知识专栏 | 电磁圆形波导

圆形波导是应用比较广泛的一种波导管。圆形波导管具有损耗较小和双极化的特征，可作为双极化天线的馈电，也可用于远距离通信。此外，圆波导段还可以用来制作各种微波谐振腔。

圆形波导的传输特性

和矩形波导一样，圆形波导也不能传输TEM波，只能传播TE波和TM波。由于圆形波导的横截面为圆形，因此它的场分布和矩形波导不同。但在纵向，两种波导的传输特性是类似的，故各种特性参数的表达式相同。圆形波导的波导波长、相速、群速和波阻抗分别为

上面各式中的参量与矩形波导相应参量的物理意义完全相同。与矩形波导不同的是，圆形波导的TE模和TM模下标所代表的内容不同。从场结构上看，两种波形的第一个下标都代表沿半圆周方向的半波数，第二个下标都代表沿半径方向的半波数。虽然上面5个参量的表达式与矩形波导对应的表达式从形式上看是相同的，但圆形波导下标分别相同的两种波形模式的截止波长却不相同，因此对应参量也不相等。

横截面内半径为R的圆形波导TMmn模的截止波长为

式中，R为圆波导的半径，Pmn为m阶贝塞尔函数的第n个根。

TEmn模的截止波长为

式中，P'mn为m阶贝塞尔函数的第n个根。

圆形波导两种波形若干个模式的截止波长表达式如下表所示
 

和矩形波导不同，圆形波导除了应用最低次模以外，还应用高次模。实际工作中常用的模式有TE11、TE01和TM01三个模式。利用这三种模式场结构的特点可以构成有特殊用途的波导元件。
 

圆形波导中的最低次模——TE11（H11）模

TE11模是圆形波导模式中的最低次模，其电磁场结构与矩形波导TE10模的场结构很相似，因此二者之间可以方便的转换。

圆形波导中的TE11模存在极化简并现象，其极化方向在传输过程中会由于边界条件的变化而变化，使传输模式不稳定，因此，虽然圆形波导TE11模是最低次模，但一般都不采用它传输微波功率，实践中，都是采用矩形波导中的TE10模来传输微波功率的。

但在一些特殊情况下却要利用圆形波导TE11模的简并特性，例如，在雷达机中需要传输圆极化波的时候，采用TE11模就很方便；又如，在多路通信收、发公用天线中也采用TE11模的两个不同极化模，以避免收、发之间的耦合。

此外，圆形波导TE11模还可用于铁氧体环形器、极化衰减器和极化变换器之中。
 

用作高Q谐振腔和远距离波导通信的TE01（H01）模

TE01模是圆形波导的高次模，且不存在极化简并现象。随着工作频率的升高，波导管壁的热损耗将单调下降，这与一般波形的衰减特性相反，是TE01模的突出优点。

因此，TE01 模可用于毫米波远距离通信，还能用来构成高Q值的微波谐振腔，。目前，圆形波导TE01模不仅被用于通信干线，而且也被作为电子设备的连接线和雷达天线的馈线。
 

用作旋转连接的TM01（E01）模

TM01模是圆形波导TM型波的最低次模，它的场结构是中心对称的。TM01模圆形波导管壁内表面只有纵向的电流，根据这一特点，TM01模被用作天线扫描装置旋转关节的工作模式。不过，TM01模不是圆形波导的最低次模，使用时必须设法消除最低次模——TE11模。