微波的傳輸

　　1、微波的傳輸與其在空間的分布形式

　　微波能量的傳輸，已不能運(yùn)用普通導(dǎo)線電路的形式與概念，而要運(yùn)用超高頻中“電磁場(chǎng)”的概念來(lái)解釋。微波是一種超高頻電磁波。電磁波以交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互感應(yīng)的形式傳輸，也就是伴隨著電能和磁能的相互轉(zhuǎn)換而傳輸。下面詳細(xì)闡述微波是怎樣傳輸?shù)摹?/p>

　　1.1微波的傳輸

　　微波能不能象在低頻及高頻電路中的電磁波那樣，按我們指定的路線傳輸呢？實(shí)踐證明，是完全可以的。 在電磁波傳導(dǎo)技術(shù)中，對(duì)于不同波長(zhǎng)的電磁波，應(yīng)采用不同形式的傳導(dǎo)形式。在米波波段，可以用雙導(dǎo)線傳導(dǎo)能量。當(dāng)頻率提高到分米波波段時(shí)，雙導(dǎo)線已不再適用，因?yàn)殡姶艌?chǎng)會(huì)沿著雙導(dǎo)線向空間輻射，造成很大的功率損失。此時(shí)，通常采用同軸線。這樣以來(lái)，電磁場(chǎng)就被屏蔽于內(nèi)外導(dǎo)體之間。當(dāng)頻率繼續(xù)提高到厘米波段時(shí)，沿同軸線內(nèi)導(dǎo)體表面的電流將產(chǎn)生較大的功率損耗，支撐內(nèi)導(dǎo)體的介質(zhì)的熱損耗也不容忽視。同時(shí)，隨著波長(zhǎng)的減小，同軸線允許傳導(dǎo)的微波功率就要隨著波長(zhǎng)的縮短而下降。因此，在厘米波段一般不用同軸線傳輸較大的功率。此時(shí)，同軸線被波導(dǎo)所代替。波導(dǎo)是圓形或矩形截面的金屬管，電磁波在波導(dǎo)內(nèi)傳輸，若波導(dǎo)尺寸、內(nèi)表面光潔度符合質(zhì)量要求，則功率的損耗是很小的，因此波導(dǎo)就成為厘米波段傳輸大功率理想的“電路”了。在微波加熱與干燥設(shè)備中波導(dǎo)被廣泛采用。磁控管中產(chǎn)生的微波能通過(guò)波導(dǎo)管進(jìn)入微波加熱器（微波腔）中。波導(dǎo)管由能反射微波材料制成（例如前面所述的導(dǎo)體），理論上波導(dǎo)管能完全匹配的直接把微波傳送到微波腔，而且，在微波設(shè)備中，有時(shí)波導(dǎo)本身就是加熱器。

　　1.2微波的場(chǎng)強(qiáng)分布及波型

　　為了對(duì)微波的電磁場(chǎng)進(jìn)行直觀描述，物理學(xué)的前輩假想出了很形象、直觀的電力線和磁力線。微波電磁場(chǎng)分布的形式就是電力線和磁力線的結(jié)構(gòu)形式，在傳輸和工作中可將微波按這種結(jié)構(gòu)形式劃分為許多確定的波型，也稱(chēng)“模式”。

　　在波導(dǎo)中，電場(chǎng)分布在矩形波導(dǎo)的橫截面上，而電場(chǎng)的縱向分量為零，這種電場(chǎng)相應(yīng)的波型稱(chēng)為橫電波，記作TE波。同樣，磁場(chǎng)只有橫向分量的相應(yīng)波型稱(chēng)為橫磁波，記作TM波

　　另外，根據(jù)在波導(dǎo)寬邊和窄邊上電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)大值的個(gè)數(shù)，又可將微波分為許多波型，記作TEmn波或TMmn波,角注m、n為2、3。。。。等整數(shù)。

　　在矩形波導(dǎo)傳輸?shù)脑S多波形中，簡(jiǎn)單、有用的波形是TE10波。通過(guò)繪制TE10波場(chǎng)結(jié)構(gòu)及電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線，可以看出，在波導(dǎo)寬邊電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)大值，即m=1。而在波導(dǎo)窄邊上，電場(chǎng)強(qiáng)度分量為零，即n=0，因此，稱(chēng)為T(mén)E10波，其它波形依此類(lèi)推。

　　1.3波導(dǎo)上高頻電流的分布

　　微波在波導(dǎo)內(nèi)傳輸，在波導(dǎo)內(nèi)壁表面上會(huì)感應(yīng)出高頻交變的高頻電流，其大小和流動(dòng)方向隨著磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的改變而改變。

　　以TE10波為例：

　　假如我們沿波導(dǎo)寬邊中心線（a/2處）開(kāi)一適當(dāng)寬度的槽縫，或在波導(dǎo)窄邊開(kāi)一些長(zhǎng)方形的小縫，都不會(huì)影響微波場(chǎng)的分布，微波功率的泄漏也很小。在微波加熱設(shè)備中，常利用微波場(chǎng)的這一分布特性來(lái)進(jìn)行以下工作：A、用縫槽切斷壁表面電流通路，引起波導(dǎo)內(nèi)能量向外輻射，以達(dá)到微波能量的耦合或激勵(lì)功能。B、常用A所提到的辦法使被加熱物品通過(guò)槽縫進(jìn)行處理，此時(shí)，槽縫開(kāi)位于電場(chǎng)強(qiáng)處，所以被加工物品能獲得較大的加熱功率。C窄邊的小縫可以用來(lái)通風(fēng)。為了便于開(kāi)槽波導(dǎo)的加工，也可以將波導(dǎo)制成二塊，然后合并加工。合適的開(kāi)槽位置以電磁波輻射理論為依據(jù)。 另外，這種分布特性提示我們，在設(shè)計(jì)微波系統(tǒng)的器件互接時(shí)應(yīng)注意其嚴(yán)密性，在器件上形成必要的表面電流通路，以防止和減少微波的泄漏。

　　1.4微波的傳輸條件

　　對(duì)于一定尺寸的波導(dǎo)，不是任意波長(zhǎng)的電磁波和任意波形都能傳播的，電磁波在波導(dǎo)中傳播要符合一定的條件,可以用下面不等式表示：λ<λc。即被傳輸?shù)奈⒉úㄩL(zhǎng)λ必須小于波導(dǎo)的臨界波長(zhǎng)λc，大于臨界波長(zhǎng)的波不能在波導(dǎo)內(nèi)傳播。這就是為什么波導(dǎo)只適用于微波波段而不適用于高頻或低頻的道理。因?yàn)樵诟哳l時(shí)，波導(dǎo)尺寸非常之大，以致失去了其實(shí)用意義。

　　TEmn和TMmn波的臨界波長(zhǎng)可由下列公式計(jì)算：λc<[(m/a)2+(n/b)2]?

　　式中 a－－－－-波導(dǎo)寬邊內(nèi)壁尺寸

　　b－－－－ 波導(dǎo)窄邊內(nèi)壁尺寸

　　由上式可看內(nèi)出，波型指數(shù)m﹑n的值越大，臨界波長(zhǎng)就越短。在波導(dǎo)中可能存在的許多波形中，TE10波的臨界波長(zhǎng)長(zhǎng)，因此我們把TE10波稱(chēng)為低頻率波形，對(duì)應(yīng)的模稱(chēng)為主模或基模，其它波形稱(chēng)為高次波形（或高次模式）。

　　常用的TE10波m=1、n=0,其臨界波長(zhǎng)為λc（TE10）λ=2a，而高次模的臨界波長(zhǎng) λ≤a；

　　因此，在波導(dǎo)中保障TE10波傳輸?shù)臈l件是a﹤λ﹤2a，對(duì)于須保證某些微波加熱系統(tǒng)是TE10波時(shí)，上面不等式對(duì)選擇波導(dǎo)截面尺寸具有一定意義。例如：波導(dǎo)內(nèi)壁寬邊尺寸為a=24.8cm,其臨界波長(zhǎng)為49.6cm,此波導(dǎo)不能傳輸任何波長(zhǎng)大于49.6cm的波。對(duì)于工作頻率為915MHz的波（λ=32.2cm）,此波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)單一模式（即TE10波）的傳輸，在波長(zhǎng)小于24.8cm時(shí)，此波導(dǎo)中才能激勵(lì)起高次模式。由此可見(jiàn)，波導(dǎo)也具有“濾波器”的作用，它只能傳輸小于截止波長(zhǎng)的微波，利用這一特性，我們可以設(shè)計(jì)出既“敞開(kāi)”又安全的微波設(shè)備。

　　微波在波導(dǎo)中傳輸時(shí)，波長(zhǎng)將發(fā)生增長(zhǎng)現(xiàn)象，我們把波導(dǎo)中的實(shí)際波長(zhǎng)稱(chēng)為波導(dǎo)波長(zhǎng)，并有下式求出:：

　　λg=λ0／１－﹝λ0／λc﹞2 

　　當(dāng)工作于TE10波時(shí) 

　　λg=λ0／１－﹝λ0／２a﹞2

　　1.5駐波

　　在理想的微波傳輸系統(tǒng)中，電磁波只是向一個(gè)方向傳輸而不引起反射，這種波稱(chēng)為行波。然而在實(shí)際傳輸線中總是存在波導(dǎo)彎曲、加工尺寸不均勻、連接處不好以及負(fù)載不完全匹配等因素，這些都會(huì)引起相同頻率、方向相反的反射波。在傳輸線中反射和入射的電磁波，由于相位的關(guān)系，在某些位置上相互抵消，出現(xiàn)了在整數(shù)長(zhǎng)度上周期分布且位置固定不動(dòng)的微波波型，通常稱(chēng)為“駐波”。

　　在微波傳輸系統(tǒng)中，經(jīng)常用駐波比這一概念來(lái)表示傳輸?shù)钠ヅ錉顟B(tài)。

　　φ=EMAX/Emin

　　式中φ 駐波比；

　　E 電場(chǎng)強(qiáng)度

　　駐波比等于大和小電場(chǎng)強(qiáng)度之比。在實(shí)際中，用測(cè)定電壓駐波比來(lái)反映這一量值。φ較大，即反射大，表明微波源與負(fù)載匹配較差。在大功率情況下，如果駐波比太大，在電場(chǎng)強(qiáng)處將發(fā)生打火擊穿現(xiàn)象。在進(jìn)行微波設(shè)備的冷測(cè)時(shí)，要求有盡可能小的駐波比，以免功率過(guò)大，影響微波管的正常工作。理想的匹配狀態(tài)是φ=1，但實(shí)際上是達(dá)不到的，一般負(fù)載φ?1.1，就認(rèn)為是較好的匹配。

　　當(dāng)駐波比為1.5時(shí)，傳輸功率降低4%：；當(dāng)駐波比為2時(shí)，傳輸功率降低11%；當(dāng)駐波比為3時(shí)，傳輸功率降低25%；當(dāng)駐波比為4時(shí)，傳輸功率降低36%。這使微波電源工作不正常，輸出功率和頻率不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生達(dá)火燒壞保險(xiǎn)絲的情況。因此微波加熱器的駐波比好在1.1～3之間。