波导有助于微波、无线电波和红外线等高频电磁波的传播。美国电话电报公司的乔治·C·索斯沃斯在19世纪早期演示了第一个波导。这篇文章详细介绍了波导，不同的波导模式，它的分类，工作原理，应用，优缺点。
谁发明了波导
波导是由乔治·C·索思沃斯发明的。在第二次世界大战期间，它在雷达系统中发挥了重要作用。为了表彰他在波导方面的工作，他于1938年被授予IRE的Morris N. Liebmann奖，1947年被富兰克林研究所授予Stuart Ballantine奖章。他还因在太阳微波辐射方面的工作而获得富兰克林研究所的路易斯·列维奖章。他在无线电物理学领域的贡献是值得赞扬的。
图1 -乔治医生。C.索思沃斯和第一波导
什么是波导
波导用于引导和传播电磁波从一点到另一点。它们通常用于发射高频波，如微波、无线电波、红外波等。对于小于1mhz的低频波，采用平行传输线或同轴电缆。
波导由具有一定截止频率的色散特性来表示。频率高于此截止频率的信号被允许通过波导传播，频率低于此频率的信号将面临高反射。由于这种特性，波导就像一个高通滤波器。在波导中加入金属或非电介质可以改变色散特性。
最常见的波导类型是空心导电金属管，它携带高频无线电波。它们也以电线、同轴电缆、平行板或光纤的形式存在。
图2 -波导的图像
波导的分类
波导分为两种类型:
- 金属波导
- 介质波导
金属波导
金属波导由一个封闭的导电金属管组成，其导波原理作用于导电壁的全内反射。它们有两种类型:
- 矩形波导
- 圆波导
图3 -金属波导
介质波导
介质波导由介质组成，介电界面的反射有助于电磁波沿波导传播。它们有两种类型:
- 介质板波导
- 光纤
图4 -介质波导
波导模式
电磁波在波导中传播所必需的两种波导模式是:
- TE(横向电动)模式
- TM(横向磁)模式
TE(横向电动)模式
在TE(横向电)模式，电场(E)矢量是横向或垂直于波导的轴。
TM(横向磁)模式
在TM(横向磁)模式，磁场(E)矢量是横向或垂直于波导的轴。
TE和TM模式理想波导必须满足麦克斯韦方程，并基于某些假设:
- 波导被认为是无限长的，沿z轴方向，并沿其长度均匀。
- 该波导由一根完美导电管(PEC)构成，并填充了完美绝缘体(无损电介质)。
- 电场和磁场是时间调和的
图5 -波传播的TE和TM模式
波导是如何工作的
波导被定义为在一定频率范围内将电磁能量在空间中按预定方向从一点传播到另一点的几何结构。波导的工作带宽是一个重要的因素，因为较低的工作频率是由波导结构的电学特性决定的。188bet登入官网它们不是在横向电磁模式(TEM)下工作，因为它们是由单导体建造的。
基本波导模式是具有最低截止频率的模式。波在波导中的传播(TE或TM波)与波在传输线上的传播(TEM波)具有非常不同的特性。这是因为当一个波在波导的一端传输时，它会从波导的两侧反射回来。
这些反射波彼此相互作用，产生了无数个离散的特征模式，称为模式。这些模式完全取决于波导的大小和形状、波导中的介质和工作频率。
为了使波在特定模式的波导中传播，源的工作频率应该高于截止频率。如果波导源的工作频率小于其模态的截止频率，则波就会衰减。
为了有一个清晰的图像，让我们考虑一个矩形波导，它由一个无限长的空心管和尺寸为a×b的矩形截面组成。波沿z方向传播，即;
所有的场量都可以用和和的导数表示
波沿z方向的传播经历了2π弧度的相移。这只不过是经过调制的正弦波的相速度。这种调制波以一定的速度通过波导，称为群速度。一般来说，调制信号的速度比载波信号慢。
波的群速度小于光速，表示为:
相速度由以下公式得到:
在Helmholtz方程中应用边界条件，得到Ez和Hz
图6 -矩形波导的截面
应用程序的波导
波导的应用有:
- 波导用于光纤通信。
- 它们使用的是光子集成电路。
- 它们被广泛用于微波炉。
- 波导用于广播和雷达装置。
- 它们被用于太空飞船。
的优点波导
波导的优点是:
- 高功率处理能力。
- 插入损耗低。
- 它们提供宽带宽。
- 由于色散特性，它们被用于设计波导滤波器。
缺点的波导
波导的缺点是:
- 波导安装困难，需要特殊的耦合器。
- 物理尺寸成为一个限制。
- 成本很高。
- 热稳定性差。
- 三维波导的实现是困难的。
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