波導(dǎo)中電磁波傳輸?shù)哪Ｊ剑═E\TM\TEM）理解轉(zhuǎn)載

2021-10-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

首先什么是模式,模式就是沒有激勵(lì)源條件下的Maxwell方程的解。
T是transverse 的縮寫,本意為“橫向”。在模式中特指“與傳輸方向垂直的方向”。舉例,若波導(dǎo)中電磁波傳輸方向?yàn)閦方向,則橫向?yàn)橹苯亲鴺?biāo)系中的x,y方向;或柱坐標(biāo)系的\rho,\phi方向。
TE模式表示“所有電場(chǎng)分量均與傳輸方向垂直”,即“傳輸方向上沒有電場(chǎng)分量”;TM模式同理。TEM模式意義為“電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量均與傳輸方向垂直”。
TEM波就是橫波,HxE與k三者相互垂直,其他方向都沒有分量,但有的在波傳播方向k上有H波或E波,這就產(chǎn)生了所謂的TE波或TM波

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沿一定途徑(比如說波導(dǎo))傳播的電磁波為導(dǎo)行電磁波。根據(jù)麥克斯韋方程,導(dǎo)行電磁波在傳播方向上一般是有E和H分量的。

光的傳播形態(tài)分類:根據(jù)傳播方向上有無電場(chǎng)分量或磁場(chǎng)分量,可分為如下三類,任何光都可以這三種波的合成形式表示出來。

1、TEM波:在傳播方向上沒有電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量,稱為橫電磁波。若激光在諧振腔中的傳播方向?yàn)閦方向,那么激光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)將沒有z方向的分量!實(shí)際的激光模式是準(zhǔn)TEM模,即允許Ez、Hz分量的存在,但它們必須<<橫向分量,因?yàn)檩^大的Ez意味著波矢方向偏離光軸較大,容易溢出腔外,所以損耗大,難于形成振蕩。

2、TE波(即s波):在傳播方向上有磁場(chǎng)分量但無電場(chǎng)分量,稱為橫電波。在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中,電磁場(chǎng)分量有Ey, Hx, Hz,傳播方向?yàn)閦方向。
3、TM波(即p波):在傳播方向上有電場(chǎng)分量而無磁場(chǎng)分量,稱為橫磁波。在平面光波導(dǎo)(封閉腔結(jié)構(gòu))中,電磁場(chǎng)分量有Hy, Ex, Ez,傳播方向?yàn)閦方向。

三者可以這樣記憶:橫電磁波就是電和磁都是橫著的,橫電波只有電場(chǎng)是橫的,橫磁波就只有磁場(chǎng)是橫的

而所謂橫,就是與電磁波傳播方向向量k是垂直的,可以想象一個(gè)單簇的光線就是一根直線的水管,在水管橫截面上的就是與水流方向垂直的,所謂橫,就是這個(gè)意思了。微波工程、電磁場(chǎng)理論等課程中有關(guān)于TEM、TE、TM模的更為詳細(xì)的描述。這里會(huì)存在一個(gè)疑問:不是說電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及傳播方向都正交相互垂直嗎?那為啥會(huì)出現(xiàn)不相互垂直的TE/TM波原因就在于,在介質(zhì)中傳播特別是折射后,產(chǎn)生了折射,原因在于介質(zhì),由于存在非正交分量,其實(shí)可能是導(dǎo)致介質(zhì)損耗的原因所在!

波的振動(dòng)方向最基本的情況可分兩種:

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圖:振動(dòng)方向與波的傳播方向平行,這種波稱為縱波

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圖:振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直,這種波稱為橫波

振動(dòng)具有線性疊加性,故波動(dòng)也同樣滿足線性疊加性,因此任何其他的方向關(guān)系的波動(dòng)都可以由這兩種波通過線性疊加而得到。動(dòng)傳播的復(fù)雜程度首先取決于傳播介質(zhì)的分布情況。如果傳播介質(zhì)是一維的,那么波的傳播方向就只能在一條線上。如果傳播介質(zhì)是多維的,那么波將從波源出發(fā),向任意方向傳播。而波動(dòng)傳播的方向稱為波射線(簡(jiǎn)稱波線)。由于波在介質(zhì)中的傳播是一個(gè)時(shí)間過程,所以必須考慮波在空間中分布的一些時(shí)間性的特性。首先是相位的概念。由于波動(dòng)是一種周期現(xiàn)象,因此在某一個(gè)時(shí)刻振子處于一個(gè)周期的什么位置是非常重要的物理特征,這種位置就叫做相位。其次在波的空間分布中由相位相同的各點(diǎn)組成的一個(gè)幾何面,稱為波陣面(簡(jiǎn)稱波面)。波陣面的概念在應(yīng)用波動(dòng)圖象來分析波動(dòng)現(xiàn)象時(shí)是非常關(guān)鍵的。波面的形狀和波源與介質(zhì)的分布性質(zhì)密切相關(guān)。最簡(jiǎn)單的兩種情形是:在各向同性的介質(zhì)中,從點(diǎn)波源發(fā)出的波的波陣面是一簇同心球面,稱為球面波;從平面狀波源發(fā)出的波的波陣面是一簇平行平面,稱為平面波。

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在波導(dǎo)理論中,能夠傳輸TEM模式的波導(dǎo),其橫截面結(jié)構(gòu)需能支持穩(wěn)定靜電場(chǎng)存在。故,單導(dǎo)體空心金屬波導(dǎo)無法傳輸TEM模式。
波導(dǎo)分類:通常,波導(dǎo)專指各種形狀的空心金屬波導(dǎo)管和表面波波導(dǎo),前者將被傳輸?shù)碾姶挪ㄍ耆拗圃诮饘俟軆?nèi),又稱封閉波導(dǎo);后者將引導(dǎo)的電磁波約束在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周圍,又稱開波導(dǎo)。

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表面波波導(dǎo)的特征是在邊界外有電磁場(chǎng)的存在。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段,因金屬波導(dǎo)管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時(shí)使用表面波波導(dǎo),除具有良好的傳輸性外,主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作容易,可具有集成電路需要的平面結(jié)構(gòu)。表面波波導(dǎo)的主要形式有:介質(zhì)線、介質(zhì)鏡像線、H-波導(dǎo)和鏡像凹波導(dǎo)。

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不同模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu):波導(dǎo)中可能存在無限多種電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)或分布,每一種電磁場(chǎng)的分布稱為一種波型(模式),每一種波型都有對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)和不同的相速。橫截面均勻的空心波導(dǎo)稱為均勻波導(dǎo),均勻波導(dǎo)中的電磁波的波型可分為電波(TM模)和磁波(TE模)兩大類。

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