波导与相关基础理论
产品的设计是基于理论的延伸。
波导是一种用于微波应用的特殊形式的传输线，常规波导管由金属管（材料为铜、黄铜，部分镀银或镀金）制成，较为新的技术采用电镀铜的超轻碳纤维复合材料制成。波导可以具有矩形、圆形或椭圆形横截面。当传输频率高于1GHz时，同轴电缆在高功率传输中具有许多显著的缺点，例如高衰减和低闪络电阻。由自身线路电容和电感以及趋肤效应引起的衰减损耗随着传输频率的增加而增加。36GHz以上的同轴电缆由于衰减高而很难使用。在同轴电缆中，闪络和电弧电阻受到内导体和外导体之间的小距离的限制。这些缺点对于低功率信号来说仍然是可以接受的，但在高性能范围内，它们会导致不可接受的损失。与同轴线相比，在传输损耗方面，波导具有显著的优势。用于能量传输的电场和磁场在金属表面为零，因此这些场被限制在波导壁内的空间内。此外，电磁场完全包含在波导内并完全屏蔽，无论是从内到外，还是从波导外到内，辐射损耗保持非常低，从而产生良好的抗干扰性。
图1：波导结构及其构成
普通的两线输电线路应以规则的间隔由绝缘体支撑。在与线路的连接处，绝缘体必须具有非常高的接地阻抗才能正常工作。更好的高频绝缘体是谐振短截线，即一端短路的匹配的四分之一波长传输线部分。通过适当的匹配，这种绝缘体将以非常高的阻抗连接将短路转变为两线传输线。图 1右图显示了两线传输线每一侧的多个谐振短截线。随着更多短截线的添加，每个部分都与下一个部分接触，形成矩形波导。以前的两线传输线成为波导壁的一部分，该波导现在的宽度为λ/2。
值得注意的是谐振短截线仅在一种频率下是绝缘体，因此会限制能量传输的能量和效率。信号只能在高于特定频率的情况下在波导中传播。该特定频率取决于波导的尺寸 “a”，如图1左图所示。仅当要传输的波长小于所谓的截止波长（λcutoff）时，传播条件才存在。事实上波导必须比这个半波长大 30% 左右才能有效运行。波导的尺寸规格和说明符合IEC153和德国DIN 47302的规定。对于矩形波导，较窄的壁“b”是较宽的壁“a”尺寸的一半。图1中的波导部分由挤压矩形黄铜管制成，指定为WR42类型。波导名称“WR”代表“矩形波导”，数字是波导较宽的内部尺寸宽度（以百分之一英寸为单位）。因此，其边“a”恰好为 0.42 英寸，即 0.42 x 25.4 毫米 = 10.67 毫米宽。边“b”的宽度恰好是尺寸的一半，即5.34毫米。其下限截止频率为 14.051 GHz。频率的低损耗传输仅从高于该截止频率30%开始。
图2：波导内 TE₁₀模式电场分布及波导内电磁场分布
波导场分布及衰减
如果将能量输入波导，则会在较宽的壁“a”的中心形成电场（E 场）。该电场在波导中心最强，并在较窄壁“b”的方向上减弱。它的横截面具有正弦形状，通过电场也会产生磁场。然而，磁场不能垂直存在于金属导体上。电场随频率随时间变化，并且在波导纵向上在半波长距离处具有最大值和最小值。馈入波导的高频能量会产生电磁横波（TEM 模式），其电场和磁场彼此垂直。电场建立在两个较宽的波导壁之间，磁场位于两个较窄的壁之间。
图3：矩形波导中 TE₁₀模式电场的三维视图
波导中的衰减与频率密切相关。工作在截止频率的波导仍然具有相对较高的衰减。仅随着频率的增加它才达到最小值。该面积在一定范围内几乎保持不变，但此后会增加。矩形波导良好导电性的决定性因素是其相对于要传输的频率的尺寸（壁“a”）。如果波长太大，电压最大值没有足够的空间。较高的频率需要较小尺寸的波导，反之亦然。
波的衰减是通过壁电流损耗来实现的。图4显示了 TE10 波的壁电流分布。壁电流沿传播方向在中间的底壁和盖壁上流动。额外的横流流向边缘。给定模式的波导的衰减常数可以通过计算壁电流密度上的表面积分来估计。
图4：矩形波导中 TE₁₀模式电流分布
波导输入/输出方法
当一个小探针插入波导并提供微波能量时，它充当四分之一波长天线。电流在探针中流动并建立如图5左图所示的 E 场。E 线与探头分离。当探针位于最高效率点时，E 线会形成相当强度的 E 场。放置探针最有效的位置是“a”壁的中心，与“b”壁平行，距离波导短路端四分之一波长，如图所示。这是主模式下E场最大的点。因此，此时能量传递（耦合）最大。此时的探针可以认为是处于某频率下的谐振状态，类似于单极天线的，此时的H面平行于壁a。E面垂直于壁a。
图5：矩形波导中的探针耦合及实物
将能量注入波导的另一种方法是在波导中建立H场，即环路耦合。这可以通过在波导中插入一个承载高电流的小环路来实现，如图6所示。磁场在环路周围形成并进入波导。如果环路中电流的频率在波导的带宽内，则能量将被转移到波导。
图6：环路耦合及微带耦合
为了最有效地耦合到波导，将环插入磁场强度最大的几个位置之一。通过矩形波导中的环路耦合，首先产生 H 场，从而产生 E 场。
现代技术使得馈电也可以通过贴片或微带天线来完成。在波导口处增加传统微带贴片天线，同时利用同轴线给微带天线馈电。从原理上来说，波导内传输的能量强弱取决于微带天线的工作模式和辐射效率。由于加载了介质，因此会存在一定损耗，与此同时，微带天线位置尽可能居中，以避免能量耦合损失。
电磁波传播方式
波导内可以传播多种模式的电磁波。波导的物理尺寸决定了每种模式的截止频率。如果外加信号的频率高于给定模式的截止频率，则电磁能可以通过该特定模式的波导以最小的衰减传输。否则，频率低于该特定模式截止频率的电磁能将在相对较短的距离内衰减至可忽略不计的值。
图7：矩形波导内不同的传输模式
特定波导中的主模式是具有最低截止频率的模式。对于矩形波导，这是TE10模式。TE（横向电场）表示所有电场都横向于传播方向，并且不存在纵向电场。磁场存在纵向分量，因此 TEmn 波也称为Hmn波。通常首选 TE 名称。图7显示了TE10、TE20和TE30 模式波导中E场变化的图形描述。可以看出，字母m表示跨越波导宽度的半波环路的数量，n表示跨越波导高度的环路的数量。
建议选择波导的尺寸，使得对于给定的输入信号，只有主模的能量可以通过波导传输。例如，如果对于特定频率，矩形波导的宽度太大，则TE20模式可能会传播，从而导致无数问题。对于低纵横比的矩形波导，TE20模式是下一个高阶模式，并且与TE10模式的截止频率谐波相关。正是这种关系以及衰减和传播考虑因素决定了矩形波导的正常工作范围。
图8：双脊波导
波导连接方式
由于整个波导系统不可能模制成一体，因此波导必须分段构造，并且各段用接头连接。波导接头的三种基本类型是：永久接头，永久接头是工厂焊接接头，无需维护。半永久性接头，必须将波导的各个部分拆开进行维护和修理。半永久接头（称为“扼流接头”）最常用于此目的。扼流接头在波导各部分之间提供良好的电磁连续性，并且功率损耗非常小。另外一种是旋转接头，每当将固定矩形波导连接到旋转天线时，就必须使用旋转接头。圆形波导通常用于旋转接头。接头的旋转部分还采用扼流接头来完成与静止部分的电气连接。
图9：扼流接头及接头处的阻抗变化曲线
图10：具有同轴部分的旋转接头
圆形波导部分也适用于旋转接头。圆形波导部分的尺寸被设计为以 TE0,1 波的形式传输电磁波。谐振片的长度为 3/4 λ，以便实现非所需模式的高阻抗。
波导的弯曲和扭曲
波导的尺寸、形状和介电材料在其整个长度上必须保持恒定，以便能量从一端移动到另一端而不会发生反射。其尺寸或形状的任何突然变化都可能导致反射和整体效率的损失。当需要进行这种改变时，波导的弯曲、扭曲和接头必须满足一定的条件以防止反射。
波导可以以多种不会引起反射的方式弯曲。一种方法是逐渐弯曲，如下图右侧所示。这种逐渐弯曲被称为E弯曲，因为它会扭曲E场。E弯曲的半径必须大于两个波长以防止反射。
图11：波导的弯曲
H弯曲，是因为当波导以这种方式弯曲时，H场会发生扭曲。同样，弯曲半径必须大于两个波长以防止反射。如果满足某些要求，则可以使用任一尺寸的急弯。如图中的两个45度弯，弯曲部间隔 1/4·λ，45度弯曲处发生的反射相互抵消，使场就像没有发生反射一样。
图12：H弯曲
有时必须旋转电磁场，使其处于正确的相位以匹配负载的相位，可以通过如图所示扭转波导来实现。扭曲必须是渐进的并且大于两个波长 (2·λ)。柔性波导允许某些设备应用可能需要的特殊弯曲。它由特殊缠绕的导电材料带组成，最常见的是黄铜，内表面镀铬。由于内表面并不完全光滑，因此柔性波导的功率损耗更大。
波导阻抗匹配
波导/阻抗匹配通常是减少波导和负载之间不匹配引起的反射所必需的。感性阻抗匹配及其等效电路如图 (A) 所示。所加载的金属部分在波导上产生并联感抗，该感抗与开口的尺寸成正比，且边缘垂直于磁平面。
图14：不同波导阻抗匹配及A型匹配
容抗（如视图 (B) 所示）的作用基本相同。同样，电抗与开口的尺寸成正比，但边缘垂直于电平面。图 (C) 所示的阻抗匹配金属有横跨磁平面和电平面的部分，并在波导上形成等效并联 LC 电路。在谐振频率下，金属圈充当高分流电阻，在谐振之上呈现容抗或之下呈现电抗。同时导电柱和螺钉也可用于波导中的阻抗匹配。
波导转接
当需要在波导系统中组合两个或多个信号（或将信号分成两个或多个部分）时，可以使用不同类型的接头。“T 形接头”是最简单的常用波导接头。T形接头分为两种基本类型：E型和H型。
图15：H和E结构的等效电路图
图15左图所示为H型T型接头，因为所有三个臂都位于磁场平面内，磁场在臂之间划分。电场被馈送到A臂，并从B和C臂获得同相输出。反之亦然。右图为E型T型接头。该结被称为E型T结，因为金属壁以与波导中电场相同的方向从主波导延伸。输出之间将存在 180° 异相。
Magic-T 混合结的简化版本如图16所示。magic-T结可以描述为双电磁平面类型的T结。因此，它是H型和E型T型结的组合.臂B和臂C被称为共线臂或侧臂。D臂也称为“差值端口”，A 臂称为“和端口”。此类接头最常见的应用是作为微波雷达接收器的混频器部分或作为测量系统的一部分。
图16：魔T
如果将信号馈送到magic-T 的E平面臂（A 臂），它将分为两个异相分量（B 臂和 C 臂）。由于H平面臂入口处存在零电位，进入E臂的信号不会进入H平面臂（D臂）。此时电势必须为零才能满足E平面臂的边界条件。
总结
文章是基于Radartutorial里关于波导部分的翻译部分，有删减。概括性的描述了波导的基础理论部分，包括构成、场结构及衰减、输入/输出方法、传输模式、连接方式、波导弯曲及扭曲以及匹配方式。
