波导详解：基础、模式与实际应用
波导是一种特殊传输线，由中空金属管组成。金属管壁提供分布电感，内部空气隙提供分布电容。
波导传输微波能量损耗低于同轴电缆
波导仅适用于波长与导管横截面尺寸相当的极高频信号。低频下作为传输线失效。
波导作为传输线的用途
作为传输线时，波导制造维护比双导体电缆(尤其是同轴)简单得多。
仅单导体——波导外壳——无需控制导体间距或介质一致性；唯一介质是空气。
波导受潮问题小于同轴电缆，常省去充气。
波导作为电磁能量导管，引导波而非常规意义“传导”。
所有传输线均为能量导管，但单导体波导传播根本不同于双导体线。
何为横电横磁(TEM)波传播？
所有电磁波由电磁场共同传播，相互垂直。标准传输线中两场均横向于传播方向。
此横向模式称TEM(横电横磁)，仅存在于双导体线，且在线路横截面远小于波长时占主导。
双导线传输线传播：TEM模式
微波频段(100MHz-300GHz)下，TEM模式双导体线长距离传输变得不切实际。
为维持TEM模式足够小的线路因趋肤效应和介质损耗导致低耐压高寄生损耗。
幸运的是，这些短波长下有替代传播模式，用导电管替代平行导体时损耗更低。这就是波导优势所在。
电磁波在中空管传播时，仅电场或磁场之一保持横向于传播方向。另一场纵向环绕但保持垂直于横向场。保持横向的场决定波以TE(横电)或TM(横磁)模式传播。
波导TE横电与TM横磁模式
每个波导支持多种模式变体，全面讨论超出本文范围。
信号如何耦合进出波导？
信号通常用插入波导的小型天线状装置耦合进出。耦合器可以是偶极子——两根适当长度开口端短桩——或单桩(半偶极子，类似鞭状天线，物理长度¼λ)，或终止于波导内表面的短线环。
短桩与线环耦合波导
某些器件如感应输出管(如速调管)，用导电材料腔截获调制电子束电磁能量，无需直接接触。
速调管感应输出管
何为腔谐振器？
同传输线，盲端波导可在特定频率谐振。作此用时称腔谐振器。
感应输出管用环形腔谐振器最大化电子束与输出波导功率传递。
腔谐振频率可通过调整物理尺寸调谐。制造商加入可动板、螺钉等机械元件提供粗调。
谐振腔一端开口时，作为单向天线工作。
下图展示自制听筒罐头波导，用作2.4GHz Wi-Fi(802.11b)信号天线。
耦合元件为四分之一波短桩：约1-1/4英寸实心铜线从同轴连接器中心伸入罐头中心。
罐头天线演示短桩耦合波导
背景其他罐头天线含Pringles薯片罐，虽纸板结构但内衬金属提供所需导电性。
些罐头仍有塑料盖。塑料非导电不干扰射频信号，但作为物理屏障保护波导免受风雨杂物。
真实波导天线用类似屏障封闭管体同时允许电磁能量无阻碍通过。
回顾：
- 波导是作为电磁波导管的金属管，仅适用波长匹配导管横截面的信号。
- 波导传播分TE(横电)或TM(横磁)模式，由哪个场横向于传播方向决定。TEM(横电横磁)模式仅存在于双导体线，波导无法维持。
- 盲端波导作为谐振元件称腔谐振器。
- 开口腔谐振器作为单向天线，从开口侧辐射或接收射频能量。
工业技术