及传输线理论,导行波系统简介 平行双线和同轴线传输的TEM波 TEM波传输线的等效电路 传输线的等效电路理论（无损传输线方程的一般解） 传输线工作状态的分类 传输线的状态参量,导行波系统（引导电磁波定向传输的传输线）如何正确选取传输线？ 为什么不同频段需采用不同的导行
7、波传输线？,导行波系统简介,功率容量衰减大小频带特性尺寸合理性,各种传输线,不同频带的传输线,同轴线,波导管,平行双线,任意双线,受限于辐射损失,受限于辐射损失,受限于欧姆损耗 及功率容量,欧姆损耗 功率容量,受限于尺寸过大,传输线类型,微带,介质波导,受限于辐射损失,2.平行线和同轴线传输的TEM波, TEM波传输线的等效电路,沿线分布串联阻抗和并联导纳Z1 = R1+jL1Y1 = G1+jC1无损条件下，可忽略R1，G1微波频率下 L1 R1， C1G1Z1 = jXL = jL1Y1 = jXC = jC1,分布参量R1、G1、 L1、和 C1随频率变化吗？,平行线和同轴线的分布参数,
8、分布参量L1，C1与工作频率无关,同轴线外导体的内径D，内导体直径d， 其间填充介质常数为及，分布参量为L1，C1 可见传输线分布参量由系统的尺寸及介质材料确定，与频率无关； 但其呈现的阻抗是随频率而变的。,X L=L1 ， X C=C1,，,D,d,传输线等效电路理论,电源通过沿线的分布电感逐步向分布电容充电，形成向负载传输的电压波和电流波。长线理论解电路方程，可求得线上分布的等效电压和电流波 ： u(z , t) , i(z , t) 注意：习惯将坐标原点放在负载参考面。,无损理想传输线方程的一般解,线上电压和电流分别都是由入射波和反射波叠加而成。 四个波的相移常数相同，且波相速VP相同，
9、并无色散。 入射波电压与电流的幅值比及反射波电压与电流的幅值比相等；定义为：传输线的特性阻抗Z0 VP和Z0仅与传输线的L1 , C1 有 关，与电源的频率f和功率P无关。也与负载阻抗ZL无关。,电源的f、P和负载ZL对传输线工作状态有影响吗？,Z0,电源的频率f 确定工作波长及相移常数；波幅的绝对值由电源功率P决定；电源的内阻较为复杂，暂不讨论；先假定Zg = Z0 （源端无反射）。传输线的工作按不同 负载ZL的情况，可分为行波、驻波和混波三种状态。,传输线工作状态的分类,电流入射波,行波状态,线上仅有入射波；像波浪 一样向前传播；,线上各处输入阻抗为常数并等于Z0,负载匹配 ZL = Z0
10、,驻波状态,入射波与反射波合成驻波,终端短路 ZL=0 u(0, t)=0全反射 Uim =Urm Iim =Irm r =u(z,t) =2 UimSinz Costi(z,t) =2 Iim Cosz Sint,u(z,t)=Uimsin(t+z)+ Urmsin(t-z+r)i(z,t) = Iimsin(t+z) - Irmsin(t -z+ r),终端开路 ZL= i(0, t)=0全反射 Uim =Urm Iim =Irm r =0u(z,t) =2 UimCosz Sinti(z,t) =2 Iim Sinz Cost,电流驻波与电压驻波在时间上相差（ /2） 空间上相差 （ /
11、4）距离。,电流驻波与电压驻波在时间上相差（ /2）空间上相差 （ /4）距离。沿线的输入阻抗是以（/2）为周期变化的。/4线具有阻抗倒转性。,全反射驻波的 输入阻抗Zin(z),纯虚数负载全反射,纯感负载 ZL = j XL,纯电容负载 ZL = j XL,电容负载 ZL =- j XC,问题：纯虚数负载输入阻抗Zin(z)=?,混波状态,传输线的状态参量,反射系数,驻波系数,输入阻抗,传输线的状态参量转换关系,三套参量，同一对象；可相互转换,电压反射系数与电压驻波比(VSWR),引入功率反射系数,1.0 0, 1.0, 0.01,.微波在波导管中的传输,1.概述： 波导管可以传输什么样的电
12、磁波？ 波导是怎样传输电磁波的？ 2.矩形波导中的电磁波 波导模式（波型） TE及TM波的传输特性及参量 矩形波导的主模TE103.圆波导中传输的电磁波简介 4.波导传输微波的功率特性,波导管可以传输什么样的电磁波？,空心金属管中电磁波不可能自由传输 必须满足电磁场的基本规律 必须满足金属边界条件,空心金属管中能否存在静电场？ 矩形波导管中能否存在均匀分布的简谐场Ey =Em sint ? 空心波导管能否传输TEM波？,微波理论和实验证明波导管中可以传输 TE 和 TM 波TE波( H波) 横电波（磁波） 有Hz分量TM波(E波) 横磁波（电波） 有Ez分量,（不能）,（不能）,（不能）,波导
13、管是怎样传输电磁波的？,TEM波斜射进入波导，受金属壁来回往返反射，曲折前进，通过波导。入射波和反射波叠加合 成，可以在波导中形成各种各样的TE, TM波。,每个波型的电磁场在金属边界均满足Et =0 Hn =0 横截面内是驻波场；,波导管是怎样传输电磁波的？,矩形波导的电磁波,存在无穷多个TEmn和TMmn的本征模式(m=0,1,2 n=0,1,2) mn是模式标号，分别表示宽边和窄边上的驻波波腹数 本征模式：可以单独存在的某一种基本的电磁场形态 各种模式的场可以叠加成复杂的场存在与波导中。 通常采用单模工作状态。,矩形波导中TE和TM波的传输特性参量,由波导尺寸（a，b)及模式标号决定。
14、TEmn ， TMmn波型不同，c相同。 TE和 TM波是色散波相速和群速均随频率变化,矩形波导的TE10模的C最长，称为最低模称其他模为高次模。TE10模的C=2a, 2a, 则全都截止。 TE10模可实现单模工作，是矩形波导的主模。,矩形波导传输的主模TE10,常用10cm波段的波导a 7.2cm b3.4cm,C=14.4cm fc=?,f=2998MHz =10cm g =?,13.9cm,2080MHz,圆波导中传输的电磁波简介,基本概念与矩形波导一样 TEM波斜射，金属壁反射无穷多TEmn , TMmn 本征模 m标注辐向，n标注径向 c 可传输，g，Vpc,常用的模式特点 TM0
15、1 有EZ场, 可用与和电子 相互作用（加模片成盘菏波导) TE11 最低模，辐向变一周期 径向有一波腹，用于与矩形波 导连接（波导窗，磁控管的方 圆转换） TE01 圆电模式,损耗最小,高Q腔,波导传输微波的功率特性,实际波导金属材料不是理想导体，是良导体。电磁波在内壁有高频感应面电流（例TE10 波） 传输过程中，波导发热，功率损耗，指数衰减。E(z)=E0e -zP(z)=P0e -z 衰减单位（分贝，db),A=3db P=0.5P0 A=10db P=0.1P0 A=20db P=0.01P0,损耗与衰减,.常用的微波元件,1.无源微波传输元器件的作用 2.各种微波元器件简介 匹配负载，短路活塞，波导同轴转换 衰减器，移相器， 波导三通（E-T,H-T) 定向耦合器 波导双T和魔T 3.波导使用时的几个实际问题,
