低能電子直線加速器微波技術(shù)基礎(chǔ)Ⅰ.微波與電磁波譜簡介Ⅱ.電磁波基本知識回顧Ⅲ.微波技術(shù)的主要特點Ⅳ.導(dǎo)行波系統(tǒng)及傳輸線理論Ⅴ.微波在波導(dǎo)管中的傳輸Ⅵ.常用的微波元件Ⅶ.駐波加速器的微波傳輸系統(tǒng)舉例Ⅰ.微波與電磁波譜簡介微波是電磁波譜中介于普通無線電波與紅外線之間的波段。波長不同的電磁波在產(chǎn)生、傳輸技術(shù)及應(yīng)用等方面都將具有不同的特點；發(fā)展了不同的學(xué)科。微波波段

頻率f:300MHz~300GHz波長λ:1m~1mm代號 f（GHz）標(biāo)稱波長（cm） L 1~2 22 S 2~4 10C 4~8 5X 8~12 3電磁波的產(chǎn)生電荷激發(fā)電場電力線+

-電流激發(fā)磁場沒有單磁極子磁力線是圍繞電流的閉合曲線

EH隨時間交變的電場感生交變的渦旋磁場隨時間交變的磁場感生交變的渦旋電場電磁波的產(chǎn)生交變電場與交變磁場交互感應(yīng)，相互支持，在空間形成統(tǒng)一的從振源開始，由近及遠(yuǎn)，在空間傳播的電磁波振源近區(qū)的場分布很復(fù)雜，遠(yuǎn)區(qū)則呈球?qū)ΨQ分布。在離源更遠(yuǎn)的區(qū)域，球面則近似為平面波。xyzxyzω真空或理想無損媒質(zhì)（導(dǎo)電率σ=0）橫電磁波（TEM波）按單一頻率ω正旋規(guī)律變化的平面電磁波是簡諧等幅的行波。電磁波傳播速度與頻率無關(guān)，決定于介質(zhì)的介電常數(shù)ε和導(dǎo)磁系數(shù)μ在真空中即為光速.C≈3×108米/秒。波阻抗η=Em/Hm在真空中η0=377Ω平面電磁波在均勻無損媒質(zhì)中的傳播平面電磁波在良導(dǎo)體中傳播的特點β很大，波相速很慢。η很小，波阻抗低，即磁場較強，電場較弱。α很大，衰減很快。定義趨膚深度δ為場強衰減到1/e=0.368倍的距離。例：銅σ=5.8×107米/秒

f=3000MHz條件下

δ=1.2微米良導(dǎo)體電磁波在媒質(zhì)交界面的傳播特性媒質(zhì)1中的一束入射波在交界面處將產(chǎn)生一束反射波和一束透射波。線性媒質(zhì)中三束波的頻率一致。三束波的波矢量同在一個入射平面上；入射平面與交界面相互垂直。反射角與入射角相等θr=θi

折射角與入射角有關(guān)系式為：三個波的波幅關(guān)系要滿足介質(zhì)交界面處電磁場的邊界條件三個波的波幅關(guān)系要滿足介質(zhì)交界面處電磁場的邊界條件介質(zhì)1介質(zhì)2理想介質(zhì)（σ1=σ2=0）交界面上沒有自由電荷也沒有傳導(dǎo)電流。E1t=E2tε1E1n

=ε2E2nH1t=H2tμ1H1n

=μ2H2n理想導(dǎo)體（σ2→∞）交界面上有薄層（自由）面電荷ρs

和（傳導(dǎo)）面電流js。在理想導(dǎo)體表面處，入射波和反射波合成的結(jié)果滿足：電力線一定垂直于導(dǎo)體表面。磁力線一定平行于導(dǎo)體表面。良導(dǎo)體（如銅，銀等）σ很大，可近似為理想導(dǎo)體處理。++

+

++++理想導(dǎo)體σ2→∞E=0B=0.ρsjsE1t=0

D1n=ρsH1t=js

B1n=0理想導(dǎo)體表面的邊界條件Ⅲ.微波技術(shù)的主要特點普通無線電波段使用的振蕩管和放大管不能用于產(chǎn)生或放大微波。微波波長與元器件的尺度可相比擬；趨膚效應(yīng)、輻射效應(yīng)及延時效應(yīng)明顯表現(xiàn)，不可忽略。不能用任意形狀的導(dǎo)線來傳輸微波。微波元器件中的電場與磁場是相互依托，共同存在的；沒有單純的電阻R、電感L或電容C等集中參數(shù)的元器件及相應(yīng)的由L和C組成振蕩回路。微波測量的基本參量不可能是電壓、電流或電阻；而是頻率f、功率P、波的散射參量及等效的阻抗參量。普通柵控電子管在微波波段不能正常工作例：電子渡越時間τ≈10-9秒微波周期T≈10-9~

10-12秒陰柵分布電容C’~10-12法(μμf)f~

106Hz1/(ωC’)~106Ωf~

1010Hz1/(ωC’)~100ΩC，Ⅳ.導(dǎo)行波系統(tǒng)及傳輸線理論⒈導(dǎo)行波系統(tǒng)簡介⒉平行雙線和同軸線傳輸?shù)腡EM波⒊TEM波傳輸線的等效電路⒋傳輸線的等效電路理論

（無損傳輸線方程的一般解）⒌傳輸線工作狀態(tài)的分類⒍傳輸線的狀態(tài)參量導(dǎo)行波系統(tǒng)（引導(dǎo)電磁波定向傳輸?shù)膫鬏斁€）如何正確選取傳輸線？為什么不同頻段需采用不同的導(dǎo)行波傳輸線？⒈導(dǎo)行波系統(tǒng)簡介功率容量衰減大小頻帶特性尺寸合理性電源負(fù)載各種傳輸線2.平行線和同軸線傳輸?shù)腡EM波··················································××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××·························××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××λ························································××××××××××××××××××××××××××HEE×HEHE×H⒊TEM波傳輸線的等效電路沿線分布串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納Z1=R1+jωL1Y1=G1+jωC1無損條件下，可忽略R1，G1微波頻率下ωL1＞＞

R1，

ωC1＞＞G1

Z1=jXL=jωL1

Y1=jXC=jωC1分布參量R1、G1、

L1、和C1隨頻率變化嗎？C1C1C1C1C1L1L1L1L1L1R1L1C1G1R1L1C1G1平行線和同軸線的分布參數(shù)⒋傳輸線等效電路理論電源通過沿線的分布電感逐步向分布電容充電，形成向負(fù)載傳輸?shù)碾妷翰ê碗娏鞑āｉL線理論解電路方程，可求得線上分布的等效電壓和電流波：

u(z,t)

,i(z,t)注意：習(xí)慣將坐標(biāo)原點放在

負(fù)載參考面。

zo～ZLi(z,t)u(z,t)電源負(fù)載無損理想傳輸線方程的一般解⑴線上電壓和電流分別都是由入射波和反射波疊加而成。⑵四個波的相移常數(shù)β相同，且波相速VP相同，并無色散。⑶入射波電壓與電流的幅值比及反射波電壓與電流的幅值比相等；

定義為：傳輸線的特性阻抗Z0⑷VP和Z0僅與傳輸線的L1,C1

有關(guān)，與電源的頻率f和功率P無關(guān)。也與負(fù)載阻抗ZL無關(guān)。

u(z,t)=ui(z,t)+ur(z,t)i(z,t)=ii(z,t)+ir(z,t)

ui(z,t)=UimSin(ωt+βz+φi)

ii(z,t)=IimSin(ωt+βz+φi)

ur(z,t)=UrmSin(ωt-βz+φr)

ir(z,t)=IrmSin(ωt-βz+φr)電源的f、P和負(fù)載ZL對傳輸線工作狀態(tài)有影響嗎？VPβωZ0ω│Umax││Umin│t1t2t3t4駐波狀態(tài)

全反射（例：終端短路ZL=0）

Urm=Uim入射波與反射波合成，保證負(fù)載處

u(0,t)=0

純駐波像弦振動一樣原地振蕩，不向前傳播。沿線存在駐波腹和波節(jié)點，兩者相距（λ/4）距離。波峰Umax=2Uim，波節(jié)Umin=0

入射波與反射波合成駐波終端短路ZL=0

u(0,t)=0

全反射Uim

=Urm

Iim

=Irm

φr

=π

u(z,t)=2UimSinβzCosωti(z,t)=2IimCosβzSinωtu(z,t)=Uimsin(ωt+βz)+Urmsin(ωt-βz+φr)

i(z,t)=Iimsin(ωt+βz)-Irmsin(ωt-βz+φr)終端開路ZL=∝i(0,t)=0

全反射Uim

=Urm

Iim

=Irm

φr

=0

u(z,t)=2UimCosβzSinωti(z,t)=2IimSinβzCosωt電流駐波與電壓駐波在時間上相差（π/2）空間上相差（λ/4）距離。電流駐波與電壓駐波在時間上相差（π/2）空間上相差（λ/4）距離。

沿線的輸入阻抗是以（λ/2）為周期變化的。

λ/4線具有阻抗倒轉(zhuǎn)性。全反射駐波的輸入阻抗Zin(z)純虛數(shù)負(fù)載全反射

純感負(fù)載ZL=jXL純電容負(fù)載ZL=jXL電容負(fù)載ZL=-jXC問題：純虛數(shù)負(fù)載輸入阻抗Zin(z)=?混波狀態(tài)負(fù)載吸收部分功率，其余反射反射波小于入射波Urm＞Uim

ZL=R+jX≠Z0沿線也存在駐波波腹和波節(jié)點，波峰Umax＜2Uim，波節(jié)Umin＞0

電流駐波與電壓駐波在空間仍相差（λ/4）距離。沿線的輸入阻抗也是變化的。

線上是存在一個行波加一個駐波的混波狀態(tài)

傳輸線的狀態(tài)參量反射系數(shù)

駐波系數(shù)

輸入阻抗

│Umax││Umin│λ/2lminlminoT參考面?zhèn)鬏斁€的狀態(tài)參量轉(zhuǎn)換關(guān)系三套參量，同一對象；可相互轉(zhuǎn)換電壓反射系數(shù)與電壓駐波比(VSWR)引入功率反射系數(shù)1.00∝1.0純駐波時ρ=？│Γ│=？行波狀態(tài)時ρ=？│Γ│=？ρ=1.2Pr/P0=？≤0.01Ⅴ.微波在波導(dǎo)管中的傳輸1.概述：波導(dǎo)管可以傳輸什么樣的電磁波？波導(dǎo)是怎樣傳輸電磁波的？2.矩形波導(dǎo)中的電磁波波導(dǎo)模式（波型）TE及TM波的傳輸特性及參量矩形波導(dǎo)的主模TE103.圓波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ê喗?.波導(dǎo)傳輸微波的功率特性波導(dǎo)管可以傳輸什么樣的電磁波？空心金屬管中電磁波不可能自由傳輸必須滿足電磁場的基本規(guī)律必須滿足金屬邊界條件空心金屬管中能否存在靜電場？矩形波導(dǎo)管中能否存在均勻分布的簡諧場Ey=Emsinωt?空心波導(dǎo)管能否傳輸TEM波？微波理論和實驗證明波導(dǎo)管中可以傳輸TE和TM波

TE波(

H波)橫電波（磁波）有Hz分量

TM波(E波)橫磁波（電波）有Ez分量（不能）（不能）（不能）xzy

波導(dǎo)管是怎樣傳輸電磁波的？TEM波斜射進入波導(dǎo)，受金屬壁來回往返反射，曲折前進，通過波導(dǎo)。入射波和反射波疊加合成，可以在波導(dǎo)中形成各種各樣的TE,TM波。每個波型的電磁場在金屬邊界均滿足

Et=0Hn

=0橫截面內(nèi)是駐波場；波導(dǎo)管是怎樣傳輸電磁波的？理論分析結(jié)果每個波型在邊界的入射角與波長λ必須恰當(dāng)配合，才可能保證金屬邊界是切向電場Et和法向磁場Hn的波節(jié)點。理論證明λ越長,θ越小；λ=λC

時θ=0；波不再可能縱向傳輸；稱λC為截止波長。不同的波型具有不同的λC。沿縱向傳輸?shù)膶?dǎo)波波長（相波長）λg不同于自由波長λθaλλg不同的波型在縱向傳輸?shù)南嗨賄P及導(dǎo)波波長λg也不相同；例（如圖為某一波型）矩形波導(dǎo)的電磁波存在無窮多個TEmn和TMmn的本征模式(m=0,1,2..n=0,1,2…)mn是模式標(biāo)號，分別表示寬邊和窄邊上的駐波波腹數(shù)本征模式：可以單獨存在的某一種基本的電磁場形態(tài)各種模式的場可以疊加成復(fù)雜的場存在與波導(dǎo)中。通常采用單模工作狀態(tài)。矩形波導(dǎo)中TE和TM波的傳輸特性參量由波導(dǎo)尺寸（a，b)及模式標(biāo)號決定。TEmn，TMmn波型不同，λc相同。TE和TM波是色散波相速和群速均隨頻率變化λc2ba2aTE30TE01TE20TE10截止單模多模區(qū)λcλVTEMCVp>CVg>CVg=Vp矩形波導(dǎo)的TE10模的λC最長，稱為最低模稱其他模為高次模。

TE10模的λC=2a,λ>2a,則全都截止。TE10模可實現(xiàn)單模工作，是矩形波導(dǎo)的主模。矩形波導(dǎo)傳輸?shù)闹髂E10常用10cm波段的波導(dǎo)a≌7.2cmb≌3.4cmλC=14.4cm

fc=?f=2998MHzλ=10cmλg=?13.9cm~2080MHz圓波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪ê喗榛靖拍钆c矩形波導(dǎo)一樣TEM波斜射，金屬壁反射無窮多TEmn,TMmn

本征模m標(biāo)注輻向，n標(biāo)注徑向λ＜λc

可傳輸，λg＞λ，Vp＞c

常用的模式特點TM01有EZ場,可用與和電子相互作用（加模片成盤菏波導(dǎo))TE11

最低模，輻向變一周期徑向有一波腹，用于與矩形波導(dǎo)連接（波導(dǎo)窗，磁控管的方圓轉(zhuǎn)換）TE01

圓電模式,損耗最小,高Q腔⑴功率容量

最大允許通過功率Pmax（平均值）與波導(dǎo)尺寸，工作頻率及場強Em

有關(guān)。

Pmax受限于場強Em

的擊穿值Eb，與

波導(dǎo)的清潔度及光潔度有關(guān)，但更主要的是決定與波導(dǎo)內(nèi)的介質(zhì)情況。實際值往往僅為理論值(20~30)%例：72x34mm2

波導(dǎo),理論(2.2~3.2MW）

⑵提高擊穿值Eb可采用的措施：

抽真空(低真空Eb最低）充干燥過濾的壓縮空氣或氮氣（2~3氣壓，太大波導(dǎo)會變形）充SF6氣體波導(dǎo)傳輸微波的功率特性30EbpKV/cm760mmHg實際波導(dǎo)金屬材料不是理想導(dǎo)體，是良導(dǎo)體。電磁波在內(nèi)壁有高頻感應(yīng)面電流（例TE10

波）傳輸過程中，波導(dǎo)發(fā)熱，功率損耗，指數(shù)衰減。

E(z)=E0e-αzP(z)=P0e-αz衰減單位（分貝，db)

A=3dbP=0.5P0A=10dbP=0.1P0A=20dbP=0.01P0⑶損耗與衰減Ⅵ.常用的微波元件1.無源微波傳輸元器件的作用2.各種微波元器件簡介匹配負(fù)載，短路活塞，波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換衰減器，移相器，波導(dǎo)三通（E-T,H-T)定向耦合器波導(dǎo)雙T和魔T3.波導(dǎo)使用時的幾個實際問題無源微波傳輸元器件的作用定向傳輸：彎波導(dǎo)，角波導(dǎo)，扭波導(dǎo)分配&合成：E-T,H-T，功率調(diào)配：衰減器，移相器定向耦合：定向耦合器，波導(dǎo)橋隔離去耦：隔離器，環(huán)流器阻抗匹配：吸收負(fù)載，阻抗調(diào)配器波型轉(zhuǎn)換：同軸線與波導(dǎo)，方圓轉(zhuǎn)換盤菏波導(dǎo)耦合器其他：波導(dǎo)窗，波導(dǎo)三通內(nèi)部沒有電子束運動的器件叫無源器件微波元件的功能在于對微波進行各種變換，以達(dá)到各種目的。彎波導(dǎo)，角波導(dǎo)，扭波導(dǎo)保證微波定向傳輸，機械安裝要求主要要求，附加反射小