脊位于窄邊的單脊波導(dǎo)傳輸特性

摘 要：文章用有限差分理論獲得場的差分方程組的通用矩陣形式，分析了脊位于窄邊的單脊波導(dǎo)本征值問題，獲得了脊位于窄邊的單脊波導(dǎo)的截止波長一系列數(shù)據(jù)，對脊波導(dǎo)器件的應(yīng)用有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：有限差分法；脊波導(dǎo)；本征值

引言

導(dǎo)波系統(tǒng)可以導(dǎo)引電磁波在其中傳播，人們希望能夠獲得簡單并且精確求解脊波導(dǎo)的計算方法，但對高次模卻無能為力，特別是當(dāng)脊很薄和脊溝很窄時，其精度受很大限制。

1 原理

圖1是脊位于窄邊的單脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)脊波導(dǎo)內(nèi)為空氣，且縱向均勻，則波導(dǎo)內(nèi)的場滿足亥姆霍茲方程（為方便起見，記？準(zhǔn)代表HZ或EZ）。

通過理論分析，可以得出以場量？準(zhǔn)i（？準(zhǔn)1，？準(zhǔn)2，…，？準(zhǔn)n）為未知數(shù)的n個差分方程，由此構(gòu)成的差分方程組以矩陣形式表示為

（1）

式中[A]為系數(shù)矩陣；[？準(zhǔn)]是以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的待求場量？準(zhǔn)i（？準(zhǔn)1，？準(zhǔn)2，…？準(zhǔn)n）為分量的列向量，即本征向量；kC是本征值，？姿C=■是截止波長，文章采用雙重迭代法求本征值kC。

2 數(shù)值計算結(jié)果

設(shè)寬邊a，窄邊b=0.45a，下面是計算機(jī)編程得到的數(shù)據(jù)：？姿C/a是歸一化截止波長。

2.1 s/b=0.3 b/a=0.45

d/a c/b=0.1 c/b=0.2 c/b=0.3 c/b=0.35

2.2 s/b=0.5 b/a=0.45

d/a c/b=0.1 c/b=0.2 c/b=0.3

2.3 s/b=0.6 b/a=0.45

d/a c/b=0.1 c/b=0.2

3 結(jié)果分析

3.1 當(dāng)脊寬s/b和脊高d/a固定，且d/a<0.4，隨著脊從波導(dǎo)的窄面移到中心處位置期間歸一化截止波長？姿c/a有微弱減小，當(dāng)在中心位置時，得到穩(wěn)定的歸一化截止波長？姿c/a；但當(dāng)d/a>0.3且s/b<0.5時，隨著脊從波導(dǎo)的窄面移到中心處位置期間歸一化截止波長？姿c/a遞增，當(dāng)在中心位置時，得到最大的歸一化截止波長？姿c/a；當(dāng)d/a>0.3且s/b>0.4時，隨著脊從波導(dǎo)的窄面移到中心處位置期間歸一化截止波長？姿c/a遞增，當(dāng)趨近于中心位置時，歸一化截止波長？姿c/a會保持在某一穩(wěn)定值。

3.2 當(dāng)脊位置c/b和脊高d/a固定，d/a<0.4時，隨著脊寬s/b從0.1到0.9歸一化截止波長？姿c/a遞減；當(dāng)d/a>0.3和s/b<0.6時，隨著脊寬s/b從0.1到0.9歸一化截止波長？姿c/a遞增；當(dāng)d/a>0.3和s/b>0.5時，隨著脊寬s/b從0.1到0.9歸一化截止波長？姿c/a遞減。

3.3 當(dāng)脊位置c/b和脊寬s/b固定，隨著脊高d/a從0.1到0.9，歸一化截止波長？姿c/a先遞減后遞增。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧素芬，楊顯清，陳友至.基于有限元法的脊波導(dǎo)特征值分析[J].電子對抗技術(shù)，2005，20（1）：43-46.

[2]魯加國，樊德森.非對稱單脊波導(dǎo)的積分方程法分析[J].微波學(xué)報，1998，14（2）：108-115.

[3]鄭勤紅，曾華，解?，?，等.脊波導(dǎo)族的多極理論分析[J].微波學(xué)報，2001，17（3）：24-28.

[4]任列輝，邢鋒，徐誠，等.用電磁場算子理論分析脊波導(dǎo)的傳輸特性[J].電子與信息學(xué)報，2004，26（2）：326-331.

作者簡介：劉建麗（1973-），女，蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院副教授，主要從事電工基礎(chǔ)理論教學(xué)的研究。