導波管とモードについて

質問

電磁波理論を勉強しています。

導波管は一般的に最低次のモード(TE01)のみを通過させるように設計されている、と参考書に載っていたのですが、複数のモードを通す導波管では何か不都合が起こるのでしょうか？

また、TE01のみを通過させる導波管に高次のモードの電磁波を入射させるとTE01モードに変化して伝搬することになるのでしょうか？

回答No.1

gura_ · ベストアンサー

>>複数のモードを通す導波管では何か不都合が起こるのでしょうか？

　複数のモードで伝播できると、設計が難しくなるためです。

　例えば、導波管のサイズを変えて、考えているモードで伝播しないようにしても、他のモードで伝播できると、結果として伝播を阻止出来なくなったりします。
　これを避けるためには、伝播可能なすべてのモードについて、その電磁波の振る舞いを検討し、どのように伝播するかを調べなければならない訳です。

>>TE01のみを通過させる導波管に高次のモードの電磁波を入射させるとTE01モードに変化して伝搬することになるのでしょうか？

　表現のニアンスが少し違います。
　「ある周波数の電磁波を、高次モードで伝播してきた導波管から、TE01のみを通過させる導波管に入射させ、TE01モードで伝播させた」のような表現になります。
　この場合、高次モードで伝播出来る「大きな導波管」を、TE01モードでしか伝播しない「小さな導波管」に伝播するように接続したことになります。

　例えて言えば、「２列とか３列で横に広がっていた人の列が、狭い道に来たので、一列になって(モードが限定されて)歩いていく」ようなイメージです。

　あくまでも、「高次のモードの電磁波」があるのではなく、「電磁波」があって、それがそれぞれの場所で伝播可能なモードで伝播する訳です。

お礼

分かりやすい解説ありがとうございます。
かなりイメージがわいてきましたがちょっと気になったので質問させてください。

「大きな導波管」の場合、実際に伝播するモードは伝播可能な複数のモードのうち１つを選んで伝播する、でいいでしょうか？そうするとその１つのモードはどのように決定されるのでしょうか？また、「２列とか３列から１列になる」際、列が消える（電力が減る）のではなくて１列に並びかえる（電力は保存される）ということでしょうか？

質問ばかりですみません

回答No.2

gura_

>>複数のモードのうち１つを選んで伝播する、でいいでしょうか？

　いいえ、一般的には、可能な複数のモードで伝播し、全エネルギーは変わらない（電力は保存される）ということです。

　エネルギーの配分比率は、その構成条件により決まります。
　つまり導波管の構造を決めたり、変更したときに、実はその比率を決めてしまっていることになります。

　例えば、断面が正方形で、TE01のモードが伝播させる導波管の場合は、TE10モードも同様に伝播可能ですが、不連続などのモード変換が起こる状況を作らなければ、TE01のモードで励振された電磁波は、TE01のモードだけで伝播してゆきます。

　この導波管の途中に、凹凸を付けて、モード変換可能な状況を作れば、その状況に応じて、TE01のモードで励振された電磁波でも、その一部はTE10モードで伝播してゆきます。
　もちろん、全部TE10モードで伝播するようにすることも可能ではあります。

　この場合のように、伝播可能な複数のモードがあると、全モードに目を光らせておかないと特性が限定できないということになり、TE01モードだけに限定した場合の複数倍以上の労力が必要になります。

お礼

ありがとうございました。