圓波導指橫截面為圓形的空心金屬波導管。
隻要求出縱向場,其它場分量可由上式求出。Ez和 Hz滿足波動方程
在圓柱坐标中表示為:
邊界條件為
電場切線為0
切向磁場法線導數為0
**圓波導不能傳輸TEM波:**與矩形波導類似,波導的橫截面内,是閉合曲線.由麥克斯韋第一方程知,閉合曲線上磁場的積分應等于曲線相交鍊的電流.由于矩形波導中不存在軸向即傳播方向的傳導電流,故必要有傳播方向的位移電流.由位移電流的定義式:Jd=dD/dt(積分),這就要求在傳播方向有電場的存在.顯然,這個結論與 TEM 波(既不存在傳播方向的電場也不存在傳播方向的磁場)的定義相沖突,是以矩形波導不能傳播TEM 波.隻能傳播TE(橫電場)或TM(橫磁場)波。
TM波Hz = 0
令
分離變量代入(3)式,得
上式等号左邊隻含與r有關的項,右邊隻含與ψ有關的項。欲使此式對一切的r、ψ值均成 立,等式兩邊應分别等于同一常數m^2,即
(6.3-5a)的通解為
根據圓周自然邊界條件,得m為整數. (5b)為貝塞爾方程,其通解為
根據自然邊界條件:
得B2 = 0
根據理想導體表面邊界條件 ,
得截止波數
Pmn 為m階Bessel函數的第n個零點。
截止波長
Kc 截至波數,TE,TM,高通,于是,TMmn模的電場縱向分量為
顯然,TMm0模不存在。
相位常數與波阻抗分别為
TE波Ez = 0
同理,可得圓柱形波導中TE波的 為
P’mn為m階Bessel函數導數的第n個零點。
TE波的相位常數與波阻抗分别為
圓波導的模式簡并現象
模式簡并是指兩種模式的m, n值不同,場結構不同,但截止波長相同,傳輸特性相同;圓波導有兩種簡并現象,一種是TE0n和TM1n的簡并。因為
另一種是極化簡并模式的m,n相同,場分量相同,隻是極化面旋轉了90度;
圓波導常用的三個模式:圓波導常應用TE11、TE01和TM01模
TE11模
主模、與矩形波導TE10模相近,可用作矩形—圓波導轉換、容易産生極化簡并,傳輸中可能産生極化面偏轉、可用作極化衰減器、波形轉換器或鐵氧體環形器等。TE11模存在極化簡并,垂直極化和水準極化具有相同的截止波長,是以利用波導尺寸不能實作單模傳輸,可利用激勵來實作;在傳輸過程中,當圓波導出現不均勻性時或有橢圓度時,就會分裂出cos (ψ)和sin(ψ) 模。
**結論:通常不采用圓波導來傳輸微波能量和信号。TE11是最低模,但不是理想工作模式。雖然極化簡并模式不利于微波能量的傳輸,但在通信中常利用極化模傳輸兩路信号,使在有限的頻帶内傳輸更多的信号。利用圓波導TE模的極化簡并特性可以構成一些雙極化元件,如極化分離器、極化衰減器等。
長距離傳輸很少用TE11,
極化簡并:發射用sin接受用cos
抛物面:常有極化分離器TM01模場與壁面電流分布
漸變過程:變化越慢帶寬越寬,但其尺寸很大TE01模 — 圓波導中損耗最低的模式
特點:高次模、場強軸對稱,無極化簡、 電流無縱向分量、損耗最低,頻率升高,損耗下降(同軸線可嘗試)
①電磁場沿方向不變化,場具有軸對稱性;
②隻有Eψ分量,在r= 0及r= a處,Eψ=0 ;
③在r→a時,隻有Hz 分量,故圓波導壁上隻有Jψ分量;此模式下,當f增高時,損耗下降,此模式常用作毫米波長距離傳輸、高Q圓柱諧振器
圓對稱TM01模①電磁場沿中方向不變化,場具有軸對稱性;
②電場集中在中心線附近;磁場集中在波導附近;
③磁場隻有H(ψ) 分量,是以産生Jz ;适用于作天線掃描裝置的旋轉鉸鍊的工作模式。
特點:高次模,場強軸對稱,無簡并, 軸線上縱向電場最強,壁面上隻有縱向電流,可作雷達旋轉關節
圓波導特點:損耗小,雙極化,加工友善
常用模式TE11,TE01,TM01