天线学习笔记——波导中微波模式的理解（TE/TM/TEM）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了天线学习笔记——波导中微波模式的理解（TE/TM/TEM）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

三种模式的解释

TE/TM/TEM中的“T”是指Transverse的缩写，本意是“横向”，在微波模式中指的是“与传输方向相垂直的方向”，比如说：在三维笛卡尔直角坐标系中波导中的电磁波传输方向是沿着z轴，则把x方向和y方向称为横向。
模式：在没有激励源条件下的Maxwell方程的解。

TE模式表示：所有电场分量均与传输方向垂直，即传输方向上没有电场分量；
TM模式表示：所有磁场分量均与传输方向垂直，即传输方向上没有磁场分量。
TEM模式表示：电场、磁场分量均与传输方向垂直。

TEM波也就是横波，电场E、磁场H与传播方向k三者相互垂直，其他方向没有分量，但有的在波传播方向k上由H波或E波，这就产生了所谓的TE波或者TM波。
下面的这个图片可以很清楚的解释着三种模式：

天线学习笔记——波导中微波模式的理解（TE/TM/TEM）
沿一定途径(比如说波导)传播的电磁波为导行电磁波。根据麦克斯韦方程,导行电磁波在传播方向上一般是有E和H分量的。

光的传播形态分类:根据传播方向上有无电场分量或磁场分量,可分为如下三类,任何光都可以这三种波的合成形式表示出来。

1、TEM波:在传播方向上没有电场和磁场分量,称为横电磁波。若激光在谐振腔中的传播方向为z方向,那么激光的电场和磁场将没有z方向的分量!实际的激光模式是准TEM模,即允许Ez、Hz分量的存在,但它们必须<<横向分量,因为较大的Ez意味着波矢方向偏离光轴较大,容易溢出腔外,所以损耗大,难于形成振荡。

2、TE波(即s波):在传播方向上有磁场分量但无电场分量,称为横电波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Ey, Hx, Hz,传播方向为z方向。

3、TM波(即p波):在传播方向上有电场分量而无磁场分量,称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中,电磁场分量有Hy, Ex, Ez,传播方向为z方向。

三者可以这样记忆:横电磁波就是电和磁都是横着的；横电波只有电场是横的，所以磁场沿着波的传播方向；横磁波就只有磁场是横的，所以电场沿着传播方向。

微波工程、电磁场理论等课程中有关于TEM、TE、TM模的更为详细的描述。这里会存在一个疑问:不是说电场和磁场以及传播方向都正交相互垂直吗?那为啥会出现不相互垂直的TE/TM波，原因就在于,在介质中传播特别是折射后,产生了折射,原因在于介质,由于存在非正交分量,其实可能是导致介质损耗的原因所在!

由于波在介质中的传播是一个时间过程,所以必须考虑波在空间中分布的一些时间性的特性。首先是相位的概念。由于波动是一种周期现象,因此在某一个时刻振子处于一个周期的什么位置是非常重要的物理特征,这种位置就叫做相位。其次在波的空间分布中由相位相同的各点组成的一个几何面,称为波阵面(简称波面)。波阵面的概念在应用波动图象来分析波动现象时是非常关键的。波面的形状和波源与介质的分布性质密切相关。最简单的两种情形是:在各向同性的介质中,从点波源发出的波的波阵面是一簇同心球面,称为球面波;从平面状波源发出的波的波阵面是一簇平行平面,称为平面波。

波导及波导分类

下图就是一个TEM模式的电场和磁场传播方向

天线学习笔记——波导中微波模式的理解（TE/TM/TEM）
在波导理论中，能够传输TEM模式的波导，其横截面结构需能支持稳定静电场存在。故，单导体空心金属波导无法传输TEM模式。

波导分类： 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。天线学习笔记——波导中微波模式的理解（TE/TM/TEM）
表面波波导的特征是在边界外有电磁场的存在。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，除具有良好的传输性外，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。