Режимы волновода: TE, TM, TEM

Сигналы распространяются в волноводах различными способами или модами: TE, TM, TEM, и они имеют разные порядки каждой моды.

Электромагнитные волны могут распространяться по волноводам, используя различные моды. Различные моды волновода имеют разные свойства, и поэтому необходимо гарантировать, что возбуждается правильная мода для любого волновода, а другие по возможности подавляются, если они вообще могут поддерживаться.

Волноводные моды

Глядя на теорию волноводов, можно вычислить, что существует ряд форматов, в которых электромагнитная волна может распространяться внутри волновода. Эти различные типы волн соответствуют различным элементам электромагнитной волны.

• Режим TE: этот волноводный режим зависит от поперечных электрических волн, также иногда называемых H-волнами, характеризующихся тем, что электрический вектор (E) всегда перпендикулярен направлению распространения.
• Режим TM: поперечные магнитные волны, также называемые E-волнами, характеризуются тем, что магнитный вектор (H-вектор) всегда перпендикулярен направлению распространения.
• Режим TEM: поперечная электромагнитная волна не может распространяться в волноводе, но включена для полноты картины. Этот режим обычно используется в коаксиальных и открытых механизмах подачи проволоки. Волна ТЕМ характеризуется тем, что как электрический вектор (вектор Е), так и вектор магнитного поля (вектор Н) перпендикулярны направлению распространения.

В тексте о различных типах мод волновода часто указываются моды TE и TM с целыми числами после них: TE _m,n . Числа M и N всегда являются целыми числами, которые могут принимать отдельные значения от 0 или 1 до бесконечности. Они указывают на волновые моды в волноводе. Только ограниченное число различных мод m, n может распространяться по волноводу в зависимости от размеров и формата волновода.

Для каждой моды волновода существует определенный нижний частотный предел. Это известно как частота среза. Ниже этой частоты никакие сигналы не могут распространяться по волноводу. В результате волновод можно рассматривать как фильтр верхних частот. Многие волноводные моды могут распространяться вдоль волновода. Количество возможных мод для данного размера волновода увеличивается с частотой. Также стоит отметить, что существует только один возможный режим, называемый доминирующим режимом для самой низкой частоты, которая может передаваться. Это доминирующая мода в волноводе, который обычно используется. Следует помнить, что хотя теория волновода выражается в терминах полей и волн, стенка волновода проводит ток. Во многих расчетах предполагается, что это идеальный проводник. В действительности это не так, и вследствие этого вносятся некоторые потери, хотя и сравнительно небольшие.

Эмпирические правила

Существует ряд эмпирических правил и общих моментов, которые можно использовать при работе с волноводными модами.

• Для прямоугольных волноводов мода распространения TE ₁₀ является самой низкой поддерживаемой модой.
• Для прямоугольных волноводов ширина, т. е. наибольший внутренний размер поперечного сечения, определяет нижнюю граничную частоту и равна 1/2 длины волны нижней граничной частоты.
• Для прямоугольных волноводов мода TE ₀₁ возникает, когда высота равна 1/2 длины волны от частоты среза.
• Для прямоугольных волноводов TE ₂₀ возникает, когда ширина равна одной длине волны нижней частоты среза.

Постоянная распространения волновода

Величина, известная как постоянная распространения, обозначается греческой буквой гамма, γ. Постоянная распространения волновода определяет фазу и амплитуду каждого компонента или моды волновода для волны, когда она распространяется вдоль волновода. Коэффициент для каждого компонента волны может быть выражен как:

Можно видеть, что если постоянная распространения γ _m,n действительна, фаза каждого компонента постоянна, и в этом случае амплитуда уменьшается экспоненциально с увеличением z. В этом случае существенного распространения не происходит, и частота, используемая для расчета, ниже частоты среза волновода. На самом деле в этом случае обнаружено, что небольшая степень распространения действительно имеет место, но поскольку уровни затухания очень высоки, сигнал проходит только на очень небольшое расстояние. Поскольку результаты очень предсказуемы, в качестве аттенюатора с известным затуханием можно использовать короткий волновод, используемый ниже частоты среза. Альтернативный случай имеет место, когда постоянная распространения γ _m,n является мнимой. Здесь обнаружено, что амплитуда каждой компоненты остается постоянной, а фаза меняется с расстоянием z. Это означает, что распространение происходит внутри волновода. Значение γ _m,n является чисто мнимым, когда имеется система с полным отсутствием потерь. Поскольку в действительности всегда имеют место некоторые потери, постоянная распространения γ _m,n будет содержать как действительную, так и мнимую части, α _m,n и β _m,n соответственно.

Соответственно будет установлено, что:

Эта теория волновода и уравнения волновода верны для любого волновода, независимо от того, прямоугольный он или круглый. Видно, что разные волноводные моды распространяются по волноводу по-разному. В результате важно понимать, какие существуют моды волновода, и гарантировать, что используется только требуемая мода.