波导元件

 用空心金属波导或空腔等制作的微波电路的基本功能部件。波导元件可以组成各种波导网络或连成各种微波电路，其作用与低频下的电阻、电感、电容和谐振回路等很相似，但大都是分布参数元件。通常波导只起传输微波信号或功率的作用，而波导元件则能控制所传输的微波信号或功率，完成波型变换、阻抗调配、频率分隔或功率分配等各种功能。
　　波导元件的工作频率一般在微波范围，在微波这样高的频率下，低频时的电压、电流等不仅已经失去了原来的意义，而且根本无法直接去测量它，所以不能作为波导元件的基本参量来使用。从测量的角度来看，波导元件的基本参量是功率和频率，其他参量如阻抗、导纳、增益、衰减、品质因素等，一般可从所测得的基本参量导出。
　　波导元件可以按等效电路的“路”数（即元件的分支数或“端对”数）来区分；也可以按元件中所充物质的性质来区分；还可以按元件的用途来区分。表中所列为主要的波导元件。但从使用的角度来看，其中不少元件往往兼有几种用途，很难截然划分。

　　波导元件一般有两个以上的端口，通过某种不均匀性或某种耦合机构来控制电磁波，即对电磁波进行各种变换。常用的不均匀性有波导阶梯（波导截面尺寸突然改变）、膜片、销钉和谐振窗等；常用的耦合机构有耦合小孔、裂缝和耦合环等。
　　法兰 　焊在波导的端面，用于延伸或插入元件，使波导或波导元件互相连接。法兰有平法兰和抗流式法兰两种。①平法兰：靠两个法兰平滑表面的机械接触而连接；②抗流式法兰（图1）:端面切出四分之一波长深的抗流槽，槽口距波导内壁也是四分之一波长，也就是槽底距波导内表面为二分之一波长。这样即可在机械接触处造成电流波节，即使在两波导端面间略有间隙或错扭，其间仍会呈现短路电抗，达到对直流开路、对射频短路的微波耦合。

 

　　弯波导和扭波导 　在雷达或波导干线中常采用弯波导，以便按要求的角度改变波导的方向。在电场平面内弯曲的波导称为 E面弯波导（图2a），在磁场平面内弯曲的波导称为H面弯波导（图2b）。使用扭波导（图2c）可以改变传输波型的极化平面而保持波导的原方向不变。波导弯曲或扭转部分的截面略有变形就会使传播常数与未变形波导有所不同，从而引起失配。为使失配影响最小，弯波导或扭波导的长度可选为半波长的整数倍。
　　软波导 　在波导线路中的某些位置有时采用弯波导或扭波导等作刚性连接不很方便，则可采用软波导，以起“软关节”连接的作用。它在馈线系统中还能调节因温度变化引起的馈线伸缩，对振动、转动起缓冲和稳定作用，使传输线路有一定的灵活性。软波导常用波纹金属管制成，其截面形状有圆、椭圆和矩形等，其中椭圆软波导也常作为主馈线使用。
　　阻抗变换元件 　最基本的波导电抗单元有波导阶梯、膜片、销钉和螺钉等。波导中的不均匀性类似于能量存储器。膜片配置于波导横截面上，有对称、不对称和单片等型式。电容膜片可存储电能，等效电纳为容性。电感膜片和销钉可存储磁能，等效电纳为电感性。螺钉是可调电抗性元件，调节插入波导的深度可使电纳从电容性到电感性连续改变（图3）。但螺钉插入过深会引起损耗、击穿和打火等现象，因而这种可调螺钉一般只作为可调容抗元件使用。

　　波导接头 　在众多的波导元件之中，各种类型的波导接头常常起核心作用。它可以将多个波导元件连接在一起构成微波电路，使电磁波的几种波型的功率按一定比例关系分配在各种元件之间。由波导元件连接成的微波电路不仅取决于它所包含的元件及其连接方式，还与接头的几何结构有关。

 

 

 

 

 

 

由引导电磁波的一组物质边界或构件制成的传输线。
  注：最普通的波导形式是一根金属管子。其他形式有（电）介质棒或由导电材料和介质材料组成的混合构件。
  是一种用来约束或引导电磁波的结构。通常，波导专指各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将被传输的电磁波完全限制在金属管内，又称封闭波导；后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围，又称开波导。当无线电波频率提高到3000兆赫至 300吉赫的厘米波波段和毫米波波段时，同轴线的使用受到限制而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是导体损耗和介质损耗小；功率容量大；没有辐射损耗；结构简单，易于制造。波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件求解，与普通传输线不同，波导管里不能传输 TEM模，电磁波在传播中存在严重的色散现象，色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。表面波波导的特征是在边界外有电磁场存在 。其传播模式为表面波。在毫米波与亚毫米波波段，因金属波导管的尺寸太小而使损耗加大和制造困难。这时使用表面波波导，除具有良好传输性外，主要优点是结构简单，制作容易，可具有集成电路需要的平面结构。表面波波导的主要形式有：介质线、介质镜像线、H-波导和镜像凹波导。
  波导（waveguide）用来引导电磁波的结构。因此，在广义的定义下，波导不仅是指空金属管，同时也包括其他波导形式如脊形波导、椭圆波导、介质波导等；还包括双导线、同轴线、带状线、微带和镜像线、单根表面波传输线等（下图）。如不附加说明，一般说到波导就是指空心金属管。根据波导横截面的形状不同，可分为矩形波导、圆波导等。尽管已存在很多不同波导形式，且新的形式还不断出现，但直到目前，在实际应用中矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导形式。
  电磁波在波导中的传播受到波导内壁的限制和反射。波导管壁的导电率很高（一般用铜、铝等金属制成，有时内壁镀有银或金），通常可假定波导壁是理想导体，波导管内的电磁场分布可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件来求解。波导管内不能传输TEM波，电磁波在波导中的传播存在着严重的色散现象。波导中可能存在无限多种电磁场的结构或分布，每一种电磁场的分布称为一种波型（模式），每一种波型都有对应的截止波长和不同的相速。横截面均匀的空心波导称为均匀波导，均匀波导中电磁波的波型可分为电波（TM模）和磁波（TE 模）两大类。
  矩形波导 矩形波导中可以存在无限多个 TMmn 模，波型指数m，n分别表示电磁场沿波导宽边a和窄边b 的驻波最大值的个数，m，n=1，2，… 最简单的是TM11模。同样，还可以存在无限多个 TEmn模，m，n=0，1，2,…但不能同时为零。矩形波导中的最低模式是TE10模，其截止波长最长λC=2a，因此，就有可能在波导中实现单模传输。TE10模又称为矩形波导中的主波，是矩形波导中最重要的波型。实际应用中矩形波导都工作在TE10模。
  圆波导 圆波导中也可以存在无限多个TMmn和TEmn模，m，n分别表示场沿圆周和径向的变化次数。圆波导中只存在TM0n，TMmn（m，n=1，2，…），TE0n和TEmn（m，n=1，2,…）模。圆波导中截止波长最长的主波是TE11模，其截止波长λc=3. 14a（a 为波导半径）。常用的模式还有TM01和TE01模