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，已不能運用普通導線電路的形式與概念，而要運用超高頻中“電磁場”的概念來解釋。微波是一種超高頻電磁波。電磁波以交變的電場和磁場相互感應的形式傳輸，也就是伴隨著電能和磁能的相互轉換而傳輸。下面詳細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，按我們的路線傳輸呢？實踐證明，是*可以的。 在電磁波傳導技術中，對于不同波長的電磁波，應采用不同形式的傳導形式。在米波波段，可以用雙導線傳導能量。當頻率提高到分米波波段時，雙導線已不再適用，因為電磁場會沿著雙導線向空間輻射，造成很大的功率損失。此時，通常采用同軸線。這樣以來，電磁場就被屏蔽于內(nèi)外導體之間。當頻率繼續(xù)提高到厘米波段時，沿同軸線內(nèi)導體表面的電流將產(chǎn)生較大的功率損耗，支撐內(nèi)導體的介質(zhì)的熱損耗也不容忽視。同時，隨著波長的減小，同軸線允許傳導的微波功率就要隨著波長的縮短而下降。因此，在厘米波段一般不用同軸線傳輸較大的功率。此時，同軸線被波導所代替。波導是圓形或矩形截面的金屬管，電磁波在波導內(nèi)傳輸，若波導尺寸、內(nèi)表面光潔度符合質(zhì)量要求，則功率的損耗是很小的，因此波導就成為厘米波段傳輸大功率的“電路”了。在微波加熱與干燥設備中波導被廣泛采用。磁控管中產(chǎn)生的微波能通過波導管進入微波加熱器（微波腔）中。波導管由能反射微波材料制成（例如前面所述的導體），理論上波導管能*匹配的直接把微波傳送到微波腔，而且，在微波設備中，有時波導本身就是加熱器。

　　1.2微波的場強分布及波型

　　為了對微波的電磁場進行直觀描述，物理學的前輩假想出了很形象、直觀的電力線和磁力線。微波電磁場分布的形式就是電力線和磁力線的結構形式，在傳輸和工作中可將微波按這種結構形式劃分為許多確定的波型，也稱“模式”。

　　在波導中，電場分布在矩形波導的橫截面上，而電場的縱向分量為零，這種電場相應的波型稱為橫電波，記作TE波。同樣，磁場只有橫向分量的相應波型稱為橫磁波，記作TM波

　　另外，根據(jù)在波導寬邊和窄邊上電場強度和磁場強度出現(xiàn)大值的個數(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)。

　　在矩形波導傳輸?shù)脑S多波形中，簡單、有用的波形是TE10波。通過繪制TE10波場結構及電場強度分布曲線，可以看出，在波導寬邊電場強度出現(xiàn)一個大值，即m=1。而在波導窄邊上，電場強度分量為零，即n=0，因此，稱為TE10波，其它波形依此類推。

　　1.3波導上高頻電流的分布

　　微波在波導內(nèi)傳輸，在波導內(nèi)壁表面上會感應出高頻交變的高頻電流，其大小和流動方向隨著磁場強弱和方向的改變而改變。

　　以TE10波為例：

　　假如我們沿波導寬邊中心線（a/2處）開一適當寬度的槽縫，或在波導窄邊開一些長方形的小縫，都不會影響微波場的分布，微波功率的泄漏也很小。在微波加熱設備中，常利用微波場的這一分布特性來進行以下工作：A、用縫槽切斷壁表面電流通路，引起波導內(nèi)能量向外輻射，以達到微波能量的耦合或激勵功能。B、常用A所提到的辦法使被加熱物品通過槽縫進行處理，此時，槽縫開位于電場強處，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通風。為了便于開槽波導的加工，也可以將波導制成二塊，然后合并加工。合適的開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，在設計微波系統(tǒng)的器件互接時應注意其嚴密性，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

　　對于一定尺寸的波導，不是任意波長的電磁波和任意波形都能傳播的，電磁波在波導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⒉úㄩLλ必須小于波導的臨界波長λc，大于臨界波長的波不能在波導內(nèi)傳播。這就是為什么波導只適用于微波波段而不適用于高頻或低頻的道理。因為在高頻時，波導尺寸非常之大，以致失去了其實用意義。

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

　　式中 a-----波導寬邊內(nèi)壁尺寸

　　b---- 波導窄邊內(nèi)壁尺寸

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

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

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

　　微波在波導中傳輸時，波長將發(fā)生增長現(xiàn)象，我們把波導中的實際波長稱為波導波長，并有下式求出:：

　　λg=λ0／１－﹝λ0／λc﹞2 

　　當工作于TE10波時 

　　λg=λ0／１－﹝λ0／２a﹞2

　　1.5駐波

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

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

　　φ=EMAX/Emin

　　式中φ 駐波比；

　　E 電場強度

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

　　當駐波比為1.5時，傳輸功率降低4%：；當駐波比為2時，傳輸功率降低11%；當駐波比為3時，傳輸功率降低25%；當駐波比為4時，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)生達火燒壞保險絲的情況。因此微波加熱器的駐波比在1.1～3之間。