电磁场与电磁波答案
⑤从点B沿等反射系数圆顺时针旋转0.35 到顺时针电刻度值为0.266(0.35+0.416-0.5)的C点,C点即为输入点,查得 ,则 ;
⑥从点C沿等反射系数圆旋转180度到CC点,即为输入导纳点,查得 ,则 。
⑹①驻波比 ;
②波腹点阻抗为 ,位于圆图右实轴上A点,对应的向负载(逆时针)电刻度值为0.25;如题6-14(6)图所示;
⑴当负载阻抗 ,欲使线上驻波比最小,则线的特性阻抗应为多少?
⑵求出该最小的驻波比及相应的电压反射系数;
⑶确定距负载最近的电压最小点位置。
解:⑴ ,
驻波比S要小,就要求反射系数 小,需求其极值。
令 ,求
即
故
⑵将 代入反射系数公式,得
最小驻波比为
⑶终端反射系数
当 时,电压最小即 ,第一个电压波节点(取 )
⑵ 如果宽边尺寸增加一倍,上述参量如何变化?
⑶ 如果窄边尺寸增加一倍,上述参量如何变化?
⑷ 波导尺寸固定不变,频率变为15GHz,上述各参量如何变化?
解:⑴当f=10GHz时
, =2a=4.572cm,
此时波导中只能传输 波。所以,
⑵当 时,
,
故可传输 与 两种波型。对 波:
对 波,所求各量同⑴。
(3)当 时,
8、无耗线的特性阻抗为 ,第一个电流驻波最大点距负载15cm,VSWR为5, 工作波长为80cm, 求负载阻抗。
解: , ,
9、求图题7-9各电路 处的输入阻抗、反射系数模及线B的电压驻波比。
图题7-9
解:(a) , ,
(b) , ,
(c) , ,
或
说明 处匹配,故 ,
(d) ,
10、考虑一根无损耗线:
解:设 =0为负载端。
振幅 随d的变化如图题7-6所示。
图题7-6
7、无耗双导线的特性阻抗为500Ω,端接一未知负载 ,当负载端短路时在线上测得一短路参考点位置 ,当端接 时测得VSWR为2.4,电压驻波最小点位于 电源端0.208λ处,试求该未知负载阻抗 。
解:因为接 时, , ,因 处为等效负载点,故 。
则:波导的单模工作频率范围为: (或 ),即:
21、已知横截面为 的矩形波导内的纵向场分量为
式中, 为常量, , , 。
⑴试求波导内场的其它分量及传输模式。
⑵试说明为什么波导内部不可能存在TEM波。
解:⑴由横向场分量的表达式可得
其传输模式为 波。
⑵空心波导内不能存在TEM波。这是因为,如果内部存在TEM波,则要求磁场应该完全在波导的横截面内,而且是闭合回路。由麦克斯韦方程可知,回线上磁场的环路积分应等于与回路交链的轴向电流。此处是空心波导,不存在轴向的传导电流,故必要求有轴向的位移电流。由位移电流的定义式 可知,这时必有轴向变化的电场存在。这与TEM波电场,磁场仅存在于垂直于传播方向的横截面内的命题是完全矛盾的,所以波导内不能存在TEM波。
③ 满足 才能传输
17、何谓工作波长,截止波长和波导波长?它们有何区别和联系?
解:工作波长就是TEM波的相波长。它由频率和光速所确定,即
式中, 称为自由空间的工作波长,且 。
截止波长是由截止频率所确定的波长,
只有 的波才能在波导中传输
波导波长是理想导波系统中的相波长,即导波系统内电磁波的相位改变 所经过的距离。波导波长与 , 的关系为
解:输入阻抗:
5、在特性阻抗为 的无耗双导线上 , 测得负载处为电压驻波最小点, 为 8V, 距负载 处为电压驻波最大点 , 为 10V, 试求负载阻抗 及负载吸收的功率 。
解:传输线上任一点的输入阻抗和反射系数的关系为
在电压最小点处 ,将其代入上式可得
再由驻波比表达式
所以
由题中给出的条件可得
则
6、长度为3λ/4,特性阻抗为600Ω的双导线,端接负载阻抗300Ω;其输入端电压为600V。试画出沿线电压、电流和阻抗的振幅分布图,并求其最大值和最小值。
18、一矩形波导内充空气,横截面尺寸为: ,试问:当工作波长各为 时,波导内可能传输哪些模式?
解:由 得,
由波导传输条件 可知,当 时,波导中不能传输任何模式;当 时,能传TE10模式;当 时,能传TE10、TE20、TE01模式。
19、用BJ-100( )矩形波导以主模传输 的微波信号,试求:
⑴ 波导的截止波长 ,波导波长 ,相移常数 和波阻抗。
⑵ 对于75Ω的同轴线,若内导体的半径为0.6mm,外导体的内半径应选取为多少?
解:⑴ 双线传输线,令d为导线半径,D为线间距,则
⑵ 同轴线,令a为内导体半径,b为外导体内半径,则
3、设无耗线的特性阻抗为 , 负载阻抗为 , 试求:终端反射系数 驻波比 及距负载 处的输入阻抗 。
解:
4、一特性阻抗为50Ω、长2m的无耗线工作于频率200MHz,终端阻抗为 ,求其输入阻抗 。
③以O为中心,以OA为半径作等反射系数圆;
④从点A沿等反射系数圆逆时针旋转0.032,到逆时针电刻度值为0.032+0.25=0.282的B点,B点即为负载点,查得顺时针电刻度值为0.218, ,则 ;
⑤从点B沿等反射系数圆顺时针旋转0.32(1.82=3*0.5+0.32)到顺时针电刻度值为0.0328(0.32+0.218=0.538=0.5+0.0328)的C点,C点即为输入点,查得 ,则 。
⑶横电磁波(TEM)或准TEM波,电场和磁场都没有传播方向的分量,即
②相速度等于群速度且等于无耗媒介中平面波的速度,并且与频率无关
③无色散现象
⑷混合波,即 , ,且
其特点为:① 场被束缚在导行系统表面附近(表面波)
② 相速度 ,为慢波
②在导纳圆图上找到开路点AA,查得向信号源电刻度值为0,从点AA沿单位元向信号源方向旋转0.11到电刻度值为0.11的点BB,查得 。如图题7-14(3)所示。
⑷①在圆图上找到与 对应的点A,查得向信号源电刻度值为0.113;如图题7-14(4)所示。
②以O为中心,以OA为半径作等反射系数圆,等反射系数圆与圆图左实轴相交于B点,向信号源电刻度值为0.5,右实轴相交于C点,向信号源电刻度值为0.25;
③则
⑵ 将阻抗圆图当成导纳圆图使用,在导纳圆图上找到开路点A和 点B,查得向信号源电刻度值分别为0、0.344,则 ,如图题7-14(2)所示。
题7-14(3)题7-14(4)
⑶将阻抗圆图作为导纳圆图使用。
①在导纳圆图上找到短路点A,查得向信号源电刻度值为0.25,从点A沿单位圆(即等反射系数圆)向信号源方向旋转0.11到电刻度值为0.36( )的点B,查得 。
③从点A沿等反射系数圆向信号源方向(顺时针)旋转到点B,旋转的距离即为
;
④从点A沿等反射系数圆向信号源方向(顺时针)旋转到点C点,旋转的距离即为
;
⑤读得C点阻抗值即为驻波系数 ;
⑥读得B点阻抗值即为行波系数 ;
⑸①在圆图上找到与 对应的点B:波谷点阻抗为 ,位于左实轴上A点,对应的向负载(逆时针)电刻度值为0;如图题6-14(5)所示。
。如图题7-15所示。
⑵ , 与正实轴的夹角 即为反射系数的相角,故负载处反射系数
⑶从点A沿等反射系数圆顺时针(即朝向信号源方向)转动 ,与 的圆相交于点C(电刻度值为0.149),读得 ,故输入阻抗为
⑷延长 ,得点 的对称点 ,在此读得 ,则输入导纳为
⑸据传输线上合成波的电压方程知 时线上出现电压最小点,得
⑴①归一化负载阻抗
在圆图上找到与 对应的点A;以O为中心,以OA为半径作等反射系数圆,从点A开始沿等反射系数圆顺时针旋转 ,转到点B(相应的导纳点),读得向信号源电刻度值为0.20,如图题7-14(1)所示。
图题7-14(1)图题7-14(2)
②此时将阻抗圆图当成导纳圆图使用,找到等 圆与 的等电导圆的交点C,读得向信号源电刻度值为0.313。
⑸ 已知 , 为1.5, , ,求 和 。
⑹ 已知 , , , ,求 。
解:导纳是阻抗的倒数,故归一化导纳为
由此可见, 与 的关系和 与 的关系相同,所以,如果以单位圆圆心为轴心,将复平面上的阻抗圆图旋转 ,即可得到导纳圆图;或者将阻抗圆图上的阻抗点沿等 圆旋转 ,即可得到相应的导纳点;导纳点也可以是阻抗点关于圆图原点的对称点。由此可知可以把阻抗圆图当成导纳圆图使用,即等电阻圆看成等电导圆,等电抗圆看成等电纳圆,所有的标度值看成导纳。
解:平行双线传输线的特性阻抗为
而四分之一波阻抗变换器的特性阻抗应满足
故得
得构成 阻抗变换器的双导线的线径 为
导线的长度为
14、完成下列圆图基本练习:
⑴ 已知 为 ,要求 为 ,求 ;
⑵ 一开路支节 , 要求 为 ,求 ;
⑶ 一短路支节 , 已知 为 ,求 ;若为开路支节 , 求 ;
⑷ 已知 ,求 ;
其特点为:① 磁场完全分布在与波导传播方向垂直的横截面内,电场有传播方向分量
②相速度 ,为快波
③具有色散现象,且须满足 才能传输
⑵横电波(TE)或磁波(H),其电场没有传播方向的分量,即 ,
其特点为:① 电场完全分布在与导波传播方向垂直的横截面内,磁场则有传播方向
分量
②相速度 ,为快波
③具有色散现象,且须满足 才能传输
第一个波腹点
故
12、已知特性阻抗为300 的无损耗传输线上驻波比等于2.0,距负载最近的电压最小点离终端为 ,试求:
⑴负载端的电压反射系数 ;
⑵未知的负载阻抗 。
解:⑴
第一个电压最小点位置
即
故
⑵
13、一个 的源通过一根 的双线传输线对输入阻抗为73 的偶极子天线馈电。设计一根四分之一波长的双线传输线(线周围为空气,间距为 ),以使天线与 的传输线匹配。
②以O为中心,以OA为半径作等反射系数圆;