微波技术基础中矩形波导传输特性教学方法研究

张忠海 骆新江 韦杜娟 尹川

摘要：微波技术基础课程中，电磁波在矩形波导中传播的传输特性教学研究，一般采用公式推导以及曲线图辅助方式教学，导致学生对截止波长的理解比较抽象，影响学生对波导传输的截止模式以及传输模式方面知识的掌握程度。本文针对此问题，采用HFSS软件辅助教学，直接给出不同频率下、在传输模式以及截止模式下矩形波导中电磁场的分布特性，从而使学生对传输模式、截止模式、波导波长以及截止波长等特性具有直观的了解。

关键词：微波技术基础;矩形波导;截止模式;传输模式

中图分类号：G434 文献标识码：A   文章编号：1003-2177（2021）10-0068-02

1 介绍

微波技术基础是电子信息类专业的专业基础课，主要讲授电磁波在各种传输线中的传播特性等知识。矩形波导是一种很重要、很常用的微波传输线，因此在这门课程里，详细讲述了矩形波导中电磁波的传播方程、电磁波的传播条件以及传播特性参量等知识。其中的传播特性参量主要有电磁波的频率、工作波长、截止波长、波导波长、相速、群速、特性阻抗以及模式等。与在自由空间中传播时相比，电磁波在矩形波导中传播时，很多传输特性参量将产生变化，例如波长、相速以及群速等，其中的波长的变化最大，也最基础。能够形象理解工作波长接近截止波长时电磁波在波导中的传播特性，对理解电磁波在矩形波导中的传输特性有很重要的意义。

传统的微波技术在这一部分的教学中，一般采用原理介绍以及公式推导的方式进行，导致学生对电磁波进入矩形波导后的性能变化没有直观的理解，影响其对此处知识的掌握。传统的教学方式可以给出电磁波在波导中正常传播时，波导内的电场分布情况，但是没有给出工作在截止波长附近电磁波在波导内的电场分布情况，使学生不能对截止波长有比较形象的理解。本文利用HFSS软件辅助，针对工作在矩形波导截止波长附近的电磁波在波导内的传播特性进行建模，给出不同频率情况下电磁波在波导内的电场分布情况，从而使学生对截止模式以及传输模式有比较直观的理解，可以改善学生对矩形波导传输特性的理解程度[1-2]。

2 利用HFSS软件辅助矩形波导传输特性教学

微波技术基础中，电磁波在矩形波导中传播特点的理论基础比较清晰。

以标准的BJ-10波导为例，其宽边和窄边的尺寸为22.86mm×10.16mm。因此其截止波长为宽边长度的2倍，也即45.72mm，换算成频率为6.56GHz，也即只有频率大于6.6GHz的電磁波才能在波导中传播;低于此频率，波导处于截止状态，全反射。电磁波在进入波导中后，其相位传播速度，也即相速，会变大;其能量传播速度，也即群速会变小;相速与群速的乘积为光速的平方。电磁波在进入波导中后，其在波导中表现出来的波长，也即波导波长会变长，越临近截止频率，则其波导波长越长;等于截止频率时，波导波长为无限长;当电磁波的工作频率远大于截止频率，也即工作波长远小于截止波长时，波导波长无限接近于工作波长。

上述的波长变化以及传输特性可以通过对波导内电场的分布情况得到比较直观的结果。BJ-10波导的传输特性如图1所示。

从图1可以明显地看出BJ-10矩形波导在工作频率大于6.56GHz时才能传输电磁波，低于此频率，则会快速地衰减。

当频率大于6.56GHz时，波导处于正常传输状态，此时不同频率情况下波导内的电场强度分布如图2所示。

图2中，两个红色涡旋中间的距离是二分之一波长，因此可以很明显看出，左图的电场分布图是8GHz，右图的电场分布图是12GHz。

但是当工作频率处于截止频率或者小于截止频率时，波导内的场强分布将有较大的变化，如图3所示。

由图3可以看出，当工作频率在截止频率附近，但是大于截止频率时，例如6.58GHz时（右图），波导波长将会变得很长;当工作频率小于截止频率时，例如6.4GHz时（左图），另一个波导端口没有建立起相应的电场，此时电磁波不能有效传输。

3 结语

利用HFSS软件辅助，可以形象地演示电磁波在矩形波导中传输时波导内的截止模式、传输模式下场分布的不同，不同工作频率情况下场分布的区别，有助于改善学生对矩形波导传输线传输特性的理解。

参考文献

[1]赖颖昕.基于Ansoft HFSS的电磁场与电磁波课程图示化教学[J].东莞理工学院学报，2012，19（1）：104-108.

[2]龚克，袁迎春.基于Ansoft HFSS的矩形波导可视化教学[J].电气电子教学学报，2012，34（3）：118-120.

（责编：杨梅）