5分钟带你了解波导中微波的模式

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大家对波导这个概念应该不会太陌生,波导就是将能量从一个地方传到另一个地方的器件。波导能够将能量束缚在一个中空的金属中,这样能大大降低能量传输过程中的损耗,而不是像天线那样直接将能量辐射到整个空间中。可以把波导理解成指向性特别强的天线,能量只能在波导能传播,而不能扩散到别的地方。提到波导就不得不提一下波导中的微波,微波在射频研究学习的过程中显得尤为重要。
 
要了解波导中微波,首先要了解微波的模式,那我们就需要知道什么是模式,模式就是没有激励源条件下的Maxwell方程的解。
 
T是transverse 的缩写,本意为“横向”。在模式中特指“与传输方向垂直的方向”。举例,若波导中电磁波传输方向为z方向,则横向为直角坐标系中的x,y方向;或柱坐标系的\rho,\phi方向。
 
TE模式表示“所有电场分量均与传输方向垂直”,即“传输方向上没有电场分量”;TM模式同理。TEM模式意义为“电场、磁场分量均与传输方向垂直”。
TEM波就是横波,HxE与k三者相互垂直,其他方向都没有分量,但有的在波传播方向k上有H波或E波,这就产生了所谓的TE波或TM波 
 
波导 微波
 
沿一定途径(比如说波导)传播的电磁波为导行电磁波。根据麦克斯韦方程,导行电磁波在传播方向上一般是有E和H分量的。
 
光的传播形态分类:根据传播方向上有无电场分量或磁场分量,可分为如下三类,任何光都可以这三种波的合成形式表示出来。 
 
1、TEM波:在传播方向上没有电场和磁场分量,称为横电磁波。若激光在谐振腔中的传播方向为z方向,那么激光的电场和磁场将没有z方向的分量!实际的激光模式是准TEM模,即允许Ez、Hz分量的存在,但它们必须<<横向分量,因为较大的Ez意味着波矢方向偏离光轴较大,容易溢出腔外,所以损耗大,难于形成振荡。
 
2、TE波(即s波):在传播方向上有磁场分量但无电场分量,称为横电波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Ey, Hx, Hz,传播方向为z方向。 
 
3、TM波(即p波):在传播方向上有电场分量而无磁场分量,称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Hy, Ex, Ez,传播方向为z方向。
 
三者可以这样记忆:横电磁波就是电和磁都是横着的,横电波只有电场是横的,横磁波就只有磁场是横的。而所谓横,就是与电磁波传播方向向量k是垂直的,可以想象一个单簇的光线就是一根直线的水管,在水管横截面上的就是与水流方向垂直的,所谓横,就是这个意思了。
 
微波工程、电磁场理论等课程中有关于TEM、TE、TM模的更为详细的描述。这里会存在一个疑问:不是说电场和磁场以及传播方向都正交相互垂直吗?那为啥会出现不相互垂直的TE/TM波,原因就在于,在介质中传播特别是折射后,产生了折射,原因在于介质,由于存在非正交分量,其实可能是导致介质损耗的原因所在!  
 
波的振动方向最基本的情况可分两种: 
 
波导 微波
图:振动方向与波的传播方向平行,这种波称为纵波 
波导 微波
图:振动方向与波的传播方向垂直,这种波称为横波
 
振动具有线性叠加性,故波动也同样满足线性叠加性,因此任何其他的方向关系的波动都可以由这两种波通过线性叠加而得到。动传播的复杂程度首先取决于传播介质的分布情况。如果传播介质是一维的,那么波的传播方向就只能在一条线上。如果传播介质是多维的,那么波将从波源出发,向任意方向传播。而波动传播的方向称为波射线(简称波线)。由于波在介质中的传播是一个时间过程,所以必须考虑波在空间中分布的一些时间性的特性。首先是相位的概念。由于波动是一种周期现象,因此在某一个时刻振子处于一个周期的什么位置是非常重要的物理特征,这种位置就叫做相位。其次在波的空间分布中由相位相同的各点组成的一个几何面,称为波阵面(简称波面)。波阵面的概念在应用波动图象来分析波动现象时是非常关键的。波面的形状和波源与介质的分布性质密切相关。最简单的两种情形是:在各向同性的介质中,从点波源发出的波的波阵面是一簇同心球面,称为球面波;从平面状波源发出的波的波阵面是一簇平行平面,称为平面波。
 
波导 微波
 
在波导理论中,能够传输TEM模式的波导,其横截面结构需能支持稳定静电场存在。故,单导体空心金属波导无法传输TEM模式。
 
波导分类:通常,波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导,前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内,又称封闭波导;后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围,又称开波导。
 
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波导 微波
 
表面波波导的特征是在边界外有电磁场的存在。其传播模式为表面波。在毫米波与亚毫米波波段,因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用表面波波导,除具有良好的传输性外,主要优点是结构简单,制作容易,可具有集成电路需要的平面结构。表面波波导的主要形式有:介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。
 
波导 微波
 
不同模式的场结构:波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布,每一种电磁场的分布称为一种波型(模式),每一种波型都有对应的截止波长和不同的相速。横截面均匀的空心波导称为均匀波导,均匀波导中的电磁波的波型可分为电波(TM模)和磁波(TE模)两大类。
 
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波导 微波
波导 微波
波导 微波
波导 微波
波导 微波
波导 微波
 
矩形波导:矩形波导是横截面为矩形的填充空气的空心金属管,是实际中应用最广泛的一种微波传输线。标准矩形波导管数据
 
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波导 微波
 
标准矩形波导管规格标准对照表
 
波导 微波
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