*各种波导
常见的有矩形,圆形,同轴,平行双线,平板(微带线)等
*波导中的导波模式
一般取沿着波导的传播方向为z轴
E=E(x,y)eiβz
H=H(x,y)eiβz
有两种解法
∇×E=iωμH∇×H=−iωεE
使用纵横分解法(见教材)
∇2E+k2E=0∇⋅E=0H=iωμ1∇×E
分离变量法求E,再求H
*纵横分解法
E=E(x,y)eiβz=(Et+Ez)eiβz
H=H(x,y)eiβz=(Ht+Hz)eiβz
这里的Et是横向,Ez是纵向
并且我们考虑
∇=∇t+e^z∂z∂
那么有
∇t2Ez+kc2Ez=0∇t2Hz+kc2Hz=0Et=kc2i(β∇tEz−ωμe^z×∇tHz)Ht=kc2i(β∇tHz+ωεe^z×∇tEz)
前两个方程是纵向场方程,其中kc2=k2−β2
求解出纵向场后,便可通过后两个方程求出横向场
如果kc=0
- Ez=0,Hz=0,称为TE模式
- Ez=0,Hz=0,称为TM模式
- Ez=0,Hz=0,必然有kc=0,称为TEM模式
此时有
∇t×Et=0∇t⋅Et=0Ht=ωμke^z×Et=e^z×ηTEMEt
其中ηTEM=εμ
只有当波导横截面支持非零二维静电场时,波导才支持TEM模式
单导体封闭波导一定不能支持TEM模式,多导体波导可以支持TEM模式
*例
考虑矩形波导中的TM模式
纵向电场Ez满足:
∇t2Ez+kc2Ez=0
设Ez=X(x)Y(y)
X1dx2d2X=−kx2Y1dy2d2Y=−ky2kx2+ky2=kc2
由边界条件Ez∣x=0=Ez∣x=a=0⇒X(0)=0,X(a)=0
所以
X(x)=Asinamπx
同理有
Y(y)=Bsinbnπy
所以
Ez=E0sinamπxsinbnπy
kc2=a2m2π2+b2n2π2
Et=kc2iβamπE0cosamπxsinbnπye^x+kc2iβbnπE0sinamπxcosbnπye^y
Ht=−kc2iωεbnπE0sinamπxcosbnπye^x+kc2iωεamπE0cosamπxsinbnπye^y
- iE记做TMmn模式
- 基模为TMn
- 纵向波矢 β=k2−kc2=c1ω2−ωc2
ωc=ckc=ca2m2π2+b2n2π2
对于某一给定的模式TMmn,ωc一定,只有当ω>ωc时,β才是实数,此时电磁场才是行波(导波)
ωc称为截止频率
Vp=βω=1−ω2ωc2c
称为波导色散(模式色散)
Vg=dβdω=c1−ω2ωc2
群速度色散
TE模式
基模:TE01或者TE10
TEM模式
- kc=0,β=k
- 截止频率ωc=ckc=0
- 无模式色散
谐振腔
kx=amπ,ky=bnπ,kz=cpπ
kx2+ky2+kz2=k2=ωμε
所以角频率
ω=με1kx2+ky2+kz2
真空中就有
ω=ckx2+ky2+kz2
*电磁场的辐射
时域分析:
已知全空间中随着时间变化的ρ,J
求E,B
∇×E=−∂t∂B∇×B=μ0J+μ0ε0∂t∂E∇⋅E=ε0ρ∇⋅B=0
(一)
∇⋅B=0⇒B=∇×A
(二)
B=∇×A代入,有
∇×E=−∂t∂(∇×A)=−∇×∂t∂A
∇×(E+∂t∂A)=0⇒E+∂t∂A=−∇ϕ
E=−∇ϕ−∂t∂A
即存在标势ϕ和矢势A,使得
E=−∇ϕ−∂t∂AB=∇×A
(三)将E,B代入Maxwell方程组
−∇⋅(∇ϕ+∂t∂A)∇2ϕ+∂t∂(∇⋅A)=ε0ρ=−ε0ρ
(四)将E,B代入(三)的结论
∇×(∇×A)=μ0J+μ0ε0∂t∂(−∇ϕ−∂t∂A)∇2A−c21∂t2∂2A−∇(∇⋅A+c21∂t∂ϕ)=−μ0J
ϕ,A不唯一
假设他们满足
E=−∇ϕ−∂t∂AB=∇×A
取(规范变换)
φ′=φ−∂t∂AA′=A+∇Ψ
则:
E′=−∇φ′−∂t∂A′=EB′=∇×A′=B
附加约束条件:
- ∇⋅A=0(Coulomb规范)
∇2φ=−ε0ρ∇2A−c21∂t2∂2A=−μ0J+c21∂t∂(∇φ)
φ(x,t)=4πε01∫rρ(x′,t)dV′
- ∇⋅A+c21∂t∂φ=0(Lorentz规范)
∇2φ−c21∂t2∂2φ=−ε0ρ∇2A−c21∂t2∂2A=−μ0J
即d’Alembert方程
推迟势解:
φ(x,t)=4πε01∫rρ(x′,tr)dV′A(x,t)=4πμ0∫rJ(x′,tr)dV′
其中tr=t−cr,r=∣x−x′∣
被称为推迟时间