裂缝波导管通信技术浅析-NB技术

什么是波导？

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）。

1893年J.J.汤姆森第一个提出波导的概念。1894年O.J.洛奇第一个用实

验证明了波导。1897年罗德•瑞利第一个完成了在空心金属圆柱形波导中传播模式的数学分析。(McLachan, 1947.)

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。

在波导通信用于实践方面，与之配套的无线设备必须做专门的设计和配套，对于高带宽、高清视频、高可靠性波导管“三高”应用场合，最典型的就是iMAX-8000W系列波导管专用移动通信系统。

波导管的通信原理

波导管用来传送超高频电磁波，通过它脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地，是一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子；波导管内径的大小因所传输信号的波长而异；多用于厘米波及毫米波的无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。目前常见的有矩形波导管，圆形波导管，半圆形波导管，ku 波导管，雷达波导管和光线波导管。

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。

iMAX-8000W工作频率是5GHz全频段，频率特点决定了与其配套的波导管主要是金属管波导。

场分布

满足波导横截面边界条件的一种可能的场分布称为波导的模式，不同的模式有不同的场结构，它们都满足波导横截面的边界条件，可以独立存在。最常见的场分布是矩形分布和圆分布，以矩形场分布为例：

矩形波导中可以存在无限多个 TMmn 模，波型指数m，n分别表示电磁场沿波导宽边a和窄边b 的驻波最大值的个数，m，n=1，2，… 最简单的是TM11模。同样，还可以存在无限多个 TEmn模，m，n=0，1，2,…但不能同时为零。矩形波导中的最低模式是TE10模，其截止波长最长λC=2a，因此，就有可能在波导中实现单模传输。TE10模又称为矩形波导中的主模，是矩形波导中最重要的波型。实际应用中矩形波导都工作在TE10模。

可见，波导管中能传输的最大波长取决于波导管的尺寸。由于波导管的几何尺寸不能做的过大，所以波长在厘米波段，波导管的应用最广。

波导管的应用

波导管可分为普通波导管和裂缝波导管两种。普通波导管是一种空心的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子，波导管用来传送超高频电磁波，常见横截面形状有矩形和圆形，通过它的脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地。波导管内径的大小因所传输信号的波长而异。波导管在电路中呈现高通滤波器的特性：允许截止频率以上的信号通过，而截止频率以下的信号则被阻止或衰减。

在不同种类的波导管中，裂缝波导管应用最为广泛：

由于铜价高昂，铝相对较便宜，且易于加工和运输，所以目前裂缝波导管

的材料以铝合金为最多，与iMAX无线系统配合使用最多的是矩形铝合金波导管。

目前，波导管应用最多的是地铁的通信与控制系统。与国家高速铁路信号

系统车地无线信号双向传输采用 GSM-R 模式不同，在地铁信号中，多采用定向天线、漏滞电缆和裂缝波导管模式三种模式中，裂缝波导管模式因其传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强得到较广泛应用。

随着我国城市化的发展，城市的人口逐渐增多、出行压力逐渐增大。在这种情况下，地铁成为了人们日常出行非常重要的一种方式，并因此带动了很多城市地铁工程的建设。在地铁无线通信技术不断应用、发展的情况下，波导管是非常重要的信号传输设备，需要我们通过对该设备的良好运用更好的实现地铁的高效、稳定运行。

在地铁运行中，信号系统可以说是保障地铁安全、稳定运行的重要保障，要在实际工程建设中能够充分联系实际，通过对波导管技术的良好应用，在保证数据传输具有良好效率、质量以及抗干扰能力的同时实现列车的安全运行。

在实际将其应用在无线数据传输任务时，不但具有着较高的可靠性以及较低的损耗，且能够具有着非常高的抗干扰性。在实际应用中，可以通过在波导管设备附近安装无线接收器对其裂缝辐射信号进行接收，并在一定处理之后使其能够获得