射頻電路與天線（一）

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第7講金屬波導(dǎo)(2)王世偉華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院天線與射頻技術(shù)研究所TEL:22236201-604Email:eewsw@同軸線波導(dǎo)的連接波導(dǎo)的激勵(lì)與耦合第7講內(nèi)容教材P58-677.1同軸線同軸線是由兩根共軸的圓柱導(dǎo)體所組成，主模為TEM波，也可傳輸TE、TM波（高次模）。TEM波

根據(jù)Maxwell方程組，同軸線TEM波滿足于是TEM模場分布EH同軸線橫截面TEM模電場動(dòng)態(tài)圖同軸線橫截面TEM模磁場動(dòng)態(tài)圖電流、電壓與特性阻抗

電介質(zhì)填充時(shí)傳輸功率功率容量導(dǎo)體衰減常數(shù)介質(zhì)衰減常數(shù)－介質(zhì)擊穿電場強(qiáng)度

高次模同軸線也存在高次模，采用與圓波導(dǎo)類似的分析方法，考慮到同軸線存在內(nèi)導(dǎo)體邊界條件，可以得到求截止波數(shù)的特征方程對于TM波

近似解

與m無關(guān)

同軸線TM01模場分布

對于TE波對于TEm1模，近似解

對于TE01模，近似解

同軸線TE11模（最低高次模）場分布同軸線模式分布圖

同軸線尺寸的選擇原則單模傳輸，只傳輸TEM波功率容量大（相對于微帶線等平面電路）衰減小易于匹配，特性阻抗合適無輻射損耗，抗干擾對于TEM模單模工作

對于最大功率容量對于最小衰減容量折衷選取【例7-1】估計(jì)RC-142同軸電纜（a=0.035in，b=0.116in，填充的電介質(zhì)介電常數(shù)）單模工作的最高頻率。

解：任何頻率都可以傳輸TEM模，最低高次模是TE11模實(shí)際上，通常建議給出5%的安全余量，因此

矩形波導(dǎo)連接－法蘭盤

有兩種廣泛應(yīng)用的波導(dǎo)法蘭盤：蓋板型法蘭盤(coverflange)扼流型法蘭盤(chokeflange)。7.2波導(dǎo)連接

波導(dǎo)和同軸線必須采用特殊的連接結(jié)構(gòu)具有蓋板型法蘭盤的兩個(gè)波導(dǎo)可用螺栓固定在一起構(gòu)成一個(gè)接觸式連接。為了避免在這個(gè)連接處的反射和電阻損耗，必須使接觸表面光滑、干凈和平整，因?yàn)殡娏鞅仨毩鹘?jīng)這個(gè)不連續(xù)處。高功率應(yīng)用中，連接處可能發(fā)生電壓擊穿。蓋板型連接結(jié)構(gòu)簡單，通常使用于一般應(yīng)用。產(chǎn)生的SWR典型值小于1.03.蓋板型法蘭盤扼流型法蘭盤是在蓋板型法蘭盤上增加扼流環(huán)。當(dāng)蓋板型法蘭盤與扼流型法蘭盤連接時(shí)，連接出形成一個(gè)很薄的隙縫，構(gòu)成一個(gè)λg/4徑向傳輸線。扼流型法蘭盤中的圓形軸向槽構(gòu)成另一個(gè)λg/4線。因此這個(gè)槽右端的短路轉(zhuǎn)換為兩個(gè)法蘭盤連接點(diǎn)的開路。在這個(gè)連接點(diǎn)上產(chǎn)生的任何電阻都與無窮大(或非常高)的阻抗串聯(lián)，因此接觸電阻的影響很小。扼流型法蘭盤連接點(diǎn)非常高的阻抗又在波導(dǎo)接口處變換成短路(或非常低的阻抗)，這樣就為波導(dǎo)壁上電流在流經(jīng)連接點(diǎn)時(shí)提供一個(gè)有效的低阻抗通路。這樣，在兩個(gè)法蘭盤之間的歐姆連接處就存在一個(gè)可以忽略的電壓降，所以電壓擊穿得以避免。因此，蓋板-扼流型連接對于高功率應(yīng)用是非常有用的。該接點(diǎn)的SWR典型值小于1.05，但它比蓋板-蓋板型連接更依賴于頻率。同軸線連接－法蘭盤

同軸線連接更為復(fù)雜，已形成各種標(biāo)準(zhǔn)的同軸連接頭。常用的同軸接頭有：N型：以發(fā)明人P.Neil命名，f<11-18GHzTNC型：廣泛實(shí)用一種，f<1GHzSMA型：小型接頭,f<18-25GHz2.4mm:用于毫米波，f<50GHz

N型同軸接頭TNC型同軸接頭

SMA和2.4mm同軸接頭

同軸接頭轉(zhuǎn)微帶線的測試架

典型同軸接頭的原理7.3為什么50W？微波射頻電路的同軸電纜和連接頭通常選用50W作為標(biāo)準(zhǔn)?？紤]因素：功率容量抗擊穿電壓匹配減少衰減同軸線的電場r=a時(shí)電場最大因此最大傳輸功率根據(jù)最大功率求最佳的導(dǎo)體尺寸求得b/a=1.65,帶入特性阻抗公式因此最大傳輸功率的情況下特性阻抗是根據(jù)傳輸線理論衰減常數(shù)可表達(dá)為串聯(lián)總單位用表面電阻率Rs表示并聯(lián)總單位電導(dǎo)G是把（3）和（4）帶入（2），我們可以求得最低衰減條件b/a=3.6帶入特性阻抗公式求得30W和77W的平均值為53.5W，幾何平均值為48W（介質(zhì)為空氣）當(dāng)我們用介質(zhì)為填充物時(shí)（比如PTFE,Er=2.25）最佳點(diǎn)會向低的特性阻抗值移動(dòng)所以50W被選為標(biāo)準(zhǔn)。7.4波導(dǎo)激勵(lì)與耦合*激勵(lì)是指產(chǎn)生電磁波，耦合是指把一個(gè)區(qū)域的電磁波轉(zhuǎn)換到另一個(gè)區(qū)域中。兩者的本質(zhì)是一樣的。激勵(lì)/耦合原則激勵(lì)裝置應(yīng)與場分量的方向一致激勵(lì)出一種場分量即可波導(dǎo)常用的耦合裝置有探針（電場耦合）、環(huán)（磁場耦合）和小孔（混合耦合）。探針耦合（電場耦合）—波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換如圖(a)所示，它是在波導(dǎo)的寬壁面中央插入同軸線，同軸線的外導(dǎo)體與波導(dǎo)壁面連接，而內(nèi)導(dǎo)體延伸進(jìn)入波導(dǎo)中。延伸的一段形成一個(gè)輻射小天線，也稱為小探針。小探針在其附近空間激勵(lì)起很多模式的場，當(dāng)波導(dǎo)滿足單模傳輸條件時(shí)，只有TE10波向遠(yuǎn)處傳播，而其它的高次模因不滿足傳輸條件而很快被衰減掉。調(diào)節(jié)短路活塞可使波導(dǎo)與同軸線匹配，并把功率全部反射使輸出最大。這就把同軸線的TEM波轉(zhuǎn)換為矩形波導(dǎo)中的TE10波。探針激勵(lì)能否在波導(dǎo)中激勵(lì)起其它模式，主要取決于探針在波導(dǎo)中的位置。原則上說，只要激勵(lì)的電磁場中有一個(gè)分量與所需激勵(lì)的工作模式的某一個(gè)分量相吻合，該模式就可以被激勵(lì)，如上述探針產(chǎn)生的電場分量與波導(dǎo)中TE10波的Ey分量相吻合，因而可激勵(lì)起TE10波。顯然，如將探針從波導(dǎo)寬邊中央移開，則激勵(lì)TE10波的強(qiáng)度將隨離開距離的增加而逐漸減弱，直至側(cè)壁附近為0。為了獲得大功率和寬頻帶，常常采用一些變形的探針，如圖(b)~(f)。探針激勵(lì)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整較簡單，輸出較大，頻帶較寬。環(huán)耦合（磁場耦合）—波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換在磁場分布最強(qiáng)的地方放入激勵(lì)小環(huán)，讓磁力線穿過小環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)磁場激勵(lì)（耦合）

矩形波導(dǎo)TE10模的磁激勵(lì)孔激勵(lì)在金屬壁上開孔，可以實(shí)現(xiàn)電磁波的激勵(lì)（耦合），例如，在兩個(gè)波導(dǎo)的公共壁面上開小孔，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)波導(dǎo)對另一個(gè)波導(dǎo)的激勵(lì)的方法。小孔激勵(lì)可以是電場激勵(lì)或磁場激勵(lì)，也可以是兩者兼有的電磁激勵(lì)，視小孔所在位置的電磁場分布。小孔耦合的原理根據(jù)小孔耦合原理，可以判斷圖(a)是磁激勵(lì)(耦合)，圖(b)、(c)則是電磁激勵(lì)。幾種矩形波導(dǎo)小孔耦合波導(dǎo)濾波器了解波導(dǎo)內(nèi)壁上的電流分布，對于研究波導(dǎo)的探測與輻射很有幫助。當(dāng)在波導(dǎo)壁上開縫，希望能把波導(dǎo)內(nèi)的電磁波輻射到空間，即構(gòu)成裂縫天線，則縫隙的位置和取向要能夠切斷電流，使得縫隙上產(chǎn)生電場，構(gòu)成輻射。當(dāng)在波導(dǎo)壁上開縫，只是為了能夠探測波導(dǎo)內(nèi)的場分布，因此希望開縫對原場分布影響越小越好，這時(shí)縫隙的位置和