空心金属波导一般要求和测量方法

A. 波导是什么东西

波导（WAVEGUIDE），用来定向引导电磁波的结构。

在电磁学和通信工程中，波导这个词可以指在它的端点间传递电磁波的任何线性结构。但最初和最常见的意思是指用来传输无线电波的空心金属管。这种波导主要用作微波频率的传输线，在微波炉、雷达、通讯卫星和微波无线电链路设备中用来将微波发送器和接收机与它们的天线连接起来。

常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、平板介质光波导和光纤。从引导电磁波的角度看，它们都可分为内部区域和外部区域，电磁波被限制在内部区域传播（要求在波导横截面内满足横向谐振原理）。

概述

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。

介质波导采用固体介质杆而不是空心管。光导纤维是在光频率工作下的介质波导。微带、共面波导、带状线或同轴电缆等传输线也可以认为是波导。

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。

金属管波导中的电磁波可以想象为沿Z字形路径在波导中行进，在波导的壁之间来回反射。对于矩形波导的特殊情况，可以立足于这种观点的精确分析。在介质波导中的传播也可以同样的方式看待，波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部。一些结构，如无辐射介质波导和高保线，使用金属壁和电介质表面来限制波。

B. 空心金属波导管内能传TEM波吗为什么电磁波能在金属波导管内传播的条件是什么

空心金属波导管内能传TEM波吗？为什么？

答：

空心矩形波导管里可以传播TEM波。这个根据TEM波能够传播的边界条件就可以知道。既是横电波，又是横磁波，所以电场是平行的。在两边界要容纳整数个波长，必然是矩形。

电磁波能在金属波导管内传播的条件是什么？

根据麦克斯韦方程组的边界条件，符合的 就行。对于金属波导管来说，就是边界上电场为0.

C. 如何比较准确地测出波导波长请从测量方法

基本上所有与光的波动性有关的实验都可以测量光的波长，例如：牛顿环、法布里-珀罗干涉仪、密集光波分复用系统的波长测量、激光功率计（指针式）光功率表、光栅、菲涅耳双棱镜、双缝、衍射光栅、投射光栅、折射光栅等。
光谱仪，麦克尔逊干涉仪，以及其他一些干涉仪器，通常都是测量的单一光波波长，没有一个普遍范围，而对光源要求又很高，要求激光光源，有良好相干性。光谱仪测量光波长的，不仅测量有什么样的光波长，每种光波长的强度多少，光谱宽度多宽，光谱峰值功率在哪。

D. 矩形波国家标准规范

矩形波本身国家还没有标准规范，空心金属波导矩形波有国家标准规范：
GB/T 11450.2-1989 空心金属波导 第二部分:普通矩形波导有关规范
GB/T 11450.3-1989 空心金属波导 第三部分:扁矩形波导有关规范
GB/T 11450.4-1989 空心金属波导 第4部分:圆形波导有关规范

E. 请解释一下电磁波导中常提到的“本征模”“横模”“纵模”概念

本征模：
满足谐振条件沿轴线纵向方向形成的驻波场即为谐振腔的本征模式。

横模：在激光器谐振腔中，把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模，即横截面上光强的分布。
原理：
如果激光器的谐振腔两反射面及工作物质端面都是理想平面，就不会有除了基模以外的其它横模输出。这种情况下只有一个以工作物质直径为直径的基模输出。因为此时只有基模状态下的光才能形成多次反射谐振的条件。
但是事实上反射面和端面都不可能是理想平面，尤其是在固体激光器中，工作物质受热发生凸透镜效应，导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件，于是激光器会输出几个方向各不相同的光束。（这个方向差异通常非常小）
多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，因此在需要完美聚焦的情况下，应当尽量减少横模。

纵模：
纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式，对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，因此常常把激光器纵模的选取称为激光的选频技术。
原理：
以气体放电管为例，通常它所发射的光波的频率宽度比较大。如果把放电管放在光学谐振腔内，经过谐振腔的选频，可使它所发射的光波的频率宽度变窄。例如氖放电管所发射的光波的中心频率为4.7×10^14赫，频率宽度为△v=1.5×10^9赫。如果谐振腔长度为1米，满足共振条件的许多光频率中相邻两个共振频率之差△V’=1.5×10^8赫。氖放电管配置谐振腔后，发射的光波数为△V/△V′，即有10种频率的光波。如图所示，曲线a代表放电管所发光波的频率轮廓，直线b的横坐标为中心频率，曲线a的半值宽度即放电管所发光波的频率宽度。配置谐振腔后，一定的腔长有一定的相邻共振频率之差。图曲线a下面的各条直线的间隔即为相邻共振频率之差。因此原来放电管所发光的频率范围很大，曲线a下面的各种频率的光都有。加上谐振腔后就不同，它要求相邻两光频率之差满足一定要求。例如图曲线a下面的频率中，只有各条直线代表的频率才可能。当然这些频率的光波也有自然宽度。