场的表达式

「圆波导」是一种微波传输线。由于圆波导具有高度对称性,因此相比矩形波导加工容易,且方便极化简并。另一方面圆形截面在同等周长的面积最大,即在损耗相同情况下,储能能力更强。因此品质因数

根据波导波动方程,有

然后进行方向分解,将纵向分量提取出来

对其进行求解,然后将横向分量用纵向分量表示。与矩形波导不同的是,为了更好地分离变量,在横向分量表示应选取圆柱坐标系,如 ,注意,此时的 Laplace 算子应该写为

因此可以得到

以磁场为例,应用分离变量法,令 ,则有

等号左边仅是 的函数,等号右边仅是 ,因此等号两端的项等于一个常数。设此常数为 ,则有

其中 的解为正弦函数

的解为Bessel 函数

因此通解表示为

依据Lame 系数,写出不变矩阵

得到通解以后,接下来分析边界条件。注意有限条件和周期条件有

要求 ,此外,理想导体有边界条件

TE 情况

对于TE 波,利用理想边界条件代入 ,则有

利用不变性变换矩阵得到其横向场为

利用边界条件 ,有

是第一类 Bessel 函数的导数的第 个根,由于 Bessel 函数是没有「第零个根」的,所以 。则 。由关系

以及

TM 情况

对于 TM 波,设 是第一类 Bessel 函数的第 个根。由 ,有

传播模式分析

主模及高次模

  • 对于 TE11,有
  • 对于 TE21,有
  • 对于 TE01,有
  • 对于 TM01,有
  • 对于 TM11,有
  • 对于 TM21,有

TE11 模

TE11 截止波长最长,是圆波导的主模。写出其场表达式

因此 TE11 模横纵截面场分布为分别为

img-2024-04-24 08-57-18.png

立体图为

img-2024-05-30 11-28-40.png

  • ,取 ,而 时, 最大
  • ,考察 时, 最大; 时正好消掉, 项为零,因此

TE 11 波型的场结构与矩形波导 TE10 模的场结构很类似,因此很容易被矩形波导中的 TE10 波型所激励,利用此性质,可以进行“方圆转换”。

TE11 波型的缺点是,当波导加工不完善或波导内有微小的不均匀性存在时,都会使场结构的极化面产生旋转

img-2024-06-01 10-02-10.png

因此在有的场合不采用这种波型。

TE01 模

对于 TE01 模,其解为

同样可以画出场的分布图为

img-2024-04-24 09-06-17.png

由于表面电流公式 ,因此 TE01 模的电流表示为

对于 TE01 模,其场结构具有如下特点

  1. 电磁场沿 方向不变化,即具有轴对称性
  2. 电场只有 分量,在中心和管壁附近为零
  3. 在管壁附近只有 分量磁场,故管壁只有 分量,没有纵向电流,因此导体损耗较小。

因此,当传输功率一定时,随着频率增高,损耗将减小,衰减常数变小。这一特性使得 TE01 适用于毫米波长距离高低损耗传输与高 Q 值圆柱谐振腔的工作模式。

实际上,不仅是 TE01,而是所有的 TE0n 波型的导体衰减系数 都会随着频率的升高而降低。如图所示

img-2024-05-16 16-08-47.png

从 TE0n 场分量表达式可以看出

在传输功率不变的情况下,随着频率升高,场的横向分量 相对于纵向分量 增大了,即 相对地减小了,因此衰减系数 变小了。

TM01 模

与 TE01 模是类似的

img-2024-04-24 09-21-10.png

由于 TM01 模具有 方向上的旋转轴对称性,可以用作旋转关节。

的物理意义

在 Bessel 函数中, 指的是 Bessel 函数的阶数,而 是根序号。

而从物理意义上来说,由于之前的推导中有 这一项,因此可以认为 表示 方向上的周期变化数。

对于 来说,每个 代表一个“半周期”。因此 表示 方向的极值个数或“半驻波数”

总结

  • 截止特性
  • 相比矩形波导有更丰富的简并特性