一定要看的波導(dǎo)基礎(chǔ)干貨！

2017-03-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

波導(dǎo)簡介

一、波導(dǎo)定義

能夠引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)或裝置。在廣義的定義下,波導(dǎo)不僅是指空金屬管,同時(shí)也包括其他波導(dǎo)形式如脊形波導(dǎo)、橢圓波導(dǎo)、介質(zhì)波導(dǎo)等;還包括雙導(dǎo)線、同軸線、帶狀線、微帶和鏡像線、單根表面波傳輸線等。

一般說到波導(dǎo)就是指空心金屬管。根據(jù)波導(dǎo)截面的形狀不同,可分為矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)等。目前,在實(shí)際應(yīng)用中矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)仍是兩種最主要的波導(dǎo)形式。

圖一矩形波導(dǎo)

圖二圓形波導(dǎo)

當(dāng)無線電波頻率提高到3000MHz至300GHz的厘米波波段和毫米波波段時(shí),同軸線的使用受到限制而采用金屬波導(dǎo)管或其他導(dǎo)波裝置。電磁波在波導(dǎo)的傳播過程中受到波導(dǎo)內(nèi)壁的限制和反射。波導(dǎo)管壁的導(dǎo)電率很高(一般用銅、鋁等金屬制成,有時(shí)內(nèi)壁鍍有銀或金),通?？杉俣ú▽?dǎo)壁是理想導(dǎo)體,波導(dǎo)管的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)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(dǎo)管內(nèi)的電磁場(chǎng)可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導(dǎo)的邊界條件求解。

二、特征參數(shù)

從應(yīng)用的角度看,描述波導(dǎo)的特征參數(shù)有以下四點(diǎn):

色散特性:色散特性表示波導(dǎo)縱向傳播常數(shù)與頻率的關(guān)系。

特性阻抗:特性阻抗與傳播常數(shù)有關(guān)。特性阻抗在幅值上反映波導(dǎo)橫向電場(chǎng)與橫向磁場(chǎng)之比。當(dāng)不同波導(dǎo)連接時(shí),特性阻抗越接近,連接處的反射越小。波導(dǎo)的特征阻抗是量度連接處對(duì)電磁能反射大小的一個(gè)很有用的參量。

損耗:損耗是限制波導(dǎo)遠(yuǎn)距離傳輸電磁波的主要因素。

場(chǎng)分布:滿足波導(dǎo)橫截面邊界條件的一種可能的場(chǎng)分布稱為波導(dǎo)的模式,不同的模式有不同的場(chǎng)結(jié)構(gòu),他們都滿足波導(dǎo)橫截面的邊界條件,可以獨(dú)立存在。波導(dǎo)中的場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以分為兩大類:

TE模:電場(chǎng)沒有縱向分量

TM模:磁場(chǎng)沒有縱向分量

色散特性:與普通傳輸線不同,波導(dǎo)管里不能傳輸TEM模,電磁波在傳播中存在嚴(yán)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)。TE波和TM波的相速和群速都隨波長而變,即是頻率的函數(shù),這種現(xiàn)象稱為“色散”。TE波和TM波統(tǒng)稱為“色散波”,而TEM波的相速和群速相同,且與頻率無關(guān),沒有色散,稱“無色散波”(或非色散波)。

三、波導(dǎo)分類

通常,波導(dǎo)專指各種形狀的空心金屬波導(dǎo)管和表面波波導(dǎo),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(dǎo);后者將引導(dǎo)的電磁波約束在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周圍,又稱開波導(dǎo)。

表面波波導(dǎo)的特征是在邊界外有電磁場(chǎng)的存在。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(dǎo)管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時(shí)使用表面波波導(dǎo),除具有良好的傳輸性外,主要優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)的主要形式有:介質(zhì)線、介質(zhì)鏡像線、H-波導(dǎo)和鏡像凹波導(dǎo)。

四、不同模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)中可能存在無限多種電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)或分布,每一種電磁場(chǎng)的分布稱為一種波型(模式),每一種波型都有對(duì)應(yīng)的截止波長和不同的相速。橫截面均勻的空心波導(dǎo)稱為均勻波導(dǎo),均勻波導(dǎo)中的電磁波的波型可分為電波(TM模)和磁波(TE模)兩大類。