微波技术模式的定义-晟辉智能制造

核心定义：什么是模式？

在微波技术中，模式是指电磁波在传输线、波导、谐振腔等特定边界条件下,能够独立存在并稳定传播的一种电磁场分布形态。

（图片来源网络，侵删）

您可以把它想象成：

在吉他弦上拨动不同的位置： 在弦的中间拨动，会产生一个最简单的振动模式（基频），如果在弦的1/4处拨动，就会产生一个更复杂的振动模式（包含基频和更高次的谐波）,每种振动模式都对应着弦上特定的波形和频率。
在游泳池里制造波浪： 用不同的方式拍打水面，可以产生平缓的波浪、集中的浪峰，或者复杂的交叉波浪，每一种特定的波浪形态就是一种“水波模式”。

对于电磁波来说，模式就是它在被“限制”的空间（如波导内）中，电场和磁场的强度和方向在空间中的具体分布图样,每一种模式都有其独特的：

模式可以根据不同的标准进行分类,最常见的分类方式是依据电磁场在传播方向上的分量。

这是最理想、最简单的模式。

（图片来源网络，侵删）

定义： 电场和磁场矢量都完全垂直于电磁波的传播方向，即，电场、磁场和传播方向三者两两垂直。
符号表示： TEM 模式
特点：
- 没有截止频率： 任何频率的电磁波都能以 TEM 模式传播。
- 相速度等于光速（在真空中）： v_p = c / √ε_r。
- 场结构简单： 类似于自由空间中的平面波。
存在结构： TEM 模式只存在于由两个或更多导体组成的传输线中，因为需要导体来支撑横向的电场和磁场。
- 典型例子： 同轴线、平行双导线、微带线（准TEM模）。

定义： 电场矢量完全垂直于传播方向,但磁场矢量在传播方向上有分量。
符号表示： TE 模式 或 H 模式
特点：
- 存在截止频率： 只有当工作频率高于其截止频率时，TE 模式才能传播。
- 场结构复杂： 场在波导的横截面上呈驻波分布。
存在结构： 存在于由单个导体构成的空心波导中。
- 典型例子： 矩形波导、圆形波导，在矩形波导中，TE 模式通常用 TE_mn 表示，TE_10 模式（主模）。

定义： 磁场矢量完全垂直于传播方向,但电场矢量在传播方向上有分量。
符号表示： TM 模式 或 E 模式
特点：
- 存在截止频率： 只有当工作频率高于其截止频率时，TM 模式才能传播。
- 场结构复杂： 场在波导的横截面上也呈驻波分布。
存在结构： 同样存在于由单个导体构成的空心波导中。
- 典型例子： 矩形波导、圆形波导，在矩形波导中，TM 模式通常用 TM_mn 表示，TM_11 模式。

在一个给定的传输结构中，可能存在多种模式（如 TE₀₁, TE₁₁, TM₁₁ 等）。主模是指截止频率最低的那个模式。

为什么主模如此重要？

因为在实际应用中，我们通常希望电磁波以单一、稳定的方式传播，如果工作频率选择不当，可能会同时激发多个模式，这会导致信号失真、能量损耗和模式竞争等问题。

主模的优势：

典型例子：

模式的数学描述通常通过求解麦克斯韦方程组，并结合波导的边界条件（在理想导体壁上，电场的切向分量为零）得到。

对于矩形波导，模式的场分量可以用三角函数（正弦和余弦）来描述，下标 m 和 n 代表场在波导宽边和窄边上驻波的“半波数”。

TEₘₙ 模式：
- m 和 n 不能同时为零（即 TE₀₀ 模式不存在）。
- 主模是 TE₁₀ 模式（m=1, n=0）,其截止频率最低。
TMₘₙ 模式：
- m 和 n 都不能为零（即 TM₀₀, TM₁₀, TM₀₁ 模式都不存在）。
- 最低阶的 TM 模式是 TM₁₁。

特性	TEM 模式	TE 模式 (H 模式)	TM 模式 (E 模式)
场分量	E 和 H 均垂直于传播方向	E 垂直，H 有纵向分量	H 垂直，E 有纵向分量
存在结构	双导体或多导体传输线	单导体空心波导	单导体空心波导
截止频率	无（任何频率都可传）	有	有
典型例子	同轴线、微带线	矩形波导 (TE₁₀)	矩形波导 (TM₁₁)
主模	TEM 模本身	截止频率最低的 TE 模	截止频率最低的 TM 模

模式是理解微波在特定结构中如何传播的“钥匙”。 选择合适的传输结构和工作频率，以激励我们想要的模式（通常是主模），并抑制其他不需要的模式,是微波电路和系统设计的核心任务之一。