微波技術(shù)基礎(chǔ)中矩形波導(dǎo)傳輸特性教學(xué)方法研究

張忠海 駱新江 韋杜娟 尹川

摘要：微波技術(shù)基礎(chǔ)課程中，電磁波在矩形波導(dǎo)中傳播的傳輸特性教學(xué)研究，一般采用公式推導(dǎo)以及曲線圖輔助方式教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生對截止波長的理解比較抽象，影響學(xué)生對波導(dǎo)傳輸?shù)慕刂鼓Ｊ揭约皞鬏斈Ｊ椒矫嬷R的掌握程度。本文針對此問題，采用HFSS軟件輔助教學(xué)，直接給出不同頻率下、在傳輸模式以及截止模式下矩形波導(dǎo)中電磁場的分布特性，從而使學(xué)生對傳輸模式、截止模式、波導(dǎo)波長以及截止波長等特性具有直觀的了解。

關(guān)鍵詞：微波技術(shù)基礎(chǔ);矩形波導(dǎo);截止模式;傳輸模式

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1003-2177（2021）10-0068-02

1 介紹

微波技術(shù)基礎(chǔ)是電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)中傳播時，很多傳輸特性參量將產(chǎn)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(chǔ)。能夠形象理解工作波長接近截止波長時電磁波在波導(dǎo)中的傳播特性，對理解電磁波在矩形波導(dǎo)中的傳輸特性有很重要的意義。

傳統(tǒng)的微波技術(shù)在這一部分的教學(xué)中，一般采用原理介紹以及公式推導(dǎo)的方式進行，導(dǎo)致學(xué)生對電磁波進入矩形波導(dǎo)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(tǒng)的教學(xué)方式可以給出電磁波在波導(dǎo)中正常傳播時，波導(dǎo)內(nèi)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(dǎo)內(nèi)的電場分布情況，使學(xué)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(dǎo)截止波長附近的電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的傳播特性進行建模，給出不同頻率情況下電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的電場分布情況，從而使學(xué)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(xué)生對矩形波導(dǎo)傳輸特性的理解程度[1-2]。

2 利用HFSS軟件輔助矩形波導(dǎo)傳輸特性教學(xué)

微波技術(shù)基礎(chǔ)中，電磁波在矩形波導(dǎo)中傳播特點的理論基礎(chǔ)比較清晰。

以標(biāo)準(zhǔn)的BJ-10波導(dǎo)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(dǎo)中傳播;低于此頻率，波導(dǎo)處于截止?fàn)顟B(tài)，全反射。電磁波在進入波導(dǎo)中后，其相位傳播速度，也即相速，會變大;其能量傳播速度，也即群速會變小;相速與群速的乘積為光速的平方。電磁波在進入波導(dǎo)中后，其在波導(dǎo)中表現(xiàn)出來的波長，也即波導(dǎo)波長會變長，越臨近截止頻率，則其波導(dǎo)波長越長;等于截止頻率時，波導(dǎo)波長為無限長;當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)內(nèi)電場的分布情況得到比較直觀的結(jié)果。BJ-10波導(dǎo)的傳輸特性如圖1所示。

從圖1可以明顯地看出BJ-10矩形波導(dǎo)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(dāng)頻率大于6.56GHz時，波導(dǎo)處于正常傳輸狀態(tài)，此時不同頻率情況下波導(dǎo)內(nèi)的電場強度分布如圖2所示。

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(dāng)工作頻率處于截止頻率或者小于截止頻率時，波導(dǎo)內(nèi)的場強分布將有較大的變化，如圖3所示。

由圖3可以看出，當(dāng)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(dǎo)波長將會變得很長;當(dāng)工作頻率小于截止頻率時，例如6.4GHz時（左圖），另一個波導(dǎo)端口沒有建立起相應(yīng)的電場，此時電磁波不能有效傳輸。

3 結(jié)語

利用HFSS軟件輔助，可以形象地演示電磁波在矩形波導(dǎo)中傳輸時波導(dǎo)內(nèi)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(qū)別，有助于改善學(xué)生對矩形波導(dǎo)傳輸線傳輸特性的理解。

參考文獻

[1]賴穎昕.基于Ansoft HFSS的電磁場與電磁波課程圖示化教學(xué)[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報，2012，19（1）：104-108.

[2]龔克，袁迎春.基于Ansoft HFSS的矩形波導(dǎo)可視化教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34（3）：118-120.

（責(zé)編：楊梅）