微波传输与波导的设计原理

微波的传输

　　1、微波的传输与其在空间的分布形式

　　微波能量的传输，已不能运用普通导线电路的形式与概念，而要运用超高频中“电磁场”的概念来解释。微波是一种超高频电磁波。电磁波以交变的电场和磁场相互感应的形式传输，也就是伴随着电能和磁能的相互转换而传输。下面详细阐述微波是怎样传输的。

　　1.1微波的传输

　　微波能不能象在低频及高频电路中的电磁波那样，按我们的路线传输呢？实践证明，是*可以的。 在电磁波传导技术中，对于不同波长的电磁波，应采用不同形式的传导形式。在米波波段，可以用双导线传导能量。当频率提高到分米波波段时，双导线已不再适用，因为电磁场会沿着双导线向空间辐射，造成很大的功率损失。此时，通常采用同轴线。这样以来，电磁场就被屏蔽于内外导体之间。当频率继续提高到厘米波段时，沿同轴线内导体表面的电流将产生较大的功率损耗，支撑内导体的介质的热损耗也不容忽视。同时，随着波长的减小，同轴线允许传导的微波功率就要随着波长的缩短而下降。因此，在厘米波段一般不用同轴线传输较大的功率。此时，同轴线被波导所代替。波导是圆形或矩形截面的金属管，电磁波在波导内传输，若波导尺寸、内表面光洁度符合质量要求，则功率的损耗是很小的，因此波导就成为厘米波段传输大功率的“电路”了。在微波加热与干燥设备中波导被广泛采用。磁控管中产生的微波能通过波导管进入微波加热器（微波腔）中。波导管由能反射微波材料制成（例如前面所述的导体），理论上波导管能*匹配的直接把微波传送到微波腔，而且，在微波设备中，有时波导本身就是加热器。

　　1.2微波的场强分布及波型

　　为了对微波的电磁场进行直观描述，物理学的前辈假想出了很形象、直观的电力线和磁力线。微波电磁场分布的形式就是电力线和磁力线的结构形式，在传输和工作中可将微波按这种结构形式划分为许多确定的波型，也称“模式”。

　　在波导中，电场分布在矩形波导的横截面上，而电场的纵向分量为零，这种电场相应的波型称为横电波，记作TE波。同样，磁场只有横向分量的相应波型称为横磁波，记作TM波

　　另外，根据在波导宽边和窄边上电场强度和磁场强度出现大值的个数，又可将微波分为许多波型，记作TEmn波或TMmn波,角注m、n为2、3。。。。等整数。

　　在矩形波导传输的许多波形中，简单、有用的波形是TE10波。通过绘制TE10波场结构及电场强度分布曲线，可以看出，在波导宽边电场强度出现一个大值，即m=1。而在波导窄边上，电场强度分量为零，即n=0，因此，称为TE10波，其它波形依此类推。

　　1.3波导上高频电流的分布

　　微波在波导内传输，在波导内壁表面上会感应出高频交变的高频电流，其大小和流动方向随着磁场强弱和方向的改变而改变。

　　以TE10波为例：

　　假如我们沿波导宽边中心线（a/2处）开一适当宽度的槽缝，或在波导窄边开一些长方形的小缝，都不会影响微波场的分布，微波功率的泄漏也很小。在微波加热设备中，常利用微波场的这一分布特性来进行以下工作：A、用缝槽切断壁表面电流通路，引起波导内能量向外辐射，以达到微波能量的耦合或激励功能。B、常用A所提到的办法使被加热物品通过槽缝进行处理，此时，槽缝开位于电场强处，所以被加工物品能获得较大的加热功率。C窄边的小缝可以用来通风。为了便于开槽波导的加工，也可以将波导制成二块，然后合并加工。合适的开槽位置以电磁波辐射理论为依据。 另外，这种分布特性提示我们，在设计微波系统的器件互接时应注意其严密性，在器件上形成必要的表面电流通路，以防止和减少微波的泄漏。

　　1.4微波的传输条件

　　对于一定尺寸的波导，不是任意波长的电磁波和任意波形都能传播的，电磁波在波导中传播要符合一定的条件,可以用下面不等式表示：λ<λc。即被传输的微波波长λ必须小于波导的临界波长λc，大于临界波长的波不能在波导内传播。这就是为什么波导只适用于微波波段而不适用于高频或低频的道理。因为在高频时，波导尺寸非常之大，以致失去了其实用意义。

　　TEmn和TMmn波的临界波长可由下列公式计算：λc<[(m/a)2+(n/b)2]?

　　式中 a-----波导宽边内壁尺寸

　　b---- 波导窄边内壁尺寸

　　由上式可看内出，波型指数m﹑n的值越大，临界波长就越短。在波导中可能存在的许多波形中，TE10波的临界波长长，因此我们把TE10波称为低频率波形，对应的模称为主模或基模，其它波形称为高次波形（或高次模式）。

　　常用的TE10波m=1、n=0,其临界波长为λc（TE10）λ=2a，而高次模的临界波长 λ≤a；

　　因此，在波导中保障TE10波传输的条件是a﹤λ﹤2a，对于须保证某些微波加热系统是TE10波时，上面不等式对选择波导截面尺寸具有一定意义。例如：波导内壁宽边尺寸为a=24.8cm,其临界波长为49.6cm,此波导不能传输任何波长大于49.6cm的波。对于工作频率为915MHz的波（λ=32.2cm）,此波导可以实现单一模式（即TE10波）的传输，在波长小于24.8cm时，此波导中才能激励起高次模式。由此可见，波导也具有“滤波器”的作用，它只能传输小于截止波长的微波，利用这一特性，我们可以设计出既“敞开”又安全的微波设备。

　　微波在波导中传输时，波长将发生增长现象，我们把波导中的实际波长称为波导波长，并有下式求出:：

　　λg=λ0／１－﹝λ0／λc﹞2 

　　当工作于TE10波时 

　　λg=λ0／１－﹝λ0／２a﹞2

　　1.5驻波

　　在理想的微波传输系统中，电磁波只是向一个方向传输而不引起反射，这种波称为行波。然而在实际传输线中总是存在波导弯曲、加工尺寸不均匀、连接处不好以及负载不*匹配等因素，这些都会引起相同频率、方向相反的反射波。在传输线中反射和入射的电磁波，由于相位的关系，在某些位置上相互抵消，出现了在整数长度上周期分布且位置固定不动的微波波型，通常称为“驻波”。

　　在微波传输系统中，经常用驻波比这一概念来表示传输的匹配状态。

　　φ=EMAX/Emin

　　式中φ 驻波比；

　　E 电场强度

　　驻波比等于大和小电场强度之比。在实际中，用测定电压驻波比来反映这一量值。φ较大，即反射大，表明微波源与负载匹配较差。在大功率情况下，如果驻波比太大，在电场强处将发生打火击穿现象。在进行微波设备的冷测时，要求有尽可能小的驻波比，以免功率过大，影响微波管的正常工作。理想的匹配状态是φ=1，但实际上是达不到的，一般负载φ?1.1，就认为是较好的匹配。

　　当驻波比为1.5时，传输功率降低4%：；当驻波比为2时，传输功率降低11%；当驻波比为3时，传输功率降低25%；当驻波比为4时，传输功率降低36%。这使微波电源工作不正常，输出功率和频率不稳定，容易产生达火烧坏保险丝的情况。因此微波加热器的驻波比在1.1～3之间。