导波简介知识讲解
第八章导波
现在我们用分离变量法首先解(8-2-2a)。令
Ex = Ex ( x, y, z ) = X ( x )Y ( y ) Z ( z )
如同 7-2 节，我们有
d2 X + k x2 X = 0 2 dx d 2Y 2 + ky Y =0 dy 2 d2 Z + k z2 Z = 0 dz 2
式中 k x2 + k y2 + k z2 = k 2 。由于电磁波沿正 z 轴方向传播，且波导管四壁为理想导体， 上 面微分方程的解的形式为：
y y=b
o
x x=a
z
图 8-2-1 宽为a、高为 b 的矩形波导管
8-2-1 场分布 在我们这里的讨论中，我们假定波导管的四壁为理想导体，其中的介质为理想 介质(σ = 0, ρf = 0)，电磁波沿 z 轴方向传播。波导管中，电磁场的解属于时变电磁场 边值问题。因此，方程(7-1-3)成为：
∇2 E + k 2 E = 0 ∇i E = 0
∂Ex ∂E y ∂Ez ∂Ez + + = =0 ∂x ∂y ∂z ∂z
将其写成一般形式
∂En =0 ∂n
(8-1-2)
பைடு நூலகம்
式中 n 为理想导体表面法向方向。此式说明，电场法向分量的法向偏导数为零。式 (8-2-1)和(8-2-2)即为理想导体的边界条件。
2
第八章 导行电磁波
8-2 矩形波导
矩形波导管是一个宽 a 高为 b，a ≥ b，的中空矩形金属导管。一般我们取矩 形波导管横断面为平面，如图 8-2-1 所示。
1
事实上，双导线(或平行板)、同轴线、矩形波导、园波导、带状线、微带线、介质 波导都属于导波系统。一般我们又将其归为传输线。 双导线是由两根具有一定半径的导线构成；平行板传输线是由两平行金属板构成； 同轴线是由外包金属和一根导线同轴构成，其间充有介质 (也可不充)； 矩形波导管是 一矩形金属管；园波导是一金属园管；带状线是由三条平行金属板构成； 微带线由金 属底板、介质层和金属带构成；介质波导是一介质棍(如常见的光纤)。这些传输线因特 性不同而用于不同场合。例如双导线适合于传输 100 Mz 以下的电磁波，而光纤用于传 输光波。
高频导波技术介绍及应用
高频导波技术介绍及应用高频导波技术是一种用于高频电磁波传输的技术，通过在导体中传输电磁信号，将信号从一个地方传送到另一个地方。
它在现代通信、雷达、无线电广播和无线电频谱管理等领域中得到广泛应用。
高频导波技术包括微波导和光纤传输两种形式。
微波导是一种用金属材料制成的管道或导波结构，常用于高频通信和雷达系统中。
光纤传输则是利用光纤的全内反射原理，将光信号通过光纤传输，广泛应用于通信、数据传输等领域。
高频导波技术具有以下几个特点：1. 高带宽：高频导波技术可以传输更高频率的电磁波，因此可以实现更高的数据传输速率。
2. 低信号衰减：相比于传统的导线传输，高频导波技术在电磁波传输中的信号衰减更低，能够在较长距离内传输清晰的信号。
3. 抗干扰性强：高频导波技术具有抗干扰性强的特点，能够在复杂的电磁环境中稳定传输信号。
4. 体积小、重量轻：高频导波技术的器件相对较小且重量轻，方便集成在各种设备中应用。
高频导波技术在通信、雷达和无线电广播等领域中有广泛的应用。
以下是几个典型的应用：1. 高速通信：高频导波技术被广泛应用于高速通信领域，例如无线通信、卫星通信和雷达系统等。
比如，在移动通信领域，微波导和光纤传输技术被用于实现高速无线数据传输，提供更快的网络连接和更稳定的信号传输。
2. 数据中心：在现代的数据中心中，高频导波技术被广泛用于电信主干网络和数据传输链路。
光纤传输技术可以实现高速、高容量的数据传输，提供更大的数据带宽和更快的响应速度。
3. 卫星通信：卫星通信系统中，高频导波技术被用于卫星发射和接收站之间的数据传输。
微波导和光纤传输技术能够稳定传输卫星信号，实现卫星通信的长距离传输。
4. 无线电频谱管理：高频导波技术在无线电频谱管理中起到了关键的作用。
通过使用高频导波技术，可以有效地管理和分配无线电频谱资源，提高频谱利用率和管理效率。
在工业、科研和医疗领域中，高频导波技术也有广泛的应用。
比如在工业领域，高频导波技术被用于无线传感器网络、工业自动化控制系统等；在科研领域，高频导波技术被用于天文观测、粒子加速器等；在医疗领域，高频导波技术被用于医学影像诊断、微波治疗等。
导行波知识点总结
导行波知识点总结导行波有许多重要的特性，对于理解和应用电磁波技术有着重要的意义。
本文将从导行波的基本原理、传播特性、数学描述、应用领域等方面进行综合性的介绍和总结。
一、导行波的基本原理导行波的产生源自于麦克斯韦方程组以及导体内外电磁场的耦合作用。
在导体中，电场和磁场会相互作用，这种相互作用会在导体中形成一种波动模式，即导行波。
导行波的产生可以通过沿导体传播的电磁波传播模式来描述。
在导体中，电场和磁场会随着时间和空间的变化而变化，从而形成了一个在导体中传播的波动。
二、导行波的传播特性导行波具有许多独特的传播特性，这些特性对于导行波的理解和应用有着重要的意义。
1. 波长和频率导行波的波长和频率与自由空间中的电磁波是不同的。
在导体中，导行波的波长和频率会受到导体的电导率、磁导率、介质常数等因素的影响，因此在不同的导体中，导行波的波长和频率也会有所不同。
2. 衰减和色散由于导体的电导率、磁导率等因素的存在，导行波在传播过程中会发生衰减和色散。
衰减是指导行波在传播过程中能量的逐渐损失，色散是指不同频率的导行波在传播过程中会有不同的传播速度。
这些特性会对导行波的应用产生影响。
3. 反射和折射与自由空间中的电磁波不同，导行波在与导体表面或界面接触时会发生反射和折射。
这些现象会导致在导体中形成不同的波模式，从而产生一些特殊的传播特性。
三、导行波的数学描述导行波的数学描述是对导行波传播特性的理论分析，可以通过麦克斯韦方程组和导体中的电磁场的耦合作用来进行描述。
在数学上，导行波的传播特性可以通过电磁场的波动模式来描述，这些描述可以通过波动方程、麦克斯韦方程组等方程来进行表达，从而对导行波的传播特性进行分析和理解。
四、导行波的应用领域在实际的工程技术应用中，导行波有着广泛的应用领域，主要包括以下几个方面：1. 通信系统导行波可以用来传输信号、数据或能量，因此在通信系统中有着重要的应用。
例如，在传统的电力线载波通信系统中，导行波可以用来在电力线上传输信号和数据。
超声导波简介
超声导波技术超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术（又称长距离超声遥探法）主要用于在线管道检测，包括低碳钢、奥氏体不锈钢、二重不锈钢等材料的无缝管、纵焊管、螺旋焊管。
可应用于油气管网（如天燃气管道、炼油厂火焰加热器中的垂直管路、带岩棉保温介质和漆层的架空液化气管道）及石油化工厂中的管网（如无保温层的输送CO与H合成类的淤浆管道、石油化工厂的交叉管路），码头管线、管区的连接管网，海上石油管网/导管，水下管道、电厂管网，结构管系，穿路/过堤管道、复杂或抬高管网，保温层下管道（例如带有保温层的氨水管道）、带有套管的管道，以及带有保护层的管道。
超声导波检测技术能检出管道内外部腐蚀或冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷、疲劳裂纹等缺陷。
最新的利用磁致伸缩换能器的超声导波检测已能应用于非铁磁性材料和非金属材料，除了管道检测还能用于棒材、钢索、电缆以及板盘件的检测。
超声导波检测的优点是能传播长距离而衰减很小，在一个位置固定脉冲回波列阵就可一次性对管壁进行长距离大范围的100%快速检测（100%覆盖管道壁厚），检测过程简单，不需要耦合剂，工作温度可达到零下40摄氏度到938摄氏度的高温范围，只需要剥离一小块防腐层以放置探头环即可进行检测，特别是对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测更具有独特的优势。
下图示出管道腐蚀的常规检测与长距离超声导波检测的方法原理示意图。
常规差评声波检测是在经过表面清理的管道外面逐点扫查或抽检进行超声测厚，而超声导波检测是以探头环位置发射低频导波沿管线向远处传播，甚至在保温层下面传播，一次就能在一定范围内100%覆盖长距离的管壁进行测量，反射回波经探头被仪器接收，并以此评价管道的腐蚀状况，架设在一个探头位置的探头列阵可向两侧长距离的发射导波和接收回波信号，从而可对探头套环两侧的长距离管壁作100%的检测，从而达到更长的检测距离，目前已经能用应用于直径1.5~80英寸的管道现场检测，理想状态下可以沿管壁单方向传播最长达200米。
导行电磁波!
cTE10 2a cTE 01 2b cTE 20 a
对于一般的波导，选取a2b
cTE 01 cTE 20
传输特点 kc2 k 2 k z2
k 2 fc kz k 1 f jk
fc 1 , f fc 1, f
4，由于m 及 n 为多值，因此场结构均具有多种模式。 m 及
n 的每一种组合构成一种模式，以TMmn表示。 例如 TM11表示 m = 1, n = 1 的场结构，具有这种场结构的波称为TM11波。
5，数值大的
模。
m 及 n 模式称为高次模，数值小的称为低次
矩形波导中TM波的最低模式是TM11波。Dominant mode
k k k
2 c 2
2 z
说明：
1、均匀导波系统中，可用两个纵向场分量Ez和Hz表示其余的 横向场分量Ex、Ey、Hx、Hy。 2、对于正弦电磁波，其满足的波动方程为亥姆霍兹方程，即
Ek E 0
2 2
H k H 0
2 2
两个纵向场分量Ez和Hz可由亥姆霍兹方程及边界条件确定。
二. 矩形波导中电磁波的传播特性
截止传播常数kc 和截止频率 fc
kc2 k 2 k z2 k z2 k 2 kc2
kc 称为截止传播常数
Cutoff frequency
k kc 时 k z 0
2 2
Cutoff Propagation constant
2 2 kc2 k x2 k y kc mπ kx a nπ ky b kc 1 fc 2π 2
方程的通解 (Solution of equation) 采用分离变量法 (Method of separation of variables)
导波检测
高频导波检测介绍一、检测原理导波是超声波的一类特殊应用，主要利用波长与声波角度、工件厚度的特殊关系，由多个不同类型的波组成波群，此波群中包括爬波、纵波、横波等，以及各波形在工件表面反射时相互转换所产生的变型波。
爬波系超声波以纵波临界角入射时所产生的一种波式，或称之为沿着次表面行进的纵波，不受表面污垢或耦合剂的影响。
单就爬波而言，无法满足无应力表面之边界条件，换言之，必同时存在其它的波式始能满足边界条件，因此当爬波前进时，会连续泄漏能量转换为横波，此称为头波。
图1 探头在临界角时所产生的爬波和头波示意图，由限定尺寸的探头所产生。
(C)为爬波，(H)为头波，(P)为纵波，(S)为横波由图1可以看到，导波波群中包括有爬波、头波、纵波、横波等多种型式的波形，由于头波和爬波的伴生关系，二者在工件内部共同存在。
由发射探头所送出之声波脉冲引起爬波之生成，爬波遂沿着表面前进，同时沿途泄漏出能量转换成头波；接收端接收到一连串的脉冲信号。
图2 导波信号中所包含的信号如图2所示，第一个信号系由原始爬波直接到达接收端，紧接着的信号是头波经过一个跨距后续以爬波的形式到达接收端，接下来是头波经过两个跨距后续以爬波的形式到达接收端，依序得到各个信号；对于信号群前面部份出现较密集的现象所提出的解释是，因探头除了产生爬波之外，亦含有其它的波型式，这些波型式复合在爬波的信号之中。
第一次爬波/头波叠加在一起仍一般相当微弱，然而显得大的波大多是直接到达接收探头，在信号的前半部分第一次爬波/头波与第一次少数头波/爬波叠加，信号的峰值比较紧密(图2)。
由于头波是非扩散的波阵面，因此头波传播时衰减比较小在信号的后半部分的显示信号比较高。
因此对于远距离检测时，主要利用头波型式对缺陷进行识别，且由于头波路径具有一定的角度，因此对工件表面裂纹、腐蚀等缺陷都有比较好的检测效果。
导波信号在工件中也会存在衰减，主要受距离、表面形状、材料晶粒度的影响较大，其受距离影响与普通超声波原理类似，由于波束的扩散会损失部分声能量，波群中的各波形之间的转换也会损失部分能量；其次，由于波群中的一些波的信号多次在工件表面反射，工件表面的耦合状况和平整度也会损失部分声能量；第三，材料晶粒也会由于漫反射而损失部分声能量。
导波检测技术介绍
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导波检测的优越性
1. 只要在管道上某一段部位（约0.5米长）安 装探头卡环，便可对卡环两侧各数十米长度 的管道进行100%的快速检测。
2. 可以检测空中和水下管道而无需在空中或水 下作业 。
3. 可以检测被保温或绝热材料包覆的管道，除 安放探头的位置外，无需破坏包覆层。
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检测设备与检测软件
导波检测设备主要由计算机处理单元、导波 收发装置、探头组模块三大部分及其它辅助 工具组成。
计算机 处理单元
便携式PC (笔记本电脑)
导波收发装置
导波检测仪
探头组模块
卡环及探头
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以下为导波卡环
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导波检测的实际应用
导波检测的应用目的是对管道进行100%的快速 检测，发现管道截面上的金属缺损。但导波检测 不能对缺陷准确定位、定量、定性，因此对于导 波检测发现的异常部位还需辅以常规检测。
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在导波检测图上，一般有以下几种特征反射波： 焊缝； 法兰； 焊接件(支撑、接管等)； 腐蚀坑； 其它缺陷(损伤、裂纹等)。 通过对导波检测图中各种反射波的识别，来判定
-10.0
0.0
10.0
20.0
Distance (m)
管道腐蚀与导波检测扫查图
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在一张导波检测扫查图上涉及到的缺陷信息主要 有以下几点：
1. 缺陷的性质，扫查图的波形特征包括焊缝、支撑、 缺陷、腐蚀、端面以及其它焊接附件等
2. 缺陷的大小，在图中以ECL来表示； 3. 缺陷的位置及集中程度等。 导波检测的原理和方法均不同于常规检测方法，
导波课件
3.6 有限电导率平面的反射
对有耗介质进行研究所得的理论也可以应用在有限电导率平面上的反射
对于微波波段所用的金属，导电电流远大于位移 电流，因此金属内磁场的旋度方程可表示如下：
于是传播常数就变为：
令平行偏振波以 入射角射于金属板上，如左上图所示，金属的电常数假定 为 。用上节的分析方法，可以得到沿u方向，金属的波阻抗为：
当 逼近无限大时， 逼近于零，金属相当于理想的短路，同时衰减常数逼近于无 限大，因此对理想导体而言，电磁场不能透入金属内，而只存在于金属的表面上。
高频条件下或者理想导体表面， 导体中的电流绝大部分集中在导 体的表面上，这种现象成为趋肤 效应，在无线电装置中，完成电 磁屏蔽作用的屏蔽罩就是根据这 一效应设计的。趋肤效应还可被 用于金属表面的热处理。
对于m=1,处在特殊入射角时，介质片的厚度等于介质内所量得的半波长。 对于平行偏振入射波的分析可用上述类似方法，介质阻抗需换成平行偏振波的归一化波阻抗。 平行偏振波的电场和磁场可利用1.7节中巴俾涅原理的变换所得到。 从而得到平行偏振波归一化波阻抗和空气交界面的反射系数：
对于某个 值， 等于1，反射系数变为零，令这个特殊的值为 ，即得到布儒斯特角， 当入射角为这个角时，波发生全透射。但是需要注意，垂直偏振波没有相似的全透射现象。
用波导纳的特殊意义，引入传输线的等效电压和电流，把单轴 各向异性介质面等效成传输线电路求解，从而得到无反射的布儒 斯特角条件。
各场可从赫兹势求得，当z=0交界面上正切 分量连续时，得到各场分量的表达式如下：
满足
3.8 铁氧体媒质内的横电磁波
铁氧体的定义及性质： 铁氧体是由以三价铁离子作为主要正离子成分的若干种氧化物组 成的并呈现亚铁磁性或反铁磁性的金属氧化物材料。铁氧体的电阻率 比金属、合金磁性材料大得多，有较高的介电性能（5到25之间），相 对导磁率达几千。铁氧体有硬磁、软磁、矩磁、旋磁和压磁五类，生 产过程和外观类似陶瓷，因而也称为磁性瓷。 铁氧体的磁性主要是由组成原子的电子自旋引起的磁矩所致。通常 电子磁矩是由电子的自旋磁矩和轨道磁矩组成，而电子的轨道磁矩远 大于电子的自旋磁矩，所以只考虑自旋磁矩对铁氧体磁性的影响。 铁氧体在微波频率具有磁导率的张量性质、铁磁共振性质、法拉第 旋转效应（不可互易的效应）、高功率现象等性质。铁磁体的一系列 性质使其适合于制作高频电磁器件，例如隔离器、环形器、移相器、 倍频器、变压器滤波器天线等的磁芯等等，应用十分广泛。
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• 第三代技术问世于2005 年，相关产品在世 界范围内销售
导波应用的核心技术
• 单一模式的激发 • 传播方向的控制 • 来自对称和非对称结构特征的反射信号的区别
我们采用两种模式的导波
扭曲波
(管道的扭曲)
纵向波
(对管道进行压缩和伸展)
内空的管道
扭曲模式
轴对称性
用黑色和红色显示
• 黑色曲线代表轴对称反射波 • 红色曲线代表非轴对称反射波
一个非对称
一个对称的焊缝
的缺陷
-F-F43
-F2
-F1
+F1 +F2 +F3 +F4
3.0
Amp (mV)
2.0
1.0
-10.0
-5.0
0.0
Distance (m)
5.0
#12403
红线和黑线的比例 依赖于特征结构的圆周程度
导波简介
导波是沿着，而不是透过， 被测结构进行传播
T传ran感s du器ce r
常C规on超ven声tio检nal测
Structure
Reg被ion检of s测truc的ture区in域spected
T传ran感s du器ce r
G导uid波ed检wa测ves
Structure
R被egi检on o测f st的ruc区ture域inspected
很高 • 仅能在较窄的频率范围内使用 • 探测环必须安放在离法兰一米外
位置上使用
• 易于发现小口径管道上纵向焊接 的支撑物上的缺陷
系统组成
固定探测环
• 应用于2”-8”口径的管道
• 所有探测环都带有可被软件 识别的唯一的系列码
• 可在温度高达120ºC的管道 上进行检测
• 传感器内置弹簧，紧密固定 于管道上
• 探测环周围需要清理3英寸 表面
柔韧探测环
• 应用于6”-36” 口径的管道
• 探测环可以并联在一起用来检测更 大口径的管道
• 所有探测环都带有可被软件识别的 唯一的系列码
• 可在温度达70ºC的管道上进行检测*
• 用打气筒对探测环充气(25 p.s.i) ， 使传感器接触到管道表面
• 传感器组件可在不同探测环之间进 行快速更换 (少于30分钟)
– 即使在低频范围也对 小缺陷敏感
– 点检测
– 快速筛选检查
导波技术发展过程
导波
• 导波技术用于无损检测始于20-30年前 • 1987年英国帝国大学开始研究导波技术 • 第一代技术于1998年获得商业应用许可 • 1998-2000年进行第二代技术的开发 • 在1999年导波技术的专利所有人创建了英
• 传播范围是有限的
Amp (mV)
0.6
0.4
0.2
0.0 0.0
-F1
-F2
-F3
-F4
-F5
5.0
10.0
15.0
20.0
Distance (m)
距离强度校正曲线（ DAC ）
• 在数据图上DAC曲线用虚线表示 • DAC 曲线给出某种大小的特征结构相对
反射强度 • 多达4种不同DAC 曲线可被显示
当结构特征
1
位于圆周上 强
度
较小范围内 比
红=黑
0 00
圆周程度 (%)
红 << 黑
应用领域
• 快速，完全覆盖整个管道的筛查 • 特别在难于接近的管道检测中具有明显的
成本优势
– 集管架 – 隔离层下的腐蚀检测 – 带套管的穿路管道 – 穿墙管道
• 可以检测裂缝和金属损失 (大于横截面积 2%)
集管架
通常支管架都是易于检测的， 可与获得很长的检测范围。
隔离层防护的管道
测试过程中仅需 要去除小部分的 隔离材料
带有套管的穿路管道
被剥去涂层的套管
测试仅仅需要从入 地、出地口进行
管道发生严重腐蚀的部分
穿墙管道
测试仅仅需要 从入墙口进行
高架管线
测试仅需要有限的 接近，能减少搭制 脚手架的需要
采用Wavemaker管道筛检系统 进行管道探测
管道横截面积上的任何变化 都会产生导波的反射
• 信号强度取决于横截面积的变化
灰色区域表示横截面积
例如
入射波 (100% 能量)
反射波
(20% 能量)
前行波
(80% 能量)
使信号强度衰减的因素
• 远距离特征结构的反射强度会比近距离特征结 构的反射信号小
管壁成为超声波的向导，引导 其沿着管道纵向传播下去
从一个特征点的反射
(例如腐蚀)
T 传ra n 感sd 器u ce r
S tru ctu re
当导波遇到管道横截面的改变， 会向传感器发射一个反射信号
常规超声检测与导波技术的对比
• 常规超声检测
• 导波技术
– 高频
– 低频
– 波长短
– 波长长
– 在高频范围对小缺陷 敏感
• 探测环周围需要清理2英寸表面
*更高温度管道可在某些预处理条件下进行操作
Wavemaker G3系统
• 高输出、高信噪比、良好 的信号过滤，可保证仪器在 恶劣环境下工作
• 采用多通道探测环保证测 试快速进行，并可进行不同 测试环的多种组合
• 仪器本身具有独立测试能 力和多种诊断参照，保证操 作人员的高效、快速检测
检测能力
• 在测试范围内，管道能够被100%检测 • 提供特征结构的位置和相对尺寸的信息 • 可以在不停工情况下进行在线检测 • 对管道上任何位置缺陷都具有相同的灵敏度
( 法兰, 焊缝, 警戒线, 噪音线 )
结构特征的分类: 对称还是非对称?
对称反射
• 在传播过程中导波是对称的 • 当遇到一个对称的特征结构时，将产生
一个对称的反射波
管道
对称反射
非对称反射
• 非对称结构特征的反射信号
– 将产生一些非对称反射波 – 这被称作 ‘模式转换’ 信号 – 在测试结果中可被检测，并用红色表示
WaveproTM 软件
• 独立研发并受专利保护的操作系统，内含有英 国帝国大学开发的DisperseTM 软件。 • 可在任何装有Windows®系统的微机上操作， 使用鼠标的指向和点击功能
• 操作系统自动识别和存储操作人员、测试设置 、探测环和仪器等信息，内含GPS可记录测试 的精确位置
• 在数据解读上提供强有力的分析工具
纵向模式
内载液体的管道
扭曲波
纵向波
两种模式的操作区别
扭曲模式
• 液体内容物影响小 • 需要两排传感器进行测量 • 对纵向较深的裂缝和横截面
积损失灵敏度高 • 可以在较宽频率范围内使用 • 可以将探测环安装在离法兰
很近位置进行测试
• 难以发现小口径管道上纵向 焊接的支撑物上的缺陷
纵向模式
• 在装满液体的管道上难以使用 • 需要四排传感器进行测量 • 对管道上横截面积的损失灵敏度