定义

「TE10 模」是一种传播模式,是矩形波导中的TE 波主模

根据矩形波导的场通解

所谓的 TE10 模,即对应 的情况,代入到上文推出的 中得到 ,因此矩形波导解写为

称这种场分布情况为「TE10 模

特性

截止特性

由此得到

从而

从而得出结论

这意味着,对于矩形波导来说是一个高通滤波器。只有半波长小于 的波能传输

波导波长

由于 ,得到

其中 称为波导 波长。由此

其中 截止波长。因此

对于 TE10 模有

相速度

等相位面可以表示为
微分得到

因此得到相速度

为什么波导中的相速度大于光速?这个是因为相位面投影的问题,之后会详细展开。

群速度

群速度公式

因此

波形阻抗

以 TE 波为例。定义

无法传输 TEM 波

为什么矩形波导不能传输 TEM 波?首先根据磁场的旋度方程有

如果假设传输 TEM 波,则闭合磁场只能在 截面,意味着次干线内部一定会有电流流过。但是由于矩形波导是空心的,因此内部无传导电流。如果有位移电流,那么纵向方向必须有电场,与 TEM 波矛盾。综上,矩形波导无法传输 TEM 波

波导结构

所谓的「波导结构」指的是波导上的电场和磁场分布。这对我们对波导进行操作有实际的指导意义。

波导中主要有电场和磁场,涉及到方向和大小两个要素。

对于 TE10 波的电场,在 面看,是半个正弦波,其在 大小均为零,在 取得最大值。而在 面看,是一个传播中的正弦波。

而对于磁场,从 平面看,是一个个椭圆形的旋场。

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同理,对于 TE01 则类似于水平旋转了 90 度

TE10 波的另一种表达式

如果以电场为领矢矢量

可得

因此

TE10 模的功率和最大承受功率

波导能否有效传播功率是衡量波导性能的一个很重要的指标。根据 Poynting 定理,实功率可以表示为

根据倍角公式

根据表达式,可以得到两个规律

  • 传输功率正比于传输面积
  • 传输功率正比于相对介电常数,因此常在波导中填充高介电介质来实现更高功率的传输。

对于给定的波导,当 达到最大时,实现最高功率传输。在干燥空气中,最大电场一般为 ,为了进一步提高功率,有两种实际做法

  1. 干燥
  2. 惰性气体

从而增大介质的耐压能力。

在实际波导中,如果出现毛刺形成尖端,就会导致截面减小,进而影响传输功率,且容易击穿。

频率问题

若令 ,则 。当 时,会产生多模问题,一般要求 ,处于单模工作区的最大功率传输

匹配问题

实际工程应用中,无法保证以纯行波方式传播,因此匹配也会影响功率传输。电压最大值可以表示为

因此

其中 为纯行波传输的功率。这告诉我们,在设计波导时应留出四倍的余量。

五、TE10 波衰减

分为截止衰减和热损耗,热损耗又分为导体衰减和介质衰减。

1. 导体衰减

功率为

两边求到得到

因此得到衰减

由此可以定义

,得到 ,因此

在上表面 取一小面元,。根据 Ohm 定律,此面元对应的功率损耗为

由于 ,因此其实电流密度的模与磁场强度的模在数值上相等。

因此损耗可以表示为

功率为

综上

对于 TE10 模,分子为

分母为

相比得到

矩形波导中的电流

矩形波导中的电流分布在表面,根据切向磁场边界条件,理想导体有

对于传播 TE 波,且 的情况下有

对于矩形波导一共四个壁,接下来可以分类讨论

1. 窄边情况

对于窄边 时,有 。对于 时,磁场有

因此传导电流为

对应的, 时,法向量朝内,同样得到

不难发现,两种情况电流大小不变,只与时间和位置 有关。

2. 宽边情况

对于窄边 时,有

两个分量磁场分量 都能产生电流,因此电流由两部分组成

现讨论 ,法向量为 正方向

方向,电流随着 作正弦变化,因此在 时会发生方向的变化。

时情况时类似的,只不过法向量为 负方向。

3. 整体规律

总体来说,窄边 上,电流为 方向,但随着 成正弦变化。

宽边 上,电流指向中心点,形成位移电流;等到下半个周期,电流指向四周。

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在实际应用中,如果希望将能量辐射出去,只需要在矩形波导上开口即可。