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微波传输与波导的设计原理

发布时间:2016-10-18 08:56:57       点击次数:958

微波的传输

  1、微波的传输与其在空间的分布形式

 

  微波能量的传输,已不能运用普通导线电路的形式与概念,而要运用超高频中“电磁场”的概念来解释。微波是一种超高频电磁波。电磁波以交变的电场和磁场相互感应的形式传输,也就是伴随着电能和磁能的相互转换而传输。下面详细阐述微波是怎样传输的。

 

  1.1微波的传输

 

  微波能不能象在低频及高频电路中的电磁波那样,按我们指定的路线传输呢?实践证明,是完全可以的。 在电磁波传导技术中,对于不同波长的电磁波,应采用不同形式的传导形式。在米波波段,可以用双导线传导能量。当频率提高到分米波波段时,双导线已不再适用,因为电磁场会沿着双导线向空间辐射,造成很大的功率损失。此时,通常采用同轴线。这样以来,电磁场就被屏蔽于内外导体之间。当频率继续提高到厘米波段时,沿同轴线内导体表面的电流将产生较大的功率损耗,支撑内导体的介质的热损耗也不容忽视。同时,随着波长的减小,同轴线允许传导的微波功率就要随着波长的缩短而下降。因此,在厘米波段一般不用同轴线传输较大的功率。此时,同轴线被波导所代替。波导是圆形或矩形截面的金属管,电磁波在波导内传输,若波导尺寸、内表面光洁度符合质量要求,则功率的损耗是很小的,因此波导就成为厘米波段传输大功率理想的“电路”了。在微波加热与干燥设备中波导被广泛采用。磁控管中产生的微波能通过波导管进入微波加热器(微波腔)中。波导管由能反射微波材料制成(例如前面所述的导体),理论上波导管能完全匹配的直接把微波传送到微波腔,而且,在微波设备中,有时波导本身就是加热器。

 

  1.2微波的场强分布及波型

 

  为了对微波的电磁场进行直观描述,物理学的前辈假想出了很形象、直观的电力线和磁力线。微波电磁场分布的形式就是电力线和磁力线的结构形式,在传输和工作中可将微波按这种结构形式划分为许多确定的波型,也称“模式”。

 

  在波导中,电场分布在矩形波导的横截面上,而电场的纵向分量为零,这种电场相应的波型称为横电波,记作TE波。同样,磁场只有横向分量的相应波型称为横磁波,记作TM波

  另外,根据在波导宽边和窄边上电场强度和磁场强度出现大值的个数,又可将微波分为许多波型,记作TEmn波或TMmn波,角注m、n为2、3。。。。等整数。

 

  在矩形波导传输的许多波形中,简单、有用的波形是TE10波。通过绘制TE10波场结构及电场强度分布曲线,可以看出,在波导宽边电场强度出现一个大值,即m=1。而在波导窄边上,电场强度分量为零,即n=0,因此,称为TE10波,其它波形依此类推。

 

  1.3波导上高频电流的分布

 

  微波在波导内传输,在波导内壁表面上会感应出高频交变的高频电流,其大小和流动方向随着磁场强弱和方向的改变而改变。

 

  以TE10波为例:

 

  假如我们沿波导宽边中心线(a/2处)开一适当宽度的槽缝,或在波导窄边开一些长方形的小缝,都不会影响微波场的分布,微波功率的泄漏也很小。在微波加热设备中,常利用微波场的这一分布特性来进行以下工作:A、用缝槽切断壁表面电流通路,引起波导内能量向外辐射,以达到微波能量的耦合或激励功能。B、常用A所提到的办法使被加热物品通过槽缝进行处理,此时,槽缝开位于电场强处,所以被加工物品能获得较大的加热功率。C窄边的小缝可以用来通风。为了便于开槽波导的加工,也可以将波导制成二块,然后合并加工。合适的开槽位置以电磁波辐射理论为依据。 另外,这种分布特性提示我们,在设计微波系统的器件互接时应注意其严密性,在器件上形成必要的表面电流通路,以防止和减少微波的泄漏。

 

  1.4微波的传输条件

 

  对于一定尺寸的波导,不是任意波长的电磁波和任意波形都能传播的,电磁波在波导中传播要符合一定的条件,可以用下面不等式表示:λ<λc。即被传输的微波波长λ必须小于波导的临界波长λc,大于临界波长的波不能在波导内传播。这就是为什么波导只适用于微波波段而不适用于高频或低频的道理。因为在高频时,波导尺寸非常之大,以致失去了其实用意义。

 

  TEmn和TMmn波的临界波长可由下列公式计算:λc<[(m/a)2+(n/b)2]?

 

  式中 a-----波导宽边内壁尺寸

 

  b---- 波导窄边内壁尺寸

 

  由上式可看内出,波型指数m﹑n的值越大,临界波长就越短。在波导中可能存在的许多波形中,TE10波的临界波长长,因此我们把TE10波称为低频率波形,对应的模称为主模或基模,其它波形称为高次波形(或高次模式)。

 

  常用的TE10波m=1、n=0,其临界波长为λc(TE10)λ=2a,而高次模的临界波长 λ≤a;

 

  因此,在波导中保障TE10波传输的条件是a﹤λ﹤2a,对于须保证某些微波加热系统是TE10波时,上面不等式对选择波导截面尺寸具有一定意义。例如:波导内壁宽边尺寸为a=24.8cm,其临界波长为49.6cm,此波导不能传输任何波长大于49.6cm的波。对于工作频率为915MHz的波(λ=32.2cm),此波导可以实现单一模式(即TE10波)的传输,在波长小于24.8cm时,此波导中才能激励起高次模式。由此可见,波导也具有“滤波器”的作用,它只能传输小于截止波长的微波,利用这一特性,我们可以设计出既“敞开”又安全的微波设备。

 

  微波在波导中传输时,波长将发生增长现象,我们把波导中的实际波长称为波导波长,并有下式求出::

 

  λg=λ0/1-﹝λ0/λc﹞2 

 

  当工作于TE10波时 

 

  λg=λ0/1-﹝λ0/2a﹞2

 

  1.5驻波

 

  在理想的微波传输系统中,电磁波只是向一个方向传输而不引起反射,这种波称为行波。然而在实际传输线中总是存在波导弯曲、加工尺寸不均匀、连接处不好以及负载不完全匹配等因素,这些都会引起相同频率、方向相反的反射波。在传输线中反射和入射的电磁波,由于相位的关系,在某些位置上相互抵消,出现了在整数长度上周期分布且位置固定不动的微波波型,通常称为“驻波”。

 

  在微波传输系统中,经常用驻波比这一概念来表示传输的匹配状态。

 

  φ=EMAX/Emin

 

  式中φ 驻波比;

 

  E 电场强度

 

  驻波比等于大和小电场强度之比。在实际中,用测定电压驻波比来反映这一量值。φ较大,即反射大,表明微波源与负载匹配较差。在大功率情况下,如果驻波比太大,在电场强处将发生打火击穿现象。在进行微波设备的冷测时,要求有尽可能小的驻波比,以免功率过大,影响微波管的正常工作。理想的匹配状态是φ=1,但实际上是达不到的,一般负载φ?1.1,就认为是较好的匹配。

 

  当驻波比为1.5时,传输功率降低4%:;当驻波比为2时,传输功率降低11%;当驻波比为3时,传输功率降低25%;当驻波比为4时,传输功率降低36%。这使微波电源工作不正常,输出功率和频率不稳定,容易产生达火烧坏保险丝的情况。因此微波加热器的驻波比好在1.1~3之间。

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