为什么雷达物位计能够放进一根金属导波里测量？以及更进一步的问题：既然超声波物位计也是发射波进行测量，那么为什么超声波液位计不能使用导波管测量？很多资料会简单地解释：“导波管可以减少干扰。”这样的回答虽然没有错，但并没有回答真正的问题。真正的问题应该是为什么同样都是“波”，雷达波能够在金属导波管中稳定传播，而超声波却不能利用同样的传播机制？答案涉及电磁场理论、麦克斯韦方程、波导理论以及声学理论。
1、雷达波和超声波的区别
雷达波和超声波不只是频率不同，雷达波和超声波根本不是同一种波。实际上，两者属于完全不同的物理现象。
因此，两者的传播机制从一开始就不同。
2、雷达物位计为什么能够发射电磁波？
雷达物位计发射的是微波(Microwave)。工业中常见的雷达物位计因频率不同分为6GHz雷达物位计、26GHz雷达物位计和80GHz雷达物位计。
以80G雷达物位计为例：根据电磁波关系λ=c/f，其中c为光速，f为频率，得到λ=3.75mm，也就是说80G雷达物位计实际上发射的是波长约3.75mm的电磁波。
那么电磁波为什么能够传播？答案来自麦克斯韦方程。变化的电场产生磁场∇×E=-∂B/∂t，变化的磁场又产生电场∇×H=∂D/∂t，电场和磁场不断相互激发，于是形成可以独立传播的电磁波。因此，雷达传播的是电磁能量。
3、自由空间中的雷达波为什么会扩散？
自由空间没有任何边界限制。麦克斯韦方程求解得到的是自由空间波动方程∇2E=µε∂2E/∂t2，它的解就是球面波。因此雷达物位计发出的电磁波会不断向四周扩散。这就是为什么普通雷达物位计具有一定波束角。
例如昌晖仪表80G雷达物位计的波束角标配为3°(可定制1°～2°)，虽然已经很窄但是传播距离越远，波束覆盖范围仍然越来越大。因此容易照射到搅拌器、梯子、加热盘管、容器壁等，从而产生杂散回波。
4、为什么金属能够限制电磁波？
这一点是理解导波管最关键的地方。金属中存在大量自由电子，当电磁波照射金属表面时电场推动自由电子运动，自由电子形成感应电流，感应电流又产生新的电磁场，新的电磁场会抵消进入金属内部的原有电场。因此，对于理想导体，金属内部几乎不存在电场。对应麦克斯韦边界条件Et=0，即金属表面的切向电场必须为零。
有人看到这里就误认为是金属把电磁波全部挡住了，其实并不是。金属只是阻止电磁波进入金属内部，并没有阻止电磁波沿着金属边界传播。这就是波导理论存在的基础。
5、为什么导波管能够成为电磁波导？
导波管实际上是一根金属圆管。由于金属边界必须满足Et=0，电磁场不能任意分布，只有满足边界条件的场型才能存在。这些允许传播的场型称为“传播模式(Mode)”，例如：TE模式和TM模式。对于圆形波导，最容易传播的是TE₁₁模式。也就是说：真正沿着导波管传播的，并不是一束像激光一样的光线，而是整个横截面的电磁场分布。导波管实际上把自由空间中的球面波，转换成受约束的波导模式。因此电磁能量几乎全部沿管轴方向传播。
6、为什么能量不会从导波管侧面跑出去？
电磁波能量由坡印廷矢量描述：S=E×H，坡印廷矢量表示电磁能量流动方向。在自由空间能量可以向四周扩散，而在导波管中由于金属壁不能让能量穿透，所以，法向能流Sn=0，意味着能量不能穿过金属壁，只能沿导波管轴向传播。因此导波管实际上把原本发散的能量，全部限制在管内。
7、为什么液面能够反射雷达波？
电磁波到达液面以后，空气相对介电常数εr≈1，而液体(例如水，εr≈80)，介电常数发生巨大变化，对应波阻抗η=√µ/ε，空气阻抗约377Ω，液体阻抗远小于空气。阻抗突变必然产生反射。反射系数Γ=η2–η1/η2+η1，因此液面成为良好的电磁反射面。雷达正是利用这一反射回波计算液位。
8、为什么导波管能够提高雷达物位计测量稳定性？
真正的原因不是“导波管帮助雷达传播”，而是它重新定义了电磁场的传播方式。自由空间存在无限多个传播方向，导波管只有有限几个允许传播模式，因此横向扩散受到限制，杂散模式被抑制。雷达物位计使用导波管时雷达波几乎全部沿轴向传播，杂散回波明显减少，信噪比(SNR)显著提高。这就是为什么雷达物位计在导波管中的测量往往比自由空间更加稳定。
9、为什么超声波液位计不用使用导波管测量？
这是很多工程师最容易混淆的问题。因为超声波根本不是电磁波，它属于机械波。超声波传播时，真正振动的是空气分子，空气不断经历从压缩→膨胀→压缩→膨胀，形成纵波。因此超声波必须依赖介质传播。
10、为什么金属管不能成为超声波的“波导”？
这里最大的区别就在于边界条件完全不同。对于电磁波，金属壁满足Et=0，金属壁只负责约束电磁场，几乎不参与传播；而对于超声波，空气压力推动钢壁，钢壁发生极微小振动，钢壁又反过来推动空气，钢壁本身参与了整个传播过程。金属不是理想反射镜，而是一个具有质量、刚度和阻尼的振动系统。因此金属管并不会形成电磁意义上的波导。
11、为什么超声波容易形成驻波？
超声波在导波管内传播时遇到钢壁不断反射，反射波与入射波叠加，形成驻波(StandingWave)。驻波具有波节和波腹，波节和波腹位置声压完全不同，整个导波管变成一个空气柱共振腔，这与笛子、风琴、长号产生声音的原理完全相同。因此超声波导波管实际上更像一件乐器，而不是波导。
12、为什么驻波会影响液位测量？
超声波物位计依靠第一回波计算距离，但驻波形成以后会出现多次反射、管壁反射、共振反射、假回波，超声波液位计很难准确判断哪一个才是真正来自液面的回波。因此液位容易跳变、丢波、测量失败。
13、为什么有些超声波液位计也能安装在导波管中？
这里需要特别说明：很多厂家也允许超声波安装在导波管(Stilling Well)中。但是目的完全不同。它并不是利用波导理论，而是利用导波管减少液面波动、隔离泡沫、避开搅拌器、提供稳定液面。因此超声波液位计厂家通常要求导波管管径必须足够大、内壁必须光滑、底部开孔保证液位一致、尺寸必须避开容易产生声学共振的条件。
换句话说：超声波液位计使用导波管，改善的是测量环境；雷达物位计使用导波管，改变的是电磁波传播方式，两者有着本质区别。
总结
从物理本质来看，雷达物位计能够使用导波管，并不是因为导波管简单地“保护”了雷达波，而是因为金属导波管本身就是一种电磁波导(Waveguide)。依据麦克斯韦方程和电磁边界条件，金属壁上的自由电子将切向电场约束为零，使电磁波只能以TE/TM等允许的传播模式沿管轴方向传输，坡印廷矢量表明电磁能量无法穿透金属壁，因此能量高度集中，杂散回波大幅减少。当电磁波到达液面时，由于空气与液体之间存在明显的电磁阻抗突变，又会产生稳定的反射回波，从而实现高精度液位测量。
超声波属于机械波，传播依赖空气分子的压缩和膨胀。金属壁不仅不能像电磁波导那样约束声场，还会与空气形成机械耦合，使整个管道变成空气柱与钢壁共同参与振动的声学系统。声波在其中容易发生多次反射、驻波和共振，产生大量虚假回波，因此无法像雷达物位计一样依靠导波管建立稳定的传播模式。
一句话概括
雷达物位计导波管利用的是“电磁波导理论”，改变的是电磁场的传播模式；超声波液位计导波管利用的是“环境隔离”，改善的是测量条件，而不是改变声波的传播模式。这就是两者在物理本质上的根本区别，也是为什么雷达物位计能够真正利用导波管，而超声波液位计不能依靠导波管进行波导传播的根本原因。
相关阅读
◆超声波液位计安装规范及使用须知
◆如何根据超声波液位计回波图形判断超声波故障原因
