《电磁场微波技术与天线》第五章 规则金属波导

规则金属波导是一种在微波技术领域中广泛应用的导行电磁波的结构。规则金属波导通常是由金属材料制成的、具有均匀横截面形状和尺寸，且沿轴向方向延伸的一种中空的导波结构。常见的横截面形状有矩形、圆形等。例如，矩形金属波导就如同一个长方体形状的金属管，其内部是空心的，用于引导电磁波在其中传播；圆形金属波导则类似一根金属材质的空心圆柱管道。一般采用具有良好导电性和电磁性能的金属，如铜、铝等。这些金属能够有效地约束电磁波，减少电磁波向外的辐射损耗，并且可以通过对其内壁进行镀银等处理，进一步降低内壁表面电阻，减少传导损耗，以提高电磁波传输的效率。

基于电磁场理论，当在波导的一端输入合适频率的电磁波时，由于金属壁的边界条件限制，电磁波会在波导内部沿着轴向方向进行传播。比如在矩形波导中，其四个金属壁会使得电场和磁场分量按照特定的规律分布，并且满足边界处电场切向分量为零、磁场法向分量为零等边界条件，不同模式（如 TE 模式、TM 模式等）的电磁波就在这样的约束下在波导内向前传播，仿佛被限制在这个 “金属通道” 内一样。再来看看下面的公式推导过程。

每种规则金属波导都存在截止频率这一关键特性。只有当输入的电磁波频率高于相应的截止频率时，电磁波才能在波导中有效地传播，否则电磁波会很快衰减而无法远距离传输。以矩形波导为例，其截止频率的计算公式与波导的横截面尺寸（如矩形的长和宽）以及传播模式相关，不同的模式对应着不同的截止频率值。当实际输入的电磁波频率高于某一模式的截止频率时，该模式的电磁波就能在波导中以相应的相速度、群速度等特性传播下去。

1. 微波网络的基本概念：
• 定义微波网络，即将微波元件或系统用一组网络参数来描述其外部特性，如同用电阻、电容、电感等参数描述低频电路元件一样。
• 理解为什么在微波频段需要引入网络概念，这是因为在微波频率下，电路的尺寸与波长相近，分布参数效应显著，传统的集总参数电路理论不再适用，而微波网络理论可以更方便地分析和设计微波系统。
2. 微波网络参数：
• 阻抗矩阵（Z 矩阵）
• 导纳矩阵（Y 矩阵）
• 转移矩阵（A 矩阵）
• 散射矩阵（S 矩阵）
3. 多口网络：介绍多口网络的概念，如三口网络、四口网络等，以及相应的多口网络参数矩阵，如三端口网络的散射矩阵    是一个    的矩阵等。
4. 网络参数的性质：
• 互易性：如果网络的端口互换后，其外部特性不变，则称该网络具有互易性，对应的网络参数满足互易条件，如互易网络的阻抗矩阵、导纳矩阵和散射矩阵的相应元素关系。
• 对称性：如果网络关于某一平面或轴线对称，其网络参数也具有相应的对称性质，如对称网络的阻抗矩阵、导纳矩阵和散射矩阵的元素关系。
• 无耗性：对于无耗网络，其网络参数满足特定的条件。
5. 微波网络的等效与化简：讲解如何将复杂的微波网络等效为简单的网络形式，以便于分析和计算。例如，通过串并联、级联等方式将多个网络元件组合成一个等效网络，以及如何利用网络参数的性质进行网络的化简。
6. 微波网络的分析方法：
• 介绍利用各种网络参数矩阵进行网络分析的方法，如根据已知的网络参数和端口条件，计算端口的电压、电流、输入阻抗、反射系数等。
• 讲解如何通过测量得到网络的参数，例如通过测量端口的反射系数、传输系数等，来确定网络的散射矩阵。
7. 实际应用：结合实际的微波元件和系统，如滤波器、放大器、天线等，分析其微波网络特性，以及如何利用微波网络理论进行这些元件和系统的设计、优化和性能评估。例如，设计一个匹配网络，使信号源与负载之间实现最佳的功率传输，就需要用到微波网络的阻抗匹配知识。

修订记录

20240829 完成初稿；

20241012 修订内容；