[讨论]高次模——为什么要避免高次模?

个人的理解不知道对不对，说得不对的希望大家批评指正。在通信领域波导一般用基模来传输，这样的话基本不存在高次模，也就是相对于传输信号来讲的杂模，这样信号的质量就会很好。对于一个输入信号来说，它的能量是一定的，如果用于传输该信号的波导不仅能传输基模还能传输其它的高次模，那么所传输信号的能量占比就会降低，信号的信噪比也会降低，这对于信号的传输和接收是非常不利的。然而高次模在某些场合其实也是有用的，例如，圆波导的TE01模，它的损耗很小，如果用它来远距离传输微波能量的话就很合适，在磁约束等离子体领域中的电子回旋共振加热，首先就是把回旋管出来的微波模式通过模式变换器转换为TE01来传输，快到托卡马克装置了再把TE01变为所需的HE11高斯模射入等离子体中加热（以前的老管子一般为TE02模，现在的几百GHz的管子输出模式更高），此外，高次模也用于设计上百GHz，几百GHz甚至达THz的回旋管的共振腔体。在同等引导磁场的条件下，要想获得更高的输出频率，回旋管的共振腔中与回旋电子发生回旋不稳定性从中得到能量的模式就必须更高，像现在一些管型它的输出模式为TE26，而小日本东芝公司给国际热核聚变计划ITER装置研发的170GHz长脉冲回旋管，其输出模更是为TE31,8模。 Mp=kZs/  
   大功率容量的波导，频率做不高，我个人的理解是，波导的最大功率容量和它的截面面积S成正比，由于在相同的周长L下，圆波导的面积是最大的。因此，抛开应用场合不谈，暂以圆波导为例，频率高的话，则意味着波长短，而我们从圆波导理论可知，波模的截止波长总是C*λ ，C为常数. 那么单模传输的时候设计的波导的半径也其实是C1*λ，C1为常数，这就意味着，频率越高，波导的半径就必须设计得越小，但波导半径越小，也就是面积越小，它允许的最大功率容量也越小，这里面就存在一个矛盾，导致大功率容量的波导，其频率总是不那么容易做高，其次还有一点就是，频率做高以后，你的波导尺寸肯定是减小的，那么随着你输入功率的增加，波导由于里面电场强度增大在有限的尺寸里就很容易发生打火打击（真空中或者充气后的其击穿场强总是一定值），从而也就从另一方面限制了波导的功率容量。这也是为什么在一些高功率传输的场合，一般都会在波导中间设置弧光探测器来监测波导打火情况的原因。

多谢您专业的解答！

我最近也请教了老师，他也是从通信的角度来解答的。波导中，不同模式的电磁波对于不同的相速，发生所谓的色散。如果进行多模传输，在接收端收到的信号是多种模式的叠加，势必造成信号失真，因此在通信中通常限定为基模（单模）传输。

我的观点是：（1）系统能量分配效率问题（2）系统实际上都是非线性的，如果激发高次模结合体系非线性可能会导致意外现象，不论是电路还是天线都可能发生