§24-3 截止频率

在解方程式(24.16)以求得kz 时,实际应有两个根,一个是正,一个是负。我们应该写成

350-9

这两个符号只是意味着可能有以负相速(朝向-z)传播的波,同样在导管中也有沿正向传播的波。自然,波沿任一方向传播都应该是可能的。由于这两种类型的波可以同时存在,所以就会有驻波解的可能性。

有关kz 的方程也告诉我们,较高的频率给出较大的kz 值,因而也就是较短的波长,一直到ω取大的极限时,k变得等于ω/c,它就是我们对自由空间里的波所预期的值。我们通过管子所“看到”的光仍然以速率c行进。但此刻注意,若频率下降,则某些怪事会跟着发生。开始波长会变得越来越大,但若ω降得太小,则式(24.20)中的平方根内的量突然变负。一旦ω变为小于πc/a——或当λ0变得大于2a,上述情况就会发生。换句话说,当频率变成低于某一临界频率ωc =πc/a时,波数kg (从而λg )会变成虚数,从而不再得到任何解了。难道真的得不到解了吗?谁说kz 必须是实数呢?如果确实出现虚数,那又该怎么办呢?场方程组仍旧被满足,或许一个虚数kz 也代表一个波。

假设ω小于ωc ,便可以写成

kz =±ik′, (24.21)

其中k′是正的实数,即

351-1

上述表达式给出了一个按eiωt 随时间振动但却按照351-2 随z变化的E场。它作为一个指数函数随z平滑地减少或增加。在我们的推导中并未对发出波的源有所操心,不过一定有一个源存在于导管中某处。伴随k′的符号必定是使场随着离开波源的距离增大而减小的那个。

因此,对于比ωc =πc/a低的频率,波并不会 沿导管往下传播,该振动场只能透入导管内仅达到1/k′数量级的距离。为此,频率ω0 被称作导管的“截止频率”。考察式(24.22)可知,在频率仅稍低于ωc 时,k′是一个小数值,因而场可透入导管内很大的距离。但若ω比ωc 小很多,则指数系数k′等于π/a,而场便非常迅速地减弱,如图24-7所示。在距离等于a/π或在约三分之一宽度的距离内,场减弱至1/e。场从源出来后仅透入很短距离。

351-3

图24-7 对于ω≪ωc ,Ey 随z的变化情况

我们想要强调对导波进行分析的一个有趣特点——即虚波数kz 的出现。按正常情况,如果在物理学中求解一个方程并获得一个虚数,它不具有任何物理意义。然而,对于 来说,一个虚数确实 意味着某种东西。波动方程仍被满足,它只是意味着解答会给出一个指数式地减弱的场,而不是一个传播着的波罢了。因此,在任一个波动问题中,若对于某一频率k会变成虚数,这意味着波的形式变了——正弦波变成了指数式衰减的场。