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波导

第14章 - 传输线

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一个波导是一种特殊形式的传输线,由中空的金属管组成。管壁提供分布电感,而管壁之间的空空间提供分布电容。

波导引导在较低的损耗中比同轴电缆进行微波能量。

波导引导在较低的损耗中比同轴电缆进行微波能量。

波导仅用于极高频率的信号,其中波长接近波导的横截面尺寸。低于这种频率,波导作为电传输线是无用的。

使用波导作为传输线

然而,当用作传输线时,波导比双导体电缆相当简单 - 特别是同轴电缆 - 在制造和维护中。

只有一个导体(波导的“壳”),不需要考虑适当的导体间距,或介质材料的一致性,因为波导中唯一的介质是空气。

水分并不像波导一样严重,因为它在同轴电缆内,也是如此波导通常会使气体“填充”的必要性。

波导可以被认为是用于电磁能的导管,波导本身只不过是能量的“导向器”而不是在单词的正常意义上作为信号导体。

从某种意义上说,所有传输线都在运输脉冲或高频波时用作电磁能的导管,将波浪引导为河流的堤岸引导潮汐。

然而,因为波导是单导体元件,所以在波导下的电能传播比双导体传输线的电能传播的自然界非常不同。

什么是横向电磁波(TEM) ?

所有电磁波都包括电的磁场在相同的行进方向上传播,但彼此垂直。沿着正常传输线的长度,电场和磁场垂直(横向)到波行的方向。

这被称为主模式,或TEM(Transverse.Electric和洋毒模式。仅存在两个导体的波动模式可以仅存在,并且是与信号的波长相比,传输线的横截面尺寸小的波传播的主导模式。

双铅传输线传播:TEM模式。

双铅传输线传播:TEM模式。

微波信号频率(在100 MHz和300 GHz之间),在标准TEM模式下操作的任何大长度的双导体传输线都变得不切实际。

对于微波信号来说,截面尺寸足够小以维持TEM模式信号传播的线路往往具有较低的额定电压,并且由于导体“表皮”和介电效应而遭受较大的寄生功率损失。

不过,幸运的是,在这些短波长中,如果使用一根传导管而不是两根平行导体,则存在其他不具有“损耗”的传播模式。正是在这些高频率下,波导才变得实用。

当电磁波沿中空管道传播时,只有一个场——不管是电场还是磁场——实际上是横向于电磁波传播方向的。

另一个场将纵向地“环绕”行进方向,但仍然垂直于其他领域。无论哪种字段保持横向于行进方向确定波浪是否传播TE模式(Transverse.Electric)或TM(Transverse.洋毒模式。

波导(TE)横向电气和(TM)横向磁性模式。

波导(TE)横向电气和(TM)横向磁性模式。

对于一个给定的波导,每种模式都存在许多变化,对这个主题的全面讨论远远超出了本书的范围。

如何从波导中引入和提取信号?

通常通过插入波导中的小天线耦合器件从波导引入并从波导中提取信号。有时这些耦合元件采用偶极子的形式,这是仅仅是两个开放的空间的适当长度。

其他时间,耦合器是单个短截管(半偶极子,原则上类似于物理长度的“鞭”天线,1/4λ),或者在波导的内表面上终止的线路的短路。

存根和环耦合到波导。

存根和环耦合到波导。

在某些情况下,如电子管一类设备称为感应输出管(所谓的速调管管就属于这一类),一个由导电材料形成的“腔”可以拦截来自调制的电子束的电磁能量,而与电子束本身没有接触。

速调管感应输出管。

速调管感应输出管。

什么是腔谐振器?

正如传输线路能够用作电路中的谐振元件一样,特别是当通过短路或开路终止时,死端波导也可以以特定频率产生谐振。

当使用时,设备被称为空腔谐振器。电感输出管采用环形腔谐振器,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。

腔的共振频率可以通过改变其物理尺寸来改变。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,以提供粗糙的谐振频率调整。

如果谐振腔的一端打开,它就充当单向天线。

下面的照片显示了一个由锡罐制成的自制波导,在“802.11b”计算机通信网络中用作2.4 GHz信号的天线。

耦合元件是四分之一波子螺栓:只不过是一块固体铜线,长度约为1-1 / 4英寸的长度,从同轴电缆连接器的中心延伸穿透罐的侧面。

Can-Tenna示出了波导的存根耦合。

Can-Tenna示出了波导的存根耦合。

背景中可以看到更多的锡罐天线,其中一个是“品客”薯片罐。虽然这个罐子是纸板(纸)结构,它的金属内衬提供了必要的导电性作为一个波导功能。

背景中的一些罐子仍然有它们的塑料盖。塑料是不导电的,不会干扰RF信号,而是用作物理屏障,以防止雨,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来物理地包围电子管,同时允许电磁能量不受阻碍地通过。

审查:

  • 波导是用于携带电磁波的“导管”的金属管。它们仅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以分为两种广泛类别:TE(横向电),或TM(横向磁场),取决于哪个场(电或磁)垂直于波的传播方向。波沿着标准的双导体传输线传播TEM(横向电和磁)模式,其中两个场都垂直于运动方向。TEM模式只可能存在于两个导体中,而不能存在于一个波导中。
  • 用作微波电路中用作谐振元件的死端波导被称为a空腔谐振器
  • 具有开口端的腔谐振器用作单向天线,从开口端的方向发送或接收RF能量。