第8节 波导 (修订中)
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_波导_是一种特殊形式的传输线，由空心金属管组成。管壁提供分布电感，而管壁之间的空白空间提供分布电容。
波导以低于同轴电缆的损耗传导微波能量。
波导仅适用于极高频率的信号，其中波长接近波导的横截面尺寸。在这样的频率之下，波导作为电传输线是无用的。
# 1. 使用波导作为传输线
然而，当用作传输线时，波导在制造和维护方面比双芯电缆——尤其是同轴电缆——要简单得多。
由于只有一个导体（波导的“外壳”），因此无需担心适当的导体与导体间距或介电材料的一致性，因为波导中唯一的电介质是空气。
湿气在波导中的问题也不像在同轴电缆中那样严重，因此波导通常无需进行气体“填充”。
波导可以被认为是电磁能量的管道，波导本身只不过是能量的“导向器”，而不是正常意义上的信号导体。
从某种意义上说，在传输脉冲或高频波时，所有传输线都充当电磁能量的导管，就像河岸引导潮汐一样引导波。
然而，由于波导是单导体元件，电能沿波导的传播与电能沿双导体传输线的传播具有非常不同的性质。
# 2. 什么是横向电磁 (TEM) 波传播？
所有电磁波都由沿相同行进方向传播但彼此垂直的[电场](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct (opens new window)- 磁场组成。 (opens new window)沿着正常传输线的长度，电场和磁场都垂直（横向）于波的传播方向。
这被称为_主模式_，或_TEM_（横向__电和__磁）模式__。__这种波传播模式只能存在于有两个导体的情况下，并且它是波传播的主要模式，其中传输线的横截面尺寸与信号波长相比较小。
双引线传输线传播：TEM 模式。
在_微波_信号频率（100 MHz 和 300 GHz 之间）下，在标准 TEM 模式下运行的任何长度的双导体传输线都变得不切实际。
横截面尺寸足够小以维持微波信号的 TEM 模式信号传播的线路往往具有低额定电压，并且由于导体“皮肤”和介电效应而遭受大的寄生功率损耗。
不过幸运的是，如果使用导电管而不是两个平行导体，那么在这些短波长上，还存在其他传播模式不会像“有损耗”那样“有损耗”。正是在这些高频下，波导才变得实用。
当电磁波沿空心管传播时，实际上只有一个场（电场或磁场）会横向于波的传播方向。
另一个场将纵向“循环”到行进方向，但仍垂直于另一个场。无论哪个场保持横向于行进方向，都决定了波是以_TE_模式（横向__电动）还是__TM（横向__磁性）模式__传播_。_
波导 (TE) 横向电和 (TM) 横向磁模式。
对于给定的波导，每种模式都存在许多变化，对此主题的全面讨论远远超出了本书的范围。
# 3. 信号是如何引入和从波导中提取的？
信号通常通过插入波导中的类似天线的小型耦合装置引入波导和从波导中提取。有时，这些耦合元件采用偶极子的形式，它只不过是两条适当长度的开放式短截线。
其他时候，耦合器是单个短截线（半偶极子，原则上类似于“鞭状”天线，物理长度为 1/4λ），或者是端接在波导内表面的短线环。
短截线和环路耦合到波导。
_在某些情况下，例如称为感应输出管_的一类真空管设备（所谓的_速调管_属于此类），由导电材料形成的“空腔”可能会拦截来自调制电子束的电磁能，没有与光束本身接触。
速调管电感输出管。
# 4. 什么是腔体谐振器？
正如传输线能够充当电路中的谐振元件一样，尤其是在被短路或开路端接时，端接波导也可能在特定频率下谐振。
当这样使用时，该设备称为_空腔谐振器_。感应输出管使用环形空腔谐振器，以最大限度地提高电子束和输出电缆之间的功率传输效率。
可以通过改变其物理尺寸来改变腔谐振频率。为此，制造带有可移动板、螺钉和其他用于调谐的机械元件的腔体，以提供粗略的谐振频率调节。
如果谐振腔的一端打开，它的作用是单向天线。
下图显示了由锡罐制成的自制波导，用作“802.11b”计算机通信网络中 2.4 GHz 信号的天线。
耦合元件是一个四分之一波短截线：只不过是一根长约 1-1/4 英寸的实心铜线，从同轴电缆连接器的中心延伸，穿过罐子的侧面。
Can-tenna 说明了与波导的短截线耦合。
在背景中可以看到更多的锡罐天线，其中一个是“品客薯片”薯片罐。虽然这个罐子是硬纸板（纸）结构，但它的金属内衬提供了必要的导电性，可以起到波导的作用。
背景中的一些罐头仍然有塑料盖。塑料不导电，不会干扰射频信号，但起到物理屏障的作用，防止雨、雪、灰尘和其他物理污染物进入波导。
“真正的”波导天线使用类似的屏障将管子物理封闭，但允许电磁能量不受阻碍地通过。
# 5. 总结
- _波导_是用作传输电磁波的“导管”的金属管。它们仅适用于极高频率的信号，其中信号波长接近波导的横截面尺寸。
- 通过波导的波传播可分为两大类：TE（横向电）或_TM_（横向磁），这取决于哪个场（电或磁）垂直（横向）于波传播方向。沿标准双导体传输线传播的波属于_TEM_（横向电磁）模式，其中两个场的方向都垂直于传播方向。TEM 模式仅适用于两个导体，不能存在于波导中。
- 在微波电路中用作谐振元件的封闭波导称为_空腔谐振器_。
- 具有开口端的空腔谐振器用作单向天线，向/从开口端的方向发送或接收射频能量。
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