微波技术基础导波的分类及各类导波的特性.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,1.,k,、,γ,、,k,c,代表的物理意义及三者之间的关系2.,简述金属柱面波导中，导波的三种状态？,复习,1.3,导波的分类及各类导波的特性,,1.3.1,导波的分类,,,,导波的类型是指满足,无限长匀直,导波系统横截面边界条件，能独立存在的导波形式按导波有无纵向场分量可以分为两大类：,,横电磁波（,TEM,波）,→,,E,z,=H,z,=0,,,有纵向场分量的电磁波，这又细分为以下三种类型,,,横电波（,TE,波）或磁波,(H,波,),→,E,z,=0,，,H,z,≠0,,横磁波（,TM,波）或电波（,E,波）,→,,E,z,≠0,，,H,z,=0,,混合波（,EH,波或,HE,波）,→,,E,z,≠0,，,H,z,≠0,,,1.,无纵向场分量，即,E,z,=,H,z,=0,的电磁波，这种波只有横电磁场，故称为,横电磁波,(TEM,波,),，电、磁力线位于导波系统的横截面内。

横电磁波只能存在于,多导体,导波系统,中，如双线、同轴线等这类导波系统中自由空间波,(TEM,波,),：,E,x,、,E,y,、,H,x,、,H,y,、,E,z,＝,0,、,H,z,＝,0,2.,有纵向场分量的电磁波，这种波又细分为以下三种类型1).,E,z,=0,，,H,z,≠0,的波称为,横电波,(,TE,波,),或,磁,波,(,H,波,),其电力线全在导波系统的横截面内，磁力线为空间曲线2).,E,z,≠0,，,H,z,=0,的波称为横磁波,(,TM,波,),或电波,(,E,波,),其磁力线全在导波系统的横截面内，电力线为空间曲线3).,E,z,≠0,，,H,z,≠,,0,的波称为混合波,(,EH,波或,HE,波,),这种波可视为,TE,波和,TM,波的线性叠加TM,11,1.,E,z,=0,，,H,z,≠0,的波称为,横电波,(,TE,波,),或,磁,波,(,H,波,),2.,E,z,≠0,，,H,z,=0,的波称为横磁波,(,TM,波,),或电波,(,E,波,),3.,E,z,≠0,，,H,z,≠,,0,的波称为混合波,(,EH,波或,HE,波,),前两种波，,TE,波和,TM,波可以,独立,存在于金属柱面波导、圆柱介质波导和无限宽的平板介质波导中。

后一种波,(EH,波或,HE,波,),则存在于一般,开波导和非均匀波导,(,如波导横截面尺寸变化，波导填充的介质不均匀等,),中，这是由于单独的,TE,波或,TM,波不能满足复杂的,边界条件,，必须二者线性叠加方能有合适的解之故相速：是没有受到任何调制的,单频,稳态正弦波的,波前,(,等相位面,),在传播方向上推进的速度＝,ω,/,β,相对论：宇宙间任何物体的运动速度，任何信号或能量的传播速度不可能超过光速这种“早就开始振荡和传播，并且持续不断的”波，不载有任何信息三,TE,波、,TM,波的特性分析,,群速：波包中心行进的速度＝,d,ω,/d,β,，代表能量或信号的传播速度相速是波包中某个单频的,相位移动,速度,光在真空中，群速和相速相等，都等于,c,记一下,(1.63a),(1.63b),(2),群速,,群速即信号传播速度，用,v,g,表示它是指,ω,略有不同的两个或,两个以上的正弦平面波,，在传播中叠加所产生的拍频传播速度，即波群的传播速度之所以这样定义它，是因为电磁波要传送信号，必须对它进行调制信号的传播速度应当是调制波中能反映信号的成分，例如调幅波,波群,(,或波包,),的传播速度。

由两个频率相差甚微，从而相位常数也相差甚微的等幅波叠加而成的波设,三,TE,波、,TM,波的特性分析,,式中 ， 合成波为,(1.64),可见合成场为一调幅波，振幅函数是一个慢变化的波，它叠加在高频载波上形成合成波的幅度包络线,(,或称为合成波的波包,),合成波的变化规律如图,1.4,所示三,TE,波、,TM,波的特性分析,,图,1.4,(1.65),(1.66),在 的极限情况下，上式变为,,调幅波的信号是由波包内的波群作为一个整体在传播方向上运动来传递的，因此波包的传播速度就代表了信号传递的速度波包的传播速度很容易用相位恒定条件求出，即,对,t,求导数可得群速表示式,(1.67),三,TE,波、,TM,波的特性分析,,双负介质,(DNG media,：,Double-Negative metamtaterials),，,,负折射率介质,(NIMs,：,Negative-Index Materials,；,NRI,：,Negative-Refractive-Index),，,,左手介质,(LHM,：,Left-Handed Material),，,,后向波介质,(BW media,：,Backward-Wave media),，,,人工复合材料,(CMM,：,Composite Metamaterial),，,,孔金瓯,(Kong J A),教授建议其中文名称为“异向介质”,,光子晶体,(PC: Photonic Crystals),,手征介质,(Chiral media),1.1,称谓,异向介质介绍,1,金属导线阵列和开路环谐振器,,2,用,Drude,介质模型或,Lorentz,介质模型来等效,,3,传输线上加载串联电容和并联电感构成的复合介质,实现方法,实验制得的左手材料结构,左手材料的研制被,《,科学,》,杂志评为,2003,年度,,全球十大科学进展。

1.2,早期研究进展及实现方法,均匀排列的细金属 开路环谐振器基本结构 单个谐振环基本结构,1.,金属导线阵列和开路环谐振器,图,2.3,,制作出,,的微波波段的异向介质,,对称环结构,,S,型 嵌套结构,,,各种结构的开路环谐振器,1.3,实现方法,均匀排列的细金属,1.,金属导线阵列和开路环谐振器,金属阵列的等效介电系数将遵循下面的形式：,,,,,(2-1),,式,(2-1),中,ε,0,为真空介电常数，,ω,为入射波频率，,ω,p,为等离子体频率，,γ,为等离子体电子碰撞频率，,σ,为金属导线的电导率我们可以通过调整金属导线周期尺寸,a,和导线的粗细,d,在需要的频段得到负的介电系数实现方法,开路环谐振器基本结构 单个谐振环基本结构,1.,金属导线阵列和开路环谐振器,Pendry J B,和,Koschny T,等人同时指出用开路环谐振器,(SRRs,：,Split Ring Resonators,，见图,2-1(b)),阵列可以构造等效,μ,和,ε,为负的介质即,,,(2-2),,,式中,ω’,m,为磁等离子体频率；,ω,m,为磁谐振频率；,γ,为磁等离子体电子碰撞频率，表示其损耗特性；,ω,0,为电谐振频率。

同样通过调整,SRRs,的环宽度,w,、环间距,s,、环开口,g,在需要的频段得到负的磁导系数将图,2-1(a),和多个图,2-1(b),的,SRRs,、介质板周期排列结合，可以得到异向介质材料，如图,2-1(c),异向介质的介电系数和磁导系数可以通过提取,S,参数来求出实现方法,2.,等效的,Drude,介质模型或,Lorentz,介质模型,,1.3,实现方法,3.,传输线上加载串联电容和并联电感构成的复合介质,,纯右手材料 纯左手材料 复合介质,,等效电路模型,微带线,﹑,交叉指电容和接地的短桩电感 电容增强型蘑菇结构,,物理实现,1.3,实现方法,异向介质的应用前景,“,理想,”,透镜,异向介质实现定向天线原理图,超薄谐振腔结构,,吸波隐身材料等,,导行波分为,,,和 三类,,,,这时 ， ， 导行波的传播特性与均匀平面波相同，是,TEM,波由,k,与,k,c,的不同关系，这种导行波又可分为以下三种状态：,,①,,,相位速度,群速度,波导波长,特点,:,是相速大于平面波速，即大于该媒质中的光速，而群,,速则小于该媒质中的光速，同时导波波长大于空间波长。

这,,是一种快波②,,,,临界状态,,沿,z,方向没有波的传播过程，,k,称为临界（截止）波数临界,（截止）,角频率,临界,（截止）,频率,临界,（截止）,波长,③,,,,,,,,,,,,这时场的振幅沿,z,方向呈指数变化而相位不变，它不再是行波而是衰减场式中第一项代表沿,+z,方向衰减的，第二项代表沿,-z,方向衰减的场这种状态称为截止状态或过截止状态这种导行波的相速小于无界媒质中的波速，而波长小于无,,界媒质中的波长，这是一种慢波→可用周期结构实现回旋振荡管,-,慢波,特点：发展最早，现在已经比较成熟；,,工作频率从厘米波段到亚毫米波段在毫米波和亚毫米波波段是目前最有优势的高平均功率源图,2,回旋振荡管结构图,图 回旋速调管的结构示意图,回旋速调管,,微波功率发生器、空间功率合成、波束控制、接收天线、微波整流电路、整流天线组阵技术等,1.3.2 TEM,波的特性分析,,场分量,,,TEM,波无纵向场分量，将 代入横向场,,与纵向场的关系式有：,,可得：,,,,TEM,波的场分量,,,与传播方向,,互相垂直,,,并按,,成右手螺旋关系TEM,波的波阻抗和波导纳为,：,,与无界媒质相同,于是,,,,,传播特性,,由横,-,纵场关系可知，当 时，要使等式,(1.2-38),和式,(12-39),左端的场不为零（横场若为零，则,TEM,波不存在）只有,k,c,等于零，即,TEM,波有,,或,此式说明,TEM,波,无低频截止,，即双线、同轴线等传输线，理,,论上可以传播任意低频率的电磁波。

再由 得：,,无耗时,,,此式表明导波中,TEM,波的传播常数与无界均匀媒电磁波的,,传播常数相同再由,,,,波的相位速度,v,p,定义为波的,等相位面向前移动,的速度,,,,波的相速与频率无关，这种特性为无色散（波的速度随,,频率变化而变化的现象称为色散），,TEM,波为无色散波TEM,波场沿横向分布的特点,,TEM,波的场在导波系统横截面上的分布与边界条件相同,,的二维静场完全一致,，,求,TEM,波的横向分布函数，可以,,采用求静态场完全类似的方法因为对,TEM,波 ，有：,,于是求解,TEM,波的场就是求满足边界条件的,拉普拉斯方程,的解,,。