之前粗略總結(jié)了一些微波波導(dǎo)器件Waveguide antenna。今天嘗試從波導(dǎo)一些基本概念入手，逐步加深對(duì)波導(dǎo)天線(xiàn)的理解和認(rèn)知。網(wǎng)絡(luò)上很多理論教程，本文先整理一些關(guān)鍵的概念和實(shí)際中關(guān)注比較多的天線(xiàn)特征,實(shí)際上海內(nèi)外一些大廠(chǎng)均已將波導(dǎo)技術(shù)用于毫米波雷達(dá)，后續(xù)仿真會(huì)逐步跟進(jìn)，以方便和大家一起學(xué)習(xí)和更進(jìn)一步了解波導(dǎo)的原理；

波導(dǎo)，作為電磁波傳輸?shù)囊粋€(gè)載體，類(lèi)似于行車(chē)道給給汽車(chē)提供一個(gè)行進(jìn)空間，通過(guò)對(duì)波導(dǎo)形狀的設(shè)計(jì)，如圓形或者矩形波導(dǎo)，可以將一定頻率的電磁波以最小的損耗傳輸出去。因此波導(dǎo)可以理解成一種能量傳輸結(jié)構(gòu)（饋電網(wǎng)絡(luò)）或者傳輸線(xiàn)的一種形式。波導(dǎo)壁由金屬構(gòu)成，另外鍍金和鍍銀等加工工藝，使得傳導(dǎo)損耗很低，且電磁波能量被限制在波導(dǎo)內(nèi)，雜散和串?dāng)_低，抗干擾性好。相比于傳統(tǒng)微帶線(xiàn)，介質(zhì)損耗低，由于金屬導(dǎo)熱性好，所以金屬波導(dǎo)具備較大的功率容量。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(xiàn)、同軸線(xiàn)、帶狀線(xiàn)、微帶和鏡像線(xiàn)、單根表面波傳輸線(xiàn)等。

1. 1. 矩形波導(dǎo)模式

一般說(shuō)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1：波導(dǎo)示意圖

關(guān)于不同類(lèi)型波導(dǎo)模式通常用整數(shù)表示TEm,n和TMm,n模式，橫電磁波就是電和磁都是橫著的,橫電波只有電場(chǎng)是橫的,橫磁波就只有磁場(chǎng)是橫的。而所謂橫,就是與電磁波傳播方向向量k是垂直的。m和n始終是整數(shù)，可以采用從 0 或 1 到無(wú)窮大的不同值。這些表示波導(dǎo)內(nèi)的波模式取決于波導(dǎo)尺寸和形式，只有有限數(shù)量的不同 m、n 模式可以沿波導(dǎo)傳播。

圖2：矩形波導(dǎo)傳輸?shù)?/span>TE模

數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程主要的核心部分就是波動(dòng)方程，邊界條件（1.在兩種媒質(zhì)分界面上取一小段回路，利用法拉第電磁感應(yīng)電定律可以得出：理想導(dǎo)體的切向電場(chǎng)為零；2.在兩種媒質(zhì)分界處做一小柱形閉合面，利用磁場(chǎng)的高斯定律可以得出：理想導(dǎo)體表面只有切向磁場(chǎng)，沒(méi)有法向磁場(chǎng)）以及偉大的麥克斯韋方程組。

截止頻率

截止波長(zhǎng)

TE基模

2.2 TM模式的一些指標(biāo)：

傳播常數(shù)、截止頻率和TE模一致

TM基模

截止頻率[敏感詞]的模式成為基模，由上式的截止頻率，又a＞b，且m、n不能均不能等于零，所以TM的基模為T(mén)M11；

m、n稱(chēng)為波指數(shù)， m表示x方向變化的半周期數(shù)，即小→大→小，波型稱(chēng)為正規(guī)波，n表示y方向變化的半周期數(shù)。對(duì)TE模，m、n不能同時(shí)為零，對(duì)于TM模它們均不能為零。

2.3 截止波長(zhǎng)的分布：

I區(qū)為截止區(qū)，大于2a的波長(zhǎng)不能傳輸，II區(qū)為單模區(qū)，只有一種模式能傳輸，III區(qū)為多模區(qū)，多種模式能傳播。

圖3：截止波長(zhǎng)分布

TE10模的截止波長(zhǎng)為2a，TE20的截止波長(zhǎng)為a，TE01模的截止波長(zhǎng)為2b；

2.4 單模傳輸條件

根據(jù)以上，要實(shí)現(xiàn)單模傳播，則波長(zhǎng)介于a和2a之間，通常矩形波導(dǎo)工作在TE10模單模傳輸?shù)那闆r，首先是因?yàn)門(mén)E10模容易實(shí)現(xiàn)單模傳輸，其次，當(dāng)工作頻率一定時(shí)，傳輸TE10模的波導(dǎo)尺寸最小，除此之外，若波導(dǎo)尺寸一定，則實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)念l帶最寬。

圖4

圖5

根據(jù)不同模式的分布，實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)臈l件是波長(zhǎng)a＜＜2a且a＞2b（圖4）和2b＜＜2a且a＜2b（圖5）；

圖6 單模傳輸條件

2.5 TE10模式的場(chǎng)分布

所謂場(chǎng)分布圖就是在固定時(shí)刻，用電力線(xiàn)和磁力線(xiàn)表示某種波型場(chǎng)強(qiáng)空間變化規(guī)律的圖形。

TE10模場(chǎng)強(qiáng)與y無(wú)關(guān)，場(chǎng)分量沿y軸均勻分布。磁力線(xiàn)永遠(yuǎn)閉合，電力線(xiàn)與導(dǎo)體邊界垂直。且電力線(xiàn)和磁力線(xiàn)相互正交。

圖7：矩形波導(dǎo)TE10模場(chǎng)分量分分布規(guī)律

（a）場(chǎng)分量沿x軸的變化規(guī)律（b）場(chǎng)分量沿z軸的變化規(guī)律；（c矩形波導(dǎo)橫截面上的場(chǎng)分布）（d）矩形波導(dǎo)縱剖面上的場(chǎng)分布；

矩形波導(dǎo)TE10模的場(chǎng)分布如上，在某一時(shí)刻，隨著時(shí)間的推移，場(chǎng)分布圖以相速vp沿著傳輸方向移動(dòng)。

以寬邊 為 x軸、短邊為 y 軸，傳播方向?yàn)閦軸。當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)傳輸電磁波時(shí)，波導(dǎo)內(nèi)壁上將會(huì)感應(yīng)高頻電流（傳導(dǎo)電流，或者壁電流），由于假定波導(dǎo)壁是由理想導(dǎo)體構(gòu)成，所以感應(yīng)電流只存在于波導(dǎo)的內(nèi)表面。





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