问答题 光纤中和金属圆波导的场结构和波型都是由解波动方程得到的,试比较两者的异同点。
【正确答案】相同点:
   (1)用波动理论分析光纤,基本思路大体上与分析圆柱形金属波导相同,即利用边界条件,求解波动方程的解,然后求出特征方程,分析研究各种模式的传输条件和截止条件。
   (2)求解波动方程的方法和步骤与金属圆波导的做法相同,即采用三分离(时空分离、纵横分离与变量分离)先求出场的纵向分量;然后利用横向分量与纵向分量的关系(此关系由Maxwll方程导出),由纵向分量求出场的各横向分量。
   (3)利用边界条件得出特征方程,由特征方程求出场在波导(光纤亦是波导)中的传输条件和截止条件。
   (4)利用场各分量和特征方程,研究场在波导中的传输特性(纵向)和模式图(场结构)。
   不同点:
   (1)主要的不同是边界条件之不同,即金属圆波导的边界条件是理想导体表面,场应满足n×E=0,n·H=0(n为导体表面上的单位法向矢量),即在导体表面上电场切向分量为零;磁场的法向分量为零。光纤的边界条件是不同介质(芯子与敷层)分界面,其边界条件是,在分界面两侧场的切向(纵向)分量应连续  Ez1=Ez2,Hz1=Hz2;光纤较金属波导复杂。
   (2)金属圆波导中,一般存在TEmn与TMmn,(n≠0),而光纤中不仅存在TEmn与TMmn,还存在}昆合模EHmn和HEmn
   (3)在传输状态下,金属波导沿轴传输波的相速大于光速,为快波;而光纤中,在全反射条件,若是均匀平面波投射,沿芯子轴向和介质分界附近传输波的相速小于光速,为慢波。若为非均匀平面波投射,尽管θi>θc,却仍然得不到全反射,于是产生了泄漏波,其特点是沿x方向有相移,而振幅又作指数上升;在部分反射状态下,光纤中沿芯子轴向和介质分界面附近传输波的相速大于光速,为快波;沿r方向(分界面法向方向)有波的传播,称为辐射波。
   (4)金属波导中场的特征方程,截止条件的表示式简单“明显”,而光纤中比较复杂,“隐秘”。
   (5)金属圆波导中场分量均为线极化波,场结构简单,易于理解;而光纤中原则上是椭圆极化波,虽然可以在一定条件下近似视为线极化模,但场结构复杂,不易理解。
   (6)在截止状态下,金属波导中的场为纯驻波场,无能量传播,只存在电磁能量振荡现象,若金属理想,亦无能量损耗;而光纤在截止状态下,沿r方向有波的传播(辐射波),有能量损耗。
【答案解析】