三种矩形脊波导特性的比较

第1篇一、矩形波导的模式分类矩形波导中的电磁波模式主要分为TE（横电磁波）模式和TM（纵电磁波）模式。

1. TE模式TE模式是指电场只在波导的横向（垂直于传播方向）分量存在，而磁场则在纵向（沿传播方向）分量存在。

根据电场和磁场在波导横截面上的分布，TE模式又可以分为TE10、TE20、TE01等模式。

（1）TE10模式：TE10模式是矩形波导中最基本、最常用的模式。

其电场分布呈矩形，磁场分布呈椭圆。

TE10模式的截止频率最高，适用于高频传输。

（2）TE20模式：TE20模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈圆形。

其截止频率低于TE10模式，适用于中频传输。

（3）TE01模式：TE01模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈椭圆。

其截止频率最低，适用于低频传输。

2. TM模式TM模式是指磁场只在波导的横向分量存在，而电场则在纵向分量存在。

根据电场和磁场在波导横截面上的分布，TM模式又可以分为TM01、TM11、TM21等模式。

（1）TM01模式：TM01模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈圆形。

其截止频率最高，适用于高频传输。

（2）TM11模式：TM11模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈椭圆。

其截止频率低于TM01模式，适用于中频传输。

（3）TM21模式：TM21模式的电场分布呈矩形，磁场分布呈圆形。

其截止频率最低，适用于低频传输。

二、矩形波导的模式特性1. 截止频率截止频率是矩形波导中一个重要的参数，它决定了电磁波在波导中能否有效传输。

不同模式的截止频率不同，其中TE10模式的截止频率最高，适用于高频传输。

2. 相速度相速度是指电磁波在波导中传播的速度。

不同模式的相速度不同，TE模式的相速度比TM模式快。

3. 模式损耗模式损耗是指电磁波在波导中传播时，由于波导壁的吸收和辐射等原因，能量逐渐衰减的现象。

不同模式的损耗不同，TE模式的损耗比TM模式小。

4. 传输特性矩形波导中不同模式的传输特性不同，如TE模式的传输特性较好，适用于高频传输；TM模式的传输特性较差，适用于低频传输。

矩形波导的特点矩形波导是一种常见的电磁波传输器件。

它是由一对平行的金属板组成，中间夹着一段介质。

矩形波导可以传输高频电磁波，因为金属板可以防止电磁波向外辐射，而介质起到传输电磁波的作用。

矩形波导还有一些其他的特点，这篇文章将详细介绍矩形波导的特点。

1. 频率范围宽矩形波导的频率范围非常宽，一般从几千兆赫到几百兆赫都可以使用。

这意味着矩形波导可以用于传输多种高频电磁波。

在实际应用中，矩形波导被广泛用于微波通信、雷达、遥感、卫星通信、物联网等领域。

2. 低损耗矩形波导的传输损耗非常小，可以在长距离传输高频信号时保持很好的信号质量。

这是因为矩形波导中的介质可以降低电磁波的传输损耗，使其在传输时能够更好地保持信号的强度和功率。

3. 占用空间小相比于其他高频传输器件，矩形波导占用的空间非常小。

这是因为矩形波导是一种平面结构，可以将其与其他电路元件集成到一个小型电路板中。

这种特点使得矩形波导在微波通信、雷达、卫星通信等领域应用非常广泛。

4. 带宽宽矩形波导的带宽非常宽，可以传输多种不同频率的电磁波。

这是因为矩形波导的工作原理与传统的同轴电缆不同，矩形波导不需要套管，因此不会受到频率限制。

这种特点使得矩形波导在高速数据传输和宽带通信领域应用非常广泛。

5. 结构简单矩形波导的结构非常简单，由一对平行的金属板和中间的介质组成。

这种结构简单性使得矩形波导的制造成本非常低，且容易维护和升级。

这也是矩形波导被广泛应用的原因之一。

总之，矩形波导具有频率范围宽、低损耗、占用空间小、带宽宽、结构简单等特点。

这些特点使得矩形波导在微波通信、雷达、卫星通信、物联网等领域应用非常广泛。

标准矩形波导标准矩形波导是一种常见的波导类型，广泛应用于微波和毫米波领域。

它具有简单的结构和良好的传输性能，因此在通信、雷达、无线电等领域得到了广泛的应用。

本文将介绍标准矩形波导的基本结构、工作原理和特点。

1. 基本结构。

标准矩形波导由金属矩形管和金属盖板组成。

矩形管的截面形状通常为矩形，其长宽比通常为1:2或1:1.5。

矩形管内部空间被金属盖板分割成上下两个空间，上空间为TE模式的传输空间，下空间为TM模式的传输空间。

矩形波导的工作频率取决于矩形管的尺寸和材料。

2. 工作原理。

当电磁波进入矩形波导时，会在矩形管内部产生TE和TM模式的传输。

TE模式是指电场垂直于传播方向，而TM模式是指磁场垂直于传播方向。

这两种模式在矩形波导内传播时，具有不同的传输特性，可以实现电磁波的传输和耦合。

3. 特点。

标准矩形波导具有以下特点：（1）低损耗，由于矩形波导内部是由金属构成的空间，因此能够减少电磁波的能量损耗，具有较低的传输损耗。

（2）宽带特性，矩形波导能够传输多种模式的电磁波，因此具有较宽的工作频带。

（3）抗干扰能力强，矩形波导的结构稳定，能够有效抵抗外部干扰，具有较强的抗干扰能力。

（4）易于加工和安装，矩形波导的结构简单，易于加工制造，也易于安装和维护。

4. 应用领域。

标准矩形波导广泛应用于通信、雷达、无线电等领域。

在通信系统中，矩形波导常用于微波信号的传输和耦合；在雷达系统中，矩形波导常用于天线的馈源和接收；在无线电系统中，矩形波导常用于天线的馈源和信号的传输。

5. 结语。

标准矩形波导作为一种常见的波导类型，具有简单的结构、良好的传输性能和广泛的应用前景。

随着无线通信和雷达技术的发展，矩形波导将继续发挥重要作用，并不断得到改进和应用。

希望本文能够对标准矩形波导的理解和应用有所帮助。

矩形波导的特点
矩形波导（Rectangular waveguide）是一种常用的传输微波能量的波导结构。

它具有以下特点：
1. 大功率承载能力：矩形波导的内部电场分布比较均匀，因此在相同的输入功率下，其最大输出功率较其他波导结构要高。

2. 低传输损耗：矩形波导的传输损耗比传输线要小，因为传输线上的电磁波要通过导线进行传输，而矩形波导中的电磁波只需要在金属面之间传播即可，传输效率更高。

3. 宽频带：矩形波导的宽度和高度可按一定的比例调节，以适应不同频率下的传输要求。

一般较宽的矩形波导具有更宽的工作频带。

4. 可靠性高：矩形波导结构简单，容易制造，结构稳定，因此具有较高的可靠性。

参考文献：
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[3] 李文琦, 刘国祥. 微波技术基础[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.。

矩形波导中可以传输的模式矩形波导是一种常用于微波和毫米波频段的传输介质，它可以传输多种模式。

这些模式可以根据电磁场的分布和波导尺寸的关系进行分类。

以下是常见的矩形波导中可以传输的模式。

1.矩形波导基本波模式：矩形波导的最基本模式是TE10模式和TM11模式。

这些模式具有最低的传输损耗和较高的传输速度，因为它们具有较大的有效模式尺寸。

TE10模式是电场垂直于波导中心线，磁场平行于中心线的模式。

TM11模式是磁场垂直于波导中心线，电场平行于中心线的模式。

2.矩形波导高阶模式：除了基本波模式，矩形波导还支持各种高阶模式。

这些模式具有比基本模式更复杂的电磁场分布，并且传输特性也会有所不同。

其中一些常见的高阶模式包括TE20、TE01、TE11和TE21模式。

这些高阶模式可以通过适当选择波导尺寸和频率来激发。

3.矩形波导截断模式：当波长比波导的截断波长小时，只有部分高阶模式可以在波导中传输。

这些被称为截断模式。

截断模式的传输特性与截止频率有关，频率越低，截断模式越多。

4.矩形波导共振模式：在一些特定的频率下，矩形波导会出现共振现象，即出现共振模式。

共振模式具有特定的电磁场分布和传输特性，这些特性可以用于设计滤波器和谐振器等微波器件。

常见的共振模式包括TEM 模式、TE01δ模式和TM11δ模式等。

5.矩形波导导波模式：导波模式是指通过波导传输的电磁波。

除了上述提到的TE和TM模式外，还存在一些导波模式，如混合模式和高可调模式。

这些模式在波导尺寸和工作频率的变化下会变得明显。

总而言之，矩形波导可以传输多种模式，包括基本波模式、高阶模式、截断模式、共振模式和导波模式。

这些模式的选择取决于波导尺寸、频率和应用需求。

通过合理设计和选择模式，可以实现低损耗和高效率的微波传输和射频器件设计。

矩形波导的特点矩形波导是一种常见的波导结构，具有广泛的应用领域。

其特点包括低损耗、高功率能力、宽带宽、易于制造和可靠性高等优点。

本文将对矩形波导的特点以及相关参考内容进行详细介绍。

一、低损耗矩形波导的主要优点之一是其低损耗。

由于其设计和制造过程中，能够有效减少介质损耗和金属损耗的影响。

此外，在高频率下，电磁波会越来越不容易沿着金属表面传输，从而减少波导的损耗。

一般来说，矩形波导的损耗比同等尺寸的同轴线低得多。

二、高功率能力由于矩形波导的结构简单，容易实现高功率输出。

其金属表面是平整的，可以承受高电压和高电流，从而实现高功率输出。

此外，矩形波导的抗电强度比同等尺寸的同轴线高，能够有效避免放电和击穿等现象的发生。

因此，在高功率雷达、微波加热、医用设备和其他领域中，矩形波导一直是首选的高功率输出选择。

三、宽带宽矩形波导也具有比同轴线更宽的带宽。

由于其结构特点，矩形波导可以支持更宽的波段。

相比之下，同轴线的带宽受到电磁场分布的限制，不能承受太宽的频率范围。

此外，矩形波导的宽带宽还使得它可以适用于多种工作条件下的应用。

四、易于制造制造矩形波导相比其他波导结构更加容易。

其结构简单，可以通过冲孔、折弯、焊接和切割等简单的工艺流程完成制造。

此外，由于矩形波导的金属表面平整，可以有效避免制造过程中出现的涂覆和接触等质量问题。

五、可靠性高矩形波导的结构紧凑，耐久性好，能够承受很高的温度和压力条件。

它不会受到机械注入和化学腐蚀的影响，能够长期稳定地工作。

因此，矩形波导被广泛应用于航空航天、军事和科学研究等领域的高可靠性应用中。

综上所述，矩形波导具有低损耗、高功率能力、宽带宽、易于制造和可靠性高等特点。

这些优点使得矩形波导成为在航空航天、军事和医疗等领域中被广泛采用的高效、可靠的传输介质。

矩形波导的特点矩形波导是一种重要的微波传输线，以其简单的结构、较低的损耗和宽带特性，在微波技术中被广泛应用。

本文主要介绍矩形波导的特点、结构和应用。

一、矩形波导的特点1. 较低的传输损耗：在微波频段，矩形波导的传输损耗很小，这是由于矩形波导的体积很大，传输的能量少受到周围环境的影响。

2. 宽带性：矩形波导的截止频率较低，一般为GHz，因此较宽的频段可以被传输。

同时，矩形波导的输入输出端口规格定制灵活，可以支持不同的应用场景。

3. 高功率承受能力：矩形波导的结构比较简单，因此在高功率应用中，可以承受颇高的功率。

这也是在雷达、卫星通信等领域应用广泛的原因之一。

4. 良好的抗干扰性能：由于矩形波导的结构特点，其较好的抗干扰性能是十分值得推崇的。

在强干扰环境下，仍能有效地传输信号。

二、矩形波导的结构矩形波导由四面体构成，具有长与宽两个维度，相对于纯导体，其截止频率相比较而言较低。

矩形波导的截止频率是由矩形的长宽比决定的，当长宽比减小时，截止频率减小。

矩形波导的四边均被镀上导体，通过振荡和反射来实现能量传输。

与矩形波导相应的模式包括电模和磁模两种模式，它们的波长和频率是不同的，这主要是由于不同模式传输的本质区别所造成的。

三、矩形波导的应用1. 雷达系统：雷达系统具有高功率、宽带、高抗干扰性等特点，正是这些特点让雷达系统的数据传输准确性更高、可靠性更好。

2. 卫星通信：在卫星通信中，矩形波导主要应用在卫星发射、接收系统。

卫星通信对于信号传输的准确性和可靠性要求很高，因此选择矩形波导作为传输线路也是一个不错的选择。

3. 航空导航：紧凑的结构和良好的抗干扰性能是矩形波导在航空导航领域得到广泛应用的原因。

在航空导航中应用，不仅可以准确感知目标，还能够保证安全性。

四、总结综上所述，矩形波导以其较低传输损耗、高功率承受能力、宽带性和出色的抗干扰性能，在微波技术中被广泛应用。

通过对矩形波导的深入研究，可以更好地发挥其特点，并在不同应用场景下得到更好的应用。

三种矩形脊波导特性的比较摘要采用有限元法,对三种矩形脊波导的传输特性进行分析,计算三种脊波导的归一化截止波长和单模带宽,并画出相应的场结构图。

由计算结果可以看出倒梯形脊波导的归一化截止波长最长,而梯形脊波导的单模带宽最宽。

关键词有限元;脊波导;传输特性在微波系统中,矩形波导是应用广泛的一种导波系统。

近年来,随着人们认识到脊波导的宽带特性在通信等领域的重要作用,又分析了多种脊波导的特性,如2004年,逯迈教授等对单双脊梯形脊波导的传输特性进行了细致的分析;2007年,陈小强教授等对三角形和倒梯形两种对称双脊波导做了详细的研究;2010年,孙海等对上翘脊波导的传输特性进行了分析。

本文拟采用有限元法,对三种单脊波导的传输特性及场分布进行分析,并进行三种单脊波导的特性比较。

1理论分析假设脊波导内为空气,且纵向均匀,采用纵向场法,脊波导内的场结构可以归结为求解Helmholtz(亥姆霍兹)方程:上式中为电磁波在无限媒质中的波数。

根据有限元理论分析,对于三角单元剖分的场域,可以推导出下列本征值矩阵方程:  (3)其中,[A]和[B]均为N×N阶方阵,kc2表示待求的特征值,求解特征值方程(3),得到的最小非负特征值就是主模的截止波数,得到的第二个最小非负特征值就是第一个高次模的截止波数kc,这样就可以算出脊波导相应的截止波长(λc=2π/kc)以及可由主模截止波长和第一高次模截止波长的比值算出单模带宽(BW=λc1/λc2)。

2数值计算1)波导尺寸的选择。

矩形脊波导、梯形脊波导及倒梯形脊波导的截面图(如图1所示)。

其中矩形单脊波导的宽边为a,窄边为b=0.45a,边s=0.5a,边d=0.5b;梯形单脊波导的宽边为a,窄边为b=0.45a,梯形脊的边s=0.5a,c=0.2a,d=0.5b;倒梯形单脊波导的宽边为a,窄边为b=0.45a,脊的边s=0.2a,c=0.5a,d=0.5b。

本节主要内容矩形波导中的场不同模式的场结构GG 场分解为(transverse field)zz t z z t H a H H E a E E G K +=+=横向场(transverse field)和纵向场(longitudinal field)z z z y x H z y x H y x E z y x E ββj 0j 0e),(),,(e),(),,(−−==⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎛∂∂+∂∂−=x E y H k E z z x βωμ2j ⎟⎟⎞⎜⎜⎛∂∂−∂∂=⎝E x H k E z z y βωμ2c j ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎛∂+∂−=⎠⎝y E x H H y z z x ωεβ2c j ⎟⎟⎞⎜⎜⎛∂+∂−=⎝∂∂E H H k z z y ωεβ2c j ⎝k c，系统将不存在任何场。

全为零，系统将不存在任何场。

一般情况下，只要E z 和H z中有一个不为零即可满足边界条件，这时又可分为二种情形：，这时又可分为种情形横电波（TE波）横磁波（TM波）220),(),(=+∇y x H k y x H oz coz t 222∂+∂=∇22t y x ∂∂直角坐标系中，0)y ,x (H )k (oz 2c 2222=+∂∂+∂yx ∂)y (Y )x (X )y ,x (H oz =122222()1()()()cd X x d Y y k X x dx Y y dy−−=0)x (X k )x (X d 2x 22=+222cyxkk k =+令：yx xz++=TE波的纵向场的通解为y|0Zs H ∂=0|H |H b y z0y z =∂=∂==n∂磁场强度法向分量=0yy ∂∂0xk cos A x k sin A ax ,0x x 2x 1=+−==磁场强度法向分量00|xH |x H a x z0x z =∂∂=∂∂==0A 2=am k x π=yk cos B y k sin B by ,0y y 2y 1=+−==0B 2=n πbk y =2cos()sin()j zx mn j n m n E H x y e βωμπππ∞∞−=∑∑k b a a==j zj m m n E H βωμπππ∞∞−−=sin()cos()y mn m n c x y ek a a a ==∑∑n (m i (H m j πππ−∞∞zj mn 0m 0n 2c x e )y acos()x a sin(a k H ββ==∑∑=m j ∞∞zj mn 0m 0n 2cy e)y a n sin()x a m cos(H b k H βπππβ−==∑∑==00(,,)cos()cos()j zz mn m n m n H x y z H x y e a b βππ∞∞−===∑∑矩形波导TE波的截止波数以TE TE mn 表示和n不能同时为零,否则成为恒定磁场.¾最低次波型为TE 10（a>b）,截止频率最低m和n不能同时为零, 否则成为恒定磁场. m ——表示x 方向变化的半周期数n ——表示y 方向变化的半周期数β−⎛z z e)y ,x (E E ,=0TM 波：H z =00,(,)|0oz y y b E x y ===∑∑∞∞∞=∞=−⎞⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝=11j eπsin πsin m n zmn z y b n x a m E E β∑∑∞∞==−−⎟⎠⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=11j 2ceπsin πcos πj m n zmn x y b n x a m E a m k E ββ0,(,)|0oz x x a E x y ===∑∑∞∞==−⎞⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛=11j 2ci eπcos πsin πj m n zmn y E n j y b n x a m E b n k E ββ∑∑∞∞==−−⎟⎠⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛=11j 2c πππeπcos πsin πm n zmn x n m m y bn x a m b k H βωεωε⎞⎛⎞⎛j论TM11模是矩形波导TM波的最低次模，其它均为高模式场的总和。

矩形波导模式和场结构分析第一章 绪论1.1选题背景及意义矩形波导(circular waveguide)简称为矩波导，是截面形状为矩形的长方形的金属管。

若将同轴线的内导线抽走，则在一定条件下，由外导体所包围的矩形空间也能传输电磁能量，这就是矩形波导。

矩波导加工方便，具有损耗小和双极化特性，常用于要求双极化模的天线的馈线中，也广泛用作各种谐振腔、波长计，是一种较常用的规则金属波导。

矩波导有两类传输模式,即TM 模和TE 模。

其中主要有三种常用模式，分别是主模TE 11模、矩对称TM 01模、低损耗的TE 01模。

在不同工作模式下，截止波长、传输特性以及场分布不尽相同，同时，各种工作模式的用途也不相同。

导模的场描述了电磁波在波导中的传输状态，可以通过电力线的疏密来表示场得强与弱。

本毕业课题是分析矩形波导中存在的模式、各种模式的场结构和传播特性，着重讨论11TE 、01TE 和01TM 三个常用模式，并利用MATLAB 和三维高频电磁仿真软件HFSS 可视化波导中11TE 、01TE 和01TM 三种模式电场和磁场波结构。

1.2国内外研究概况及发展趋势由于电磁场是以场的形态存在的物质，具有独特的研究方法，采取重叠的研究方法是其重要的特点，即只有理论分析、测量、计算机模拟的结果相互佐证，才可以认为是获得了正确可信的结论。

时域有限差分法就是实现直接对电磁工程问题进行计算机模拟的基本方法。

在近年的研究电磁问题中，许多学者对时域脉冲源的传播和响应进行了大量的研究，主要是描述物体在瞬态电磁源作用下的理论。

另外，对于物体的电特性，理论上具有几乎所有的频率成分，但实际上，只有有限的频带内的频率成分在区主要作用。

英国物理学家汤姆逊(电子的发现者) 在1893 年发表了一本论述麦克斯韦电磁理论的书,肯定了矩金属壁管子(即矩波导) 传输电磁波的可实现性, 预言波长可与矩柱直径相比拟, 这就是微波。

他预言的矩波导传输, 直到1936 年才实现。

论述脊型光波导的分析方法及其模场分布的计算摘要：本文主要介绍了如何通过有效折射率法计算脊型光波导的模场分布以及如何通过有限元法来数值求解脊波导的模场分布其次我们介绍了脊波导的工作特性和制作方法，最后我们列举了脊波导在激光器，调制器等信息光电子器件中的应用。

关键词：脊波导有效折射率模场分布有限元法1引言：脊波导与相同尺寸的矩形波导比较主要优点是:主模H10波的截止波长较长,对于相同的工作波长,波导尺寸可以缩小;H10模和其它高次模截止波长相隔较远,因此单模工作频带较宽,可以达到数个倍频程;等效阻抗较低,因此易与低阻抗的同轴线及微带线匹配。

但脊波导承受功率比同尺寸的矩形波导低。

脊形波导在集成光学中有广泛的应用,它是薄膜激光器、藕合器、调制器、开关等许多光电器件的基础。

由于脊形波导边界复杂,精确地分析其光学特性十分困难,若考虑介质的吸收作用,则难度就更大。

其次要能够设计出性能优良的光波导，那么必须首先能够在理论上对光波导进行计算。

对于脊型光波导而言由于其结构复杂没有严格的解析解,应采用数值方法或近似法进行分析。

光波导分析方法常用的有:转移矩阵法、模耦合理论、有效折射率法、有限元法、时域有限差分法和束传播法等。

在本文中采用的计算方法是有效折射率法对脊型光波导进行分析计算，还介绍了一种利用有限元差分算法对脊波导的模式进行数值计算。

最后介绍了脊型光波导在信息光电子学中的应用。

2脊型光波导的理论模型分析2.1脊波导的有效折射率法脊波导的横截面如图一所示，图中,分别为芯区，下包层和上包层的折射率，a为脊宽，h为脊高，b为脊下的芯厚度，则b-h为脊两边的芯厚度，此时光功率主要限制在脊下波导的芯中传播。

有效折射率法是把这种波导等效为x方向厚度为a的对称三层平板波导，如图二所示。

在脊波导中主要存在两种形式的模，模和模，前者以为主，同时为0，后者以为主，同时为0。

我们以导模为例来说明这一等效平板波导的折射率分布是如何确定的。