一提到电磁波的模式,相信很多同学都有点懵逼。到底什么是模式?又该怎么去区分不同的传输模式。说实话,我也搞不灵清,常常看不懂到底谐振了个啥。
今天我们一起来学习下“电磁波的模式Mode”。
我们先看一下模式的定义:模式是指特定频率的能量集中在特定结构中的形式。谐振器中的模式是指谐振频率及其谐振形式,在波导或传输线的情况下,它是指(特定频带的)电磁波传播的形式。这与能量根据结构特性集中在特定频率的现象有关。这里重要的是模式最终由结构的形状决定。这意味着为了让用户使用特定模式,必须设计结构以使所需的频率能量收敛到模式。
电磁波的模式都有什么类型呢?
我们首先看一下传输模式,待会再聊谐振模式。在实际应用中,TEM、TE、TM 三种传播模式被广泛应用于电路/结构设计中常用的传播模式。这是由电磁波传播的方向以及E场和H场是否相互垂直决定的。
TEM (横电磁波):当电磁波的传播方向与 E 场和 H 场都垂直时,如下图所示:
传输线的方式有微带线、带状线、同轴线、共面波导、平行板等。由于两种金属在某一方向平行行进,所以E场和H场可以在行进方向上同时相互垂直存在。
TE (横向电):当只有 E 场垂直于行进方向时。
TM (Transverse Magnetic):当只有 H 场垂直于运动方向时。
这种模式是在一般金属波导(波导)的情况下形成的,与传输线不同,平面波的特定场分量的反弹效应发生在一个金属管内,因此E场或H场都不能垂直向行驶方向。波导的TE和TM模式是根据结构特点自动确定的,为了使用特定的模式,相应地确定了波导的尺寸。用平面图可能很难理解,但是如果仔细观察上图,您会发现 E 场或 H 场中只有一个垂直于电磁波的传播方向,看起来好像是特定的场上下反射。图中可以看出,两个方向施加的场都与运动方向垂直,而上下方向施加的场被反射,其角度不断变化,因此不垂直于运动方向.
模式系数
在模式中,像TE 21和TM 01 一样,指示阶次的系数作为下标被附加,并且它们主要被归类为在TE/TM波中重要的。电磁波以电压跨越+和-的半波长为单位具有最强的共振特性。下图显示了矩形波导的横截面,从 概念上很容易理解TE 10和 TE 20模式之间的区别。在TE 30的情况下,在一个单位行进路径中存在三个半波长分量,而在TE 01的情况下,这意味着在与下图垂直的方向上沿着单位行进路径存在一个半波长。它并不完全如下图所示进行,但很容易理解模式系数与波数有关。
制造普通矩形波导时 ,模式的创建顺序为TE 10 – TE 20 – TE 01 -TE 11 、TM 11 … 在这里,模式的产生并不意味着它是人工制造的,而是随着电磁波相对于结构特性来回移动,能量自动收敛到模式。这里,能量最集中的第一种模式称为主导模式。由于模式与波长有关,因此根据结构特性,电磁波可能难以传播。所以波导中有一个截止频率。
常用的X波段(8~12Ghz)波导模式如下所示:
原文始发于微信公众号(射频学堂)