行波

(1)导行波的概念：

由传输线所引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。导行波的电场E或磁场H都是x、y、

z三个方向的函数。导行波可分成以下三种类型：

(A)横电磁波（TEM波）：

TEM波的特征是：电场E和磁场H均无纵向分量，亦即：0,0

zz

HE。电场E和磁场H，都

是纯横向的。TEM波沿传输方向的分量为零。所以，这种波是无法在波导中传播的。

(B)横电波（TE波）：

TE波即是横电波或称为“磁波”（H波），其特征是0

z

E,而0

z

H。亦即：电场E是纯横向

的，而磁场H则具有纵向分量。

(C)横磁波（TM波）：

TM波即是横磁波或称为“电波”(E波)，其特征是0

z

H，而0

z

E。亦即：磁场H是纯横向的，

而电场E则具有纵向分量。

TE波和TM波均为“色散波”。矩形波导中，既能传输

mn

TE波，又能传输

mn

TM波（其中

m

代表

电场或磁场在x方向半周变化的次数，n代表电场或磁场在y方向半周变化的次数)。

(2)色散波的特点：

由于TE波及TM波与TEM波的性质不同。色散波就有其自身的特点：

(a)临界波长

c

：

矩形波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长小于临界波长

c

时，

电磁波才能在矩形波导中得到传播。

mn

TE波或

mn

TM波的临界波长公式为：

22

2





























b

n

a

m

c



(6-2-1)

(b)波导波长

g

和相速V、群速Vc：

色散波在波导中的波长用

g

表示。波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速

度称为相速V。群速

c

V是表示能量沿波导纵向传播的速度，其关系为

2cVV

c

。因为，波导中电磁波

是成“之”字形并以光速传播的。所以，波导波长

g

将大于自由空间的波长



。同时，相速V也大于光

速C。它们之间的相互关系为：

2

1





















c

g







(6-2-2)

2

1





















c

g

c

fV





(6-2-3)

图6-2-1示出了电磁波在波导中传播的方向。

(3)反射系数和驻波比：

波导终端接入负载后，由于负载性质的不同，

电磁波就将在终端产生不同程度的反射。如用

Z

c

表示传输线的特性阻抗，用

Z

L表示负载阻抗。

则反射系数为：

LC

LC

j

ZZ

ZZ

e





(6-2-4)

可见，反射系数是个复数。当特性阻抗

c

Z与负载阻抗

L

Z相等（即接入匹配负载）时：0,

入射波全部被负载吸收而无反射。

E

H

y

x

z

E

H

H

E

a

b

n





图6-2-1平面波的传播

当终端短路（微波技术中的短路是指系统终端接入全反射负载，即0

L

Z）时：1，入射波

被负载全部反射。

微波技术中，还经常使用驻波比来描述传输线阻抗匹配的情况。波导中驻波比被定义为：波导

中驻波电场最大值和电场最小值之比，即

min

max

E

E

(6-2-5)

驻波比



与反射系数之间的关系应为：

1

1





(6-2-6)

由此，从图6-2-2中(a)、(b)、(c)可看出电场在波导中的分布情况。

(a)在负载匹配情况下有：0及1；波导中传播的是“行波”，其幅值为

i

E；

(b)在负载短路情况下有：1及；波导中传播的是“纯驻波”，其幅度值为2

i

E；

(c)在其它任意负载下有：10及1；波导中传播的是“行驻波”，其幅度值为

i

E)1(。

传输线的目的是要无损的传输功率，故常希望工作在负载阻抗匹配的情况下。

(4)

10

H波：

由公式(6-2-1)可知，矩形波导中临界波长

c

的最大值应出现在m＝1，

n

＝0的情况下（此时：

a

cc

2

max



）。这就是H

10

波。

H

10

波被称为矩形波导中的“主波”，也是最简单、最有用的波

形。一般矩形波导所激励的都是H

10

波。

下面将讨论，

10

H波中电磁场的简单结构。

(a)电场结构：

10

H波中电场E只有

y

E分量。其电力线将与x-z平面处处正交。如图6-2-3所示。在x-y平面内，

)(

0

)sin(ztj

y

e

a

x

EE



,说明电场强度只与x有关，且按正弦规律变化。在x＝0及x＝a处（即：波

导中的两个窄边上）。

y

E＝0。在

2

a

x处（即：波导宽边中央），由此，

maxyy

EE。

由于，能量是沿

z

方向传播的。因此，

y

E将沿

z

方向呈行波状态，并在

2

a

x的纵剖面内，

y

E沿z

轴也是按正弦分布。

(b)磁场结构：

10

H波中磁场H只有

x

H及

z

H分量。其磁力线将分布在x-z平面内。由于，

y

E和

x

H决定着电磁波沿z

方向传播的能量，就必然要求

y

E与

x

H同相，即沿z方向在

y

E最大处，

x

H也最大，在x方向上，

x

H是呈

正弦分布（与

y

E同相）。所以

x

H在横截面和纵剖面的分布情况也与

y

E相同。

ll

l

O

O

O



g



g

1

2



g

1

2

E

Ei

E

Ei2

E

Ei

(1+

(1-





)

)

Ei

(a)(b)

(c)

图6-2-2不同负载情况下电场在波导中的分布图

在讨论

z

H分布时，必须注意到，在

z

＝0的截面上，

z

H沿x方向是呈余弦变化，即在

x

0及x＝a

处，

z

H有最大值，而在

2

a

x处，则有

z

H

＝0。

10

H波场的特点可以归结为：

a.只存在

y

E，

x

H，

z

H三个分量；

b.

y

E和

x

H均按正弦规律分布，

z

H按余弦规律分布。因而

y

E和

x

H同相，并与

z

H反相。

图6-2-3显示了

10

H波电磁场在矩形波导中(6)微波频率的测量：

频率的测量是微波测量技术中的一个重要方面。本实验将采用“直接”和“间接”两种不同的方法来

测量频率。

(a)直接测量法

a

b

横截面纵截面

a

顶视图

a)H10波电场结构图

Hz

Hy

a

a

b

b

λg

b)H10波磁场结构图c)波电磁场结构总图

图6-2-3矩形波导中

H

10波的电磁场分布图

使用外差式频率计或是数字微波频率计就能直接读出频率的数值。亦可以使用吸收式空腔波长计，利

用空腔做为谐振系统，并通过机械装置进行调谐。当吸收式波长计的腔体被调节到谐振点时，输入到指示

器的功率最小。此时即可由波长计中的螺旋测微计的读数D，通过D～f曲线查出被测的微波频率。本实验

就是使用这种方法作为直接测量的。

(b)间接测量法

一般是使用测量线，先测出波导波长

g

，然后由公式：

2

1





















c

g









计算出待测微波信号在自由空间的波长,最后再由波长与频率f的关系求出频率。

上式中：

g

波导波长；自由空间波长；

c

波导的截止波长。

在三公分微波系统中，波导的尺寸：a×b＝22.86mm×10.16mm。对于

10

H波而言，截止波长

c

＝2a

＝45.72mm。

微波系统中接入不匹配负载时，就将出现驻波，使用测量线就能很方便地测量出相邻两个波长点之间

的距离：2

12g

DD。

图6-2-4示出了通过驻波波节点的位置来找出波导波长

g

的方法：

的分布。应当注由于在驻波波节处指示仪器的数值很小，且驻波波节处波形的变化很陡，因而就很难找到

波节点准确位置。为了提高测量的精度，可利用波节点两侧波形对称的特点，采用“等电位法”进行。

所谓等电位法，就是先在任意一个波节点

1

D的左右两侧找出

1

及

2

两个位置，使指示

仪器微安表的读数均为

1

a，则此波节点的正确位置为：

2

21

1



D；

同理，可在相邻波节点

D

2的左右两侧找出

3

及

4

，则：

2

43

2



D；

所以，

22

2/21

43

12











DD

g

(6-2-7)

(7)驻波比的测量：

产生驻波的原因是由于负载阻抗与波导特性阻抗不匹配。因此，通过对驻波比的测量，就能检查系统

的匹配情况，进而明确负载的性质。

本实验一般都是在小信号状态下进行测试，为此检波晶体二极管都是工作在平方律检波区域（检波电

流

2E），故应有：

min

max

I

I

。

使用测量线测试驻波比，可直接由测量线探针分别处于驻波波腹及波节位置时的电流表读数

max

I及

min

I,求出驻波比。但是为了提高检测灵敏度，最好还是将微波信号源加以1KC的方波信号进行调制。此

信号由选频放大器放大。在其指示电表上就能读出有关的电流值、分贝值或是直接读出驻波比值。

下面分别叙述以上三种数值的具体读法：

(a)直读法：

选频放大器电表表盘下方备有“驻波比”刻度，可用来直接读取微波负载的驻波比。方法是：先将测

量线探头置于驻波波腹处，在适当选择放大器“分贝”开关的基础上，调节放大器的“增益”旋钮，使指

示满刻度（即：驻波比为“1”处）。再将探头移至波节位置，此时指针所指示的驻波比数值就是被测负载

的值。

(b)分贝法：

同上法；只是在波腹处(选频放大器指示电表在满刻度时)。应读为“0”分贝。而波节处的分贝数被读

取后即可查阅附录中“分贝与电压比”关系表，得知此负载的驻波比值。

(c)电流法：

在指示满刻度时，电流读数为100A（Imax值），而波节处的电流读数即为：

min

I。再根据平方律检

波公式求出值。

特别要注意的是：以上介绍的这三种方法都是在测<3.16的负载时是适用的，如被测负载的驻波比

处于3.16<<10时，还必须将“分贝”开关顺时针换过一挡。顺时针换过一挡“分贝”开关后，对“直

读法”：其值应读取下面一行3.16～10；对“分贝法”：应在表盘指示的分贝数上再加10分贝。

对“电流法”：其

min

I值应为未换挡时的

10

1

。根据同样的道理，你应当能判断出“分贝”开关顺时针转

换二挡、三挡时，该如何读数了。

(8)功率的测量：

本实验使用GX-2A型微瓦功率计来测量微波功率。当功率计探头接入系统终端时，就构成了微波系统

的负载。探头内装有铋锑热电偶，可将微波产生的热能转换成电能，并直接由功率计表头上的读数得知被

测功率值。

如果忽略传输线本身对信号的衰减，并假设功率计探头的阻抗ZL与微波系统的特性阻抗ZC相匹配（即：

ZL＝ZC），则信号源输出的功率将全部为负载所吸收。但在一般情况下，功率计探头的输入阻抗ZL不可能

做得完全与微波系统的特性阻抗Z

C

相匹配（即：Z

L

Z

C

），则一部分功率将会由探头反射回来，它正比于

探头的功率反射系数

2。这种损耗称为：“反射损耗”。此时功率计所吸收的功率应为：

)1(2

HL

PP;

其中：PL功率计所测得的功率值；PH系统终端输出的真实功率；

反射系数（

1

1











）；

另外，在传输系统中，传输线本身也会对信号源的输出功率P0产生一定的衰减，这种衰减称为“插入

损耗”。它主要是由于系统中的隔离器、可变衰减器等元件对信号功率P

0

产生的衰减所致（其他元器件的

衰减可忽略不计）。隔离器的正向功率衰减为1db（即：经隔离器后，输入功率就有1.259倍的衰减）。只

要可变衰减器的指针是放在“0”的位置，就不会引入衰减。为此，经传输系统衰减后，系统终端的实际功

率为：

PPKP

H



00

1259.

。

式中，1/K是以倍数表示的微波元件的插入损耗；

至此，不难得出微波信号源所发出的功率应为：

L

P

K

P





2

01