Question

全方面解析波导

Answer 1

从名字来看，波导是一种空心导电结构，引导电磁波沿着一个路径行进。波导的导电内壁沿路径以低损耗和接近光速的方式反射电磁波能量。

波导一般为圆柱形、椭圆形或矩形。在矩形波导中，当磁场沿传播方向时，可以形成横电波（TE）或H型波。如果电场在传播方向上，则称为横磁波（TM）或e波。

波导所能支持的波前速度和频率取决于其实际尺寸。不同的频率会在波导中形成不同的模式。波导的主模式为电磁波能量引导效率最高的模式。在矩形波导中，TE10模式是最有效的，而在圆柱波导中，TE11模式为主要模式。这些模式具有较低的截止频率和较高的频率边界，超出此范围的频率会在其他模式中起作用。在同一个波导上工作的多个模式会对主模式产生不必要的干扰。虽然，有一些应用受益于在波导中利用多个模式。

对于高性能的互连应用，大多数波导被精心设计成只支持主模式。这些因素导致波导的尺寸直接与模式的低频相联系。这就限制了应用程序可以支持的波导尺寸。例如，一个1MHz的波导最大尺寸大约是500英尺。尽管是在微波和毫米波频率下，也大大降低了波导的尺寸和重量。不管怎样，由于波导在整个结构中必须保持精确的尺寸，在任何弯曲或布线操作中都必须小心。由于需要高机械精度，波导的灵活性有限。

在引导电磁能量时，波导的大导电表面积导致很少的能量损失。在波导内部镀上一层较薄的导电材料也可以提高能量传递效率和波导的功率处理能力。此外，波导中的介质通常是空气，与同轴电缆中使用的介质材料相比，其具有非常低的色散和损耗。

由于所有的电磁能量都包含在波导中，在波导中的辐射损耗极低。不足为奇的是，波导内高水平的隔离也可以防止来自外部源的不必要信号干扰。另一方面，高性能的波导互连也带来了高昂的价格。连接处法兰联轴器的精密加工及定制制造往往会使最终产品的价格昂贵。

为了克服这些挑战，有些制造商生产可预成型或多次弯曲的柔性波导。此外，相较于机械制造，制造高性能有源器件和无源器件相对简单。这些器件还最小程度地影响信号路径的完整性，并采用波导技术实现高性能互连和无源器件。