微波技術基礎中矩形波導傳輸特性教學方法研究

張忠海 駱新江 韋杜娟 尹川

（杭州電子科技大學，浙江杭州 310018）

1 介紹

微波技術基礎是電子信息類專業的專業基礎課，主要講授電磁波在各種傳輸線中的傳播特性等知識。矩形波導是一種很重要、很常用的微波傳輸線，因此在這門課程里，詳細講述了矩形波導中電磁波的傳播方程、電磁波的傳播條件以及傳播特性參量等知識。其中的傳播特性參量主要有電磁波的頻率、工作波長、截止波長、波導波長、相速、群速、特性阻抗以及模式等。與在自由空間中傳播時相比，電磁波在矩形波導中傳播時，很多傳輸特性參量將產生變化，例如波長、相速以及群速等，其中的波長的變化最大，也最基礎。能夠形象理解工作波長接近截止波長時電磁波在波導中的傳播特性，對理解電磁波在矩形波導中的傳輸特性有很重要的意義。

傳統的微波技術在這一部分的教學中，一般采用原理介紹以及公式推導的方式進行，導致學生對電磁波進入矩形波導后的性能變化沒有直觀的理解，影響其對此處知識的掌握。傳統的教學方式可以給出電磁波在波導中正常傳播時，波導內的電場分布情況，但是沒有給出工作在截止波長附近電磁波在波導內的電場分布情況，使學生不能對截止波長有比較形象的理解。本文利用HFSS軟件輔助，針對工作在矩形波導截止波長附近的電磁波在波導內的傳播特性進行建模，給出不同頻率情況下電磁波在波導內的電場分布情況，從而使學生對截止模式以及傳輸模式有比較直觀的理解，可以改善學生對矩形波導傳輸特性的理解程度。

2 利用HFSS軟件輔助矩形波導傳輸特性教學

微波技術基礎中，電磁波在矩形波導中傳播特點的理論基礎比較清晰。

以標準的BJ-10波導為例，其寬邊和窄邊的尺寸為22.86mm×10.16mm。因此其截止波長為寬邊長度的2倍，也即45.72mm，換算成頻率為6.56GHz，也即只有頻率大于6.6GHz的電磁波才能在波導中傳播；低于此頻率，波導處于截止狀態，全反射。電磁波在進入波導中后，其相位傳播速度，也即相速，會變大；其能量傳播速度，也即群速會變?。幌嗨倥c群速的乘積為光速的平方。電磁波在進入波導中后，其在波導中表現出來的波長，也即波導波長會變長，越臨近截止頻率，則其波導波長越長；等于截止頻率時，波導波長為無限長；當電磁波的工作頻率遠大于截止頻率，也即工作波長遠小于截止波長時，波導波長無限接近于工作波長。

上述的波長變化以及傳輸特性可以通過對波導內電場的分布情況得到比較直觀的結果。BJ-10波導的傳輸特性如圖1所示。

圖1 傳輸特性曲線

從圖1可以明顯地看出BJ-10矩形波導在工作頻率大于6.56GHz時才能傳輸電磁波，低于此頻率，則會快速地衰減。

當頻率大于6.56GHz時，波導處于正常傳輸狀態，此時不同頻率情況下波導內的電場強度分布如圖2所示。

圖2 傳輸模式下波導內場強分布（8GHz以及12GHz時）

圖2中，兩個紅色渦旋中間的距離是二分之一波長，因此可以很明顯看出，左圖的電場分布圖是8GHz，右圖的電場分布圖是12GHz。

但是當工作頻率處于截止頻率或者小于截止頻率時，波導內的場強分布將有較大的變化，如圖3所示。

圖3 截止模式下波導內場強分布（6.58GHz以及6.4GHz時）

由圖3可以看出，當工作頻率在截止頻率附近，但是大于截止頻率時，例如6.58GHz時（右圖），波導波長將會變得很長；當工作頻率小于截止頻率時，例如6.4GHz時（左圖），另一個波導端口沒有建立起相應的電場，此時電磁波不能有效傳輸。

3 結語

利用HFSS軟件輔助，可以形象地演示電磁波在矩形波導中傳輸時波導內的截止模式、傳輸模式下場分布的不同，不同工作頻率情況下場分布的區別，有助于改善學生對矩形波導傳輸線傳輸特性的理解。