波導

電磁波在波導中的傳播受到波導內(nèi)壁的限制和反射。波導管壁的導電率很高（一般用銅、鋁等金屬制成，有時內(nèi)壁鍍有銀或金），通常可假定波導壁是理想導體，波導管內(nèi)的電磁場分布可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導的邊界條件來求解。波導管內(nèi)不能傳輸TEM波，電磁波在波導中的傳播存在著嚴重的色散現(xiàn)象。波導中可能存在無限多種電磁場的結(jié)構(gòu)或分布，每一種電磁場的分布稱為一種波型（模式），每一種波型都有對應的截止波長和不同的相速。橫截面均勻的空心波導稱為均勻波導，均勻波導中電磁波的波型可分為電波（TE模）和磁波（TM 模）兩大類 。

從應用角度看，描述波導的特征參數(shù)有以下四點：

色散特性

色散特性表示波導縱向傳播常數(shù)

特征阻抗

特征阻抗Z與傳播常數(shù)

TE:

TM:

特征阻抗Z在幅值上反映波導橫向電場與橫向磁場之比。當不同波導連接時，特征阻抗越接近，連接處的反射越小。波導的特征阻抗是量度連接處對電磁能反射大小的一個很有用的參量。

損耗

損耗是限制波導遠距離傳輸電磁波的主要因素。

場分布

滿足波導橫截面邊界條件的一種可能的場分布稱為波導的模式，不同的模式有不同的場結(jié)構(gòu)，它們都滿足波導橫截面的邊界條件，可以獨立存在。

波導中的場結(jié)構(gòu)可以分為兩大類：

TE 模：電場沒有縱向分量

TM 模：磁場沒有縱向分量

通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸?shù)碾姶挪ㄍ耆拗圃诮饘俟軆?nèi)，又稱封閉波導；后者將引導的電磁波約束在波導結(jié)構(gòu)的周圍，又稱開波導。

介質(zhì)波導采用固體介質(zhì)桿而不是空心管。光導纖維是在光頻率工作下的介質(zhì)波導。微帶、共面波導、帶狀線或同軸電纜等傳輸線也可以認為是波導。

當無線電波頻率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時，同軸線的使用受到限制而采用金屬波導管或其他導波裝置。波導管的優(yōu)點是導體損耗和介質(zhì)損耗??；功率容量大；沒有輻射損耗；結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。波導管內(nèi)的電磁場可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導的邊界條件求解，與普通傳輸線不同，波導管里不能傳輸 TEM模，電磁波在傳播中存在嚴重的色散現(xiàn)象，色散現(xiàn)象說明電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)。表面波波導的特征是在邊界外有電磁場存在 。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時使用表面波波導，除具有良好傳輸性外，主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，可具有集成電路需要的平面結(jié)構(gòu)。表面波波導的主要形式有：介質(zhì)線、介質(zhì)鏡像線、H-波導和鏡像凹波導。

金屬管波導中的電磁波可以想象為沿Z字形路徑在波導中行進，在波導的壁之間來回反射。對于矩形波導的特殊情況，可以立足于這種觀點的精確分析。在介質(zhì)波導中的傳播也可以同樣的方式看待，波被電介質(zhì)表面的全內(nèi)反射限制在電介質(zhì)的內(nèi)部。一些結(jié)構(gòu)，如無輻射介質(zhì)波導和高保線，使用金屬壁和電介質(zhì)表面來限制波。

1893年J.J.湯姆森第一個提出波導的概念。1894年O.J.洛奇第一個用實驗證明了波導。1897年羅德·瑞利第一個完成了在空心金屬圓柱形波導中傳播模式的數(shù)學分析。(McLachan, 1947.)

矩形

矩形波導中可以存在無限多個 TMmn 模，波型指數(shù)m，n分別表示電磁場沿波導寬邊a和窄邊b 的駐波最大值的個數(shù)，m，n=1，2，… 最簡單的是TM11模。同樣，還可以存在無限多個 TEmn模，m，n=0，1，2,…但不能同時為零。矩形波導中的最低模式是TE10模，其截止波長最長λC=2a，因此，就有可能在波導中實現(xiàn)單模傳輸。TE10模又稱為矩形波導中的主模，是矩形波導中最重要的波型。實際應用中矩形波導都工作在TE10模。

圓

圓波導中也可以存在無限多個TMmn和TEmn模，m，n分別表示場沿圓周和徑向的變化次數(shù)。圓波導中只存在TM0n，TMmn（m，n=1，2，…），TE0n和TEmn（m，n=1，2,…）模。圓波導中截止波長最長的主波是TE11模，其截止波長λc=3. 41a（a 為波導半徑）。常用的模式還有TM01和TE01模。

規(guī)則波導1.1定義

波導（WAVEGUIDE），用來定向引導電磁波的結(jié)構(gòu)。常見的波導結(jié)構(gòu)主要有平行雙導線、同軸線、平行平板波導、矩形波導、圓波導、微帶線、平板介質(zhì)光波導和光纖。從引導電磁波的角度看，它們都可分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，電磁波被限制在內(nèi)部區(qū)域傳播（要求在波導橫截面內(nèi)滿足橫向諧振原理）。

通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸?shù)碾姶挪ㄍ耆拗圃诮饘俟軆?nèi)，又稱封閉波導；后者將引導的電磁波約束在波導結(jié)構(gòu)的周圍，又稱開波導。當無線電波頻率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時，同軸線的使用受到限制而采用金屬波導管或其他導波裝置。波導管的優(yōu)點是導體損耗和介質(zhì)損耗小；功率容量大；沒有輻射損耗；結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。波導管內(nèi)的電磁場可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導的邊界條件求解，與普通傳輸線不同，波導管里不能傳輸TEM模，電磁波在傳播中存在嚴重的色散現(xiàn)象，色散現(xiàn)象說明電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)。表面波波導的特征是在邊界外有電磁場存在。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時使用表面波波導，除具有良好傳輸性外，主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，可具有集成電路需要的平面結(jié)構(gòu)。表面波波導的主要形式有：介質(zhì)線、介質(zhì)鏡像線、H-波導和鏡像凹波導。

規(guī)則波導1.2基本特征

電磁波在波導中的傳播受到波導內(nèi)壁的限制和反射。波導管壁的導電率很高（一般用銅、鋁等金屬制成，有時內(nèi)壁鍍有銀或金），通?？杉俣ú▽П谑抢硐雽w，波導管內(nèi)的電磁場分布可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導的邊界條件來求解。波導管內(nèi)不能傳輸TEM波，電磁波在波導中的傳播存在著嚴重的色散現(xiàn)象。波導中可能存在無限多種電磁場的結(jié)構(gòu)或分布，每一種電磁場的分布稱為一種波型（模式），每一種波型都有對應的截止波長和不同的相速。橫截面均勻的空心波導稱為均勻波導，均勻波導中電磁波的波型可分為電波（TE模）和磁波（TM模）兩大類。

①規(guī)則波導中的電磁場[2]在橫截面上的分布是一種駐波狀態(tài)，而沿波導軸（z向）的分布是一種行波狀態(tài)，也就是說，規(guī)則波導中的電磁場對橫截面坐標和縱向坐標有著單獨的依賴關(guān)系，即可表示成

因此，規(guī)則波導中的電磁場問題可分作兩部分來研究，即研究波導橫截面上場的結(jié)構(gòu)或圖形（橫向問題）和研究這種場結(jié)構(gòu)滑波導軸向傳輸?shù)幕咎匦裕v向問題）。

②規(guī)則波導中電磁波傳播的模式可分成TE模和TM模，它們又包括無窮多個結(jié)構(gòu)不同的波型，構(gòu)成規(guī)則波導的正交完備模系。③規(guī)則波導中的電磁場問題可以化為縱向場標量亥姆霍茲方程的求解來處理。