波导管
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波导管
波导是一种结构，它通过限制能量向一个方向的传输，以最小的能量损失来引导波，例如电磁波或声音。 在没有波导的物理约束的情况下，波强度在扩展到三维空间时根据平方反比定律减小。
针对不同类型的波有不同类型的波导。 最初和最常见的意思是用于传输高频无线电波，特别是微波的中空导电金属管。 电介质波导用于更高的无线电频率，透明电介质波导和光纤用作光的波导。 在声学中，风管和喇叭被用作乐器和扬声器中声音的波导，特殊形状的金属棒在超声波加工中传导超声波。
波导的几何形状反映了它的功能； 除了在一维中引导波的更常见类型之外，还有将波限制在二维范围内的二维平板波导。 传输波的频率也决定了波导的尺寸：每个波导都有一个由其尺寸决定的截止波长，并且不会传导更大波长的波； 导光的光纤不会传输波长大得多的微波。 一些天然存在的结构也可以充当波导。 海洋中的 SOFAR 通道层可以引导鲸鱼的歌声跨越很远的距离。 任何形状的波导横截面都可以支持电磁波。 不规则形状很难分析。 常用的波导有矩形和圆形两种。
使用
波导用于传输信号的用途甚至在该术语被创造之前就已为人所知。 通过拉紧的电线引导声波的现象以及通过洞穴或医用听诊器等中空管道的声音的现象早已为人所知。 波导的其他用途是在无线电、雷达或光学设备等系统组件之间传输功率。 波导管是导波测试 (GWT) 的基本原理，是众多无损评估方法之一。
具体例子：
- 光纤以低衰减和广泛的可用波长范围长距离传输光和信号。
- 在微波炉中，波导将能量从形成波的磁控管传输到烹饪室。
- 在雷达中，波导将射频能量传入和传出天线，其中的阻抗需要匹配以实现高效的功率传输（见下文）。
- 矩形和圆形波导通常用于将抛物面天线的馈电连接到它们的电子设备，无论是低噪声接收器还是功率放大器/发射器。
- 波导管在科学仪器中用于测量材料和物体的光学、声学和弹性特性。 波导可以与样本接触（如在医学超声检查中），在这种情况下，波导确保测试波的功率守恒，或者样本可以放在波导内（如在介电常数测量中 ), 可以检测更小的物体，精度更高。
- 传输线是一种常用的特定类型的波导。
历史
xxx个用于导波的结构由 J. J. Thomson 于 1893 年提出，并于 1894 年由 Oliver Lodge 首次进行实验测试。1897 年，Lord Rayleigh 首次对金属圆柱体中的电磁波进行了数学分析。对于声波，Rayleigh 勋爵 在他的开创性著作“声音理论”中发表了对传播模式的完整数学分析。 Jagadish Chandra Bose 使用波导研究毫米波长，并于 1897 年向伦敦皇家学会描述了他在加尔各答进行的研究。
介质波导（例如光纤，见下文）的研究早在 20 年代就开始了，由几个人发起，其中最著名的是瑞利、索末菲和德拜。 由于光纤对通信行业的重要性，光纤在 1960 年xxx始受到特别关注。
无线电通信的发展最初发生在较低的频率，因为这些频率可以更容易地远距离传播。 长波长使得这些频率不适合用于中空金属波导，因为需要不切实际的大直径管。 因此，对中空金属波导的研究停滞不前，瑞利勋爵的工作一度被遗忘，不得不由其他人重新发现。 贝尔实验室的 George C. Southworth 和麻省理工学院的 Wilmer L. Barrow 在 1930 年代恢复了实际研究。 Southworth 最初是从关于介电棒中的波的论文中获取理论的，因为他不知道 Rayleigh 勋爵的工作。