电磁场中传播常数K和相位常数β的关系
在学习矩形波导的TE模和TM模的过程中,会遇到下面这个公式:
其中K和β这两个值都和波长λ有关,且很多与之相关的式子都差不多,因此常常产生疑惑。
在Pozar的《微波工程》一书中该公式定义的是截止波数,是根据麦克斯韦方程在矩形波导的边界条件和TE/TM模的限定下推导得到的。
- K首先出现在亥姆霍兹方程中,定义如下:
应用于无耗介质的平面波中,该情况下的边界条件最为简单 - 在有耗介质的平面波中,没有使用k,而是采用了复传播常数
这里的将β定义为相位常数 - 在传输线中,求传输线或波导中电磁波的通解时,引入了截止波数Kc,书中对其说明如下
到这里就明白了,β是在特定边界条件下需要求解的电磁波的相位常数,所求解出的电磁波的波长λ与β满足关系
而K是一个固定的值,只与材料的参数和频率f有关,即
其仅仅在平面波或者TEM波的解中能当作是相位常数使用(此时与β相等),其余情况下仅仅作为一个固定的量用来参考,比如TE模情况下要求K>Kc时,β才是实数,电磁波才有解,而K<Kc时,β为虚数,电磁波的场分量指数衰减,因此可以得到截止频率(即K=Kc时的频率)和波导尺寸的关系:
在K>Kc的情况下,β便是波导中电磁波的相位常数,和波导波长以及平面波或TEM波的波长满足关系:
这也正好说明了在相同介质中平面波或TEM波的波长要小于波导中电磁波的波长。
总结
K是一个只与频率、介质参数有关的值,仅仅在平面波和TEM波中能作为相位常数使用,此时与β相等,表示单位长度上的弧度数。
β是电磁波的相位常数,适用于包括平面波、TEM波、TE、TM等电磁波。
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