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波导(WAVEGUIDE),用来定向引导电磁波的结构。在电磁学和通信工程中,波导这个词可以指在它的端点间传递电磁波的任何线性结构。但最初和最常见的意思是指用来传输无线电波的空心金属管。这种波导主要用作微波频率的传输线,在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电磁波的角度看,它们都可分为内部区域和外部区域,电磁波被限制在内部区域传播(要求在波导横截面内满足横向谐振原理)。

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    中文名
    波导
    外文名
    WAVEGUIDE
    常见结构
    平行双导线、同轴线
    行业
    电子产品

    1概述

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    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。

    介质波导采用固体介质杆而不是空心管。光导纤维是在光频率工作下的介质波导。微带、共面波导、带状线或同轴电缆等传输线也可以认为是波导。

    当无线电波频率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时,同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是导体损耗和介质损耗小;功率容量大;没有辐射损耗;结构简单,易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解,与普通传输线不同,波导管里不能传输 TEM模,电磁波在传播中存在严重的色散现象,色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在 。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。

    金属管波导中的电磁波可以想象为沿Z字形路径在波导中行进,在波导的壁之间来回反射。对于矩形波导的特殊情况,可以立足于这种观点的精确分析。在介质波导中的传播也可以同样的方式看待,波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部。一些结构,如无辐射介质波导和高保线,使用金属壁和电介质表面来限制波。

    2提出

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    1893年J.J.汤姆森第一个提出波导的概念。1894年O.J.洛奇第一个用实验证明了波导。1897年罗德·瑞利第一个完成了在空心金属圆柱形波导中传播模式的数学分析。(McLachan, 1947.)

    3基本特征

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    电磁波在波导中的传播受到波导内壁的限制和反射。波导管壁的导电率很高(一般用铜、铝等金属制成,有时内壁镀有银或金),通常可假定波导壁是理想导体,波导管内的电磁场分布可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件来求解。波导管内不能传输TEM波,电磁波在波导中的传播存在着严重的色散现象。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,均匀波导中电磁波的波型可分为电波(TE模)和磁波(TM 模)两大类。

    4特征参数

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    从应用角度看,描述波导的特征参数有以下四点:

    色散特性表示波导纵向传播常数与频率的关系,常用平面上的曲线表示。

    特征阻抗Z与传播常数有关

    TE:

    TM:

    特征阻抗Z在幅值上反映波导横向电场与横向磁场之比。当不同波导连接时,特征阻抗越接近,连接处的反射越小。波导的特征阻抗是量度连接处对电磁能反射大小的一个很有用的参量。

    满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式,不同的模式有不同的场结构,它们都满足波导横截面的边界条件,可以独立存在。

    波导中的场结构可以分为两大类:

    TE 模:电场没有纵向分量

    TM 模:磁场没有纵向分量

    5场分布举例

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    矩形波导中可以存在无限多个 TMmn 模,波型指数m,n分别表示电磁场沿波导宽边a和窄边b 的驻波最大值的个数,m,n=1,2,… 最简单的是TM11模。同样,还可以存在无限多个 TEmn模,m,n=0,1,2,…但不能同时为零。矩形波导中的最低模式是TE10模,其截止波长最长λC=2a,因此,就有可能在波导中实现单模传输。TE10模又称为矩形波导中的主模,是矩形波导中最重要的波型。实际应用中矩形波导都工作在TE10模。

    圆波导中也可以存在无限多个TMmn和TEmn模,m,n分别表示场沿圆周和径向的变化次数。圆波导中只存在TM0n,TMmn(m,n=1,2,…),TE0n和TEmn(m,n=1,2,…)模。圆波导中截止波长最长的主波是TE11模,其截止波长λc=3. 14a(a 为波导半径)。常用的模式还有TM01和TE01模。

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