如何直觀的理解波導中微波的模式(TE\TM\TEM)?

2021-01-09 電子工程專輯


人生就是這樣，自卑才炫耀，缺愛才花心，你的招搖，除了證明自己沒有本事之外，毫無用處。

首先什麼是模式，模式就是沒有激勵源條件下的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，若波導中電磁波傳輸方向為z方向，則橫向為直角坐標系中的x，y方向；或柱坐標系的\rho，\phi方向。


TE模式表示「所有電場分量均與傳輸方向垂直」，即「傳輸方向上沒有電場分量」；TM模式同理。TEM模式意義為「電場、磁場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,這就產生了所謂的TE波或TM波 



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

光的傳播形態分類:根據傳播方向上有無電場分量或磁場分量,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和磁場分量,稱為橫電磁波。若雷射在諧振腔中的傳播方向為z方向,那麼雷射的電場和磁場將沒有z方向的分量!實際的雷射模式是準TEM模,即允許Ez、Hz分量的存在,但它們必須<<橫向分量,因為較大的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,難於形成振蕩。 2、TE波(即s波):在傳播方向上有磁場分量但無電場分量,稱為橫電波。在平面光波導(封閉腔結構)中,電磁場分量有Ey, Hx, Hz,傳播方向為z方向。  3、TM波(即p波):在傳播方向上有電場分量而無磁場分量,稱為橫磁波。在平面光波導(封閉腔結構)中,電磁場分量有Hy, Ex, Ez,傳播方向為z方向。

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


而所謂橫,就是與電磁波傳播方向向量k是垂直的,可以想像一個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,就是這個意思了。 

微波工程、電磁場理論等課程中有關於TEM、TE、TM模的更為詳細的描述。這裡會存在一個疑問:不是說電場和磁場以及傳播方向都正交相互垂直嗎?那為啥會出現不相互垂直的TE/TM波，原因就在於,在介質中傳播特別是折射後,產生了折射,原因在於介質,由於存在非正交分量,其實可能是導致介質損耗的原因所在! 


圖:振動方向與波的傳播方向垂直,這種波稱為橫波

振動具有線性疊加性,故波動也同樣滿足線性疊加性,因此任何其他的方向關係的波動都可以由這兩種波通過線性疊加而得到。 如果傳播介質是一維的,那麼波的傳播方向就只能在一條線上。 如果傳播介質是多維的,那麼波將從波源出發,向任意方向傳播。而波動傳播的方向稱為波射線(簡稱波線)。 由于波在介質中的傳播是一個時間過程,所以必須考慮波在空間中分布的一些時間性的特性。 首先是相位的概念。由于波動是一種周期現象,因此在某一個時刻振子處於一個周期的什麼位置是非常重要的物理特徵,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組成的一個幾何面,稱為波陣面(簡稱波面)。波陣面的概念在應用波動圖象來分析波動現象時是非常關鍵的。 波面的形狀和波源與介質的分布性質密切相關。最簡單的兩種情形是:在各向同性的介質中,從點波源發出的波的波陣面是一簇同心球面,稱為球面波;從平面狀波源發出的波的波陣面是一簇平行平面,稱為平面波。


在波導理論中，能夠傳輸TEM模式的波導，其橫截面結構需能支持穩定靜電場存在。故，單導體空心金屬波導無法傳輸TEM模式。


波導分類：通常，波導專指各種形狀的空心金屬波導管和表面波波導，前者將被傳輸的電磁波完全限制在金屬管內，又稱封閉波導；後者將引導的電磁波約束在波導結構的周圍，又稱開波導。


表面波波導的特徵是在邊界外有電磁場的存在。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導管的尺寸太小而使損耗加大和製造困難。這時使用表面波波導，除具有良好的傳輸性外，主要優點是結構簡單，製作容易，可具有集成電路需要的平面結構。表面波波導的主要形式有：介質線、介質鏡像線、H-波導和鏡像凹波導。

不同模式的場結構：波導中可能存在無限多種電磁場的結構或分布，每一種電磁場的分布稱為一種波型（模式），每一種波型都有對應的截止波長和不同的相速。橫截面均勻的空心波導稱為均勻波導，均勻波導中的電磁波的波型可分為電波（TM模）和磁波（TE模）兩大類。

矩形波導：矩形波導是橫截面為矩形的填充空氣的空心金屬管，是實際中應用最廣泛的一種微波傳輸線。標準矩形波導管數據

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