Радиоволновод

Радиоволновод (далее Р) диэлектрический канал (направляющая система) для распространения радиоволн. Боковая поверхность канала является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая e или m проницаемости и электропроводность s. Боковая поверхность может иметь произвольную форму, но наиболее широко применяются цилиндрические Р, в частности цилиндрические металлические полости, заполненные воздухом или каким-либо газом. Поперечное сечение металлического Р бывает прямоугольным, круглым, П- и Н-образным и т.п. (рис. 1). Обычно к Р относят только каналы с односвязным сечением; распространение радиоволн в каналах с дву- и многосвязными сечениями рассматривается в теории длинных линий (например, двухпроводная коаксиальная линия; рис. 1, д).

Можно показать, что внутри Р вдоль его оси распространяется волновое поле, которое является результатом многократного отражения волн от внутренних стенок Р и интерференции отраженных волн. Это определяет главную особенность Р, которая состоит в том, что распространение волн в них возможно только в том случае, если поперечные размеры Р сравнимы с длиной волны l или больше l. Например, для l = 30 см больший размер а сечения прямоугольного Р около 20—25 см. Это обусловливает применение Р главным образом в области сверхвысоких частот.

Р служат направляющими системами в радиолокационных и др. станциях для передачи энергии от передатчика в передающую антенну, от приемной антенны к радиоприемнику. Направляющая система на СВЧ имеет вид волноводного тракта, состоящего из отрезков Р, различных по форме и размерам поперечных сечений; угловых изгибов; вращающихся соединений и многих др. волноводных узлов (рис. 2). Для сочленения Р разных поперечных сечений применяются плавные волноводные переходы с переменным сечением (например, рупорный переход 2, рис. 2).

Основным преимуществом металлических Р по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями является малость потерь на СВЧ; это обусловлено практическим отсутствием излучения энергии в окружающее пространство и тем, что при одинаковых внешних размерах Р и, например, двухпроводной линии поверхность Р, по которой текут электрические токи (при распространении волны), всегда больше, чем поверхность проводников двухпроводной линии. Так как глубина проникновения токов определяется скин-эффектом, то плотности токов, а следовательно, и потери на джоулево тепло в Р меньше, чем в линии. Недостатки Р: наличие нижнего предела пропускаемых частот (см. ниже); громоздкость конструкции на дециметровых и более длинных волнах; необходимость большой точности изготовления и специальной обработки внутренней поверхности стенок; сложность монтажа.

Поскольку поперечные размеры Р сравнимы с l, то задача о распространении и возбуждении в них электромагнитного поля решается на основе интегрирования Максвелла уравнений при заданных граничных условиях и источниках поля. Методы решения этих задач составляют содержание теории Р В случае прямоугольного Р (рис. 3) для любой из проекций f электрического Е и Н полей теория приводит к волновому уравнению:

(1)

где k = 2p/l = w/с — волновое число, w — частота колебаний, с — скорость света. Решение этого уравнения для бесконечно длинного прямоугольного Р приводит к следующим выражениям для комплексных амплитуд проекций векторов Е и Н:

(2)

Здесь а и b — размеры поперечного сечения прямоугольного Р, m и n — любые положительные целые числа, A_x, A_y A_z, _x, _y, _z — постоянные определяемые условиями возбуждения Р Постоянная распространения g, определенная из (2) и (1), равна:

(3)

Наличие тригонометрических множителей в (2) говорит об образовании стоячих волн в направлениях, перпендикулярных стенкам Р Касательные составляющие электрического поля на стенках имеют узлы, а нормальные — пучности. Числа m и n определяют число полуволн, укладывающихся соответственно вдоль размеров а и b. Чем больше m и n, тем сложнее поле в сечении Р

В Р волновое поле является суммой полей бесконечного множества типов волн. Все типы волн подразделяются на три класса: ТЕ (или Н)-волны, ТМ (или Е)-волны и ТЕМ-волны; Т означает поперечность (трансверсальность). Каждый тип волн имеет свою структуру поля: в ТЕ-волнах электрическое поле сводится лишь к поперечным составляющим, но поле имеет и продольную, и поперечную составляющие; ТМ-волны имеют только поперечные составляющие поля; продольную составляющую имеет лишь электрическое поле; ТЕМ-волны вообще не имеют продольных составляющих поля и могут существовать только в многосвязных Р Волны с различными m и n записываются в виде TMmn и TEmn (или Emn, Hmn). Волны с наименьшими индексами m и n называются простейшими. В случае ТМ-волн (_z= 0) простейшей волной является волна ТМ₁₁ (рис. 4).

Волны TM₁₀ и TM₀₁ неосуществимы, т.к. магнитные силовые линии должны быть замкнутыми. Более сложные волны возникают, если увеличить поперечные размеры Р или частоту колебаний так, чтобы вдоль размеров а и b укладывалась более чем одна полуволна. При этом поперечное сечение Р, подобно колеблющейся мембране, оказывается разбитым на ячейки, тождественные по структуре поперечному сечению волны ТМ₁₁ (рис. 5).

В случае ТЕ-волн (Е₃₂ = 0) возможно существование волн при m = 0, n ¹ 0 или n = 0, m ¹ 0, т.к. линии электрического поля могут быть прямыми, начинающимися на противоположных стенках Р (рис. 6, 7). Из волн TE₁₀ и ТЕ₁₁ как из ячеек, составляются все сложные типы ТЕ-волн (рис. 8).

Множитель е^-^gz определяет изменения амплитуды и фазы волны при распространении ее вдоль оси Р При отсутствии потерь должна быть чисто мнимой величиной: g = ia, т. е.

. Это соответствует условию для частоты:

которое означает, что Р пропускает без затухания только колебания с частотой выше некоторой граничной частоты w_гр ; ей соответствует критическая длина волны l_кр. Граничная частота w_гр тем выше, чем меньше а и b, т. е. размеры Р При заданной рабочей частоте w нужны тем большие размеры Р а и b, чем больше m и n, т. е. чем сложнее волна.

Длина волны в Р Л оказывается большей, чем в свободном пространстве:

. (5)

Фазовая скорость распространения волны в Р равна:

, (5a),

т. е. всегда больше скорости света и зависит от частоты колебаний. Это означает, что в Р имеет место дисперсия волн, вносящая искажения в передаваемые сигналы тем больше, чем шире спектр их частот.

Затухание волны в Р описывается вещественной частью комплексной постоянной распространения g = b + ia и объясняется в реальных Р потерями в стенках и в заполняющем Р диэлектрике. В "идеальных" (без потерь) Р, если w < w_гр, электромагнитное поле затухает без потерь энергии (за счет полного отражения). В Р можно работать только на одном первом типе волны, выбрав размеры Р определенным образом (например, для прямоугольного Р и волны ₁₀), выбрав величину а из соотношения a < l < 2а). Обычно берут а = 0,72 см, что дает: а = 72 мм на l = 10 см; a = 23 мм на l = 3,2 см (см. табл.).

Совокупность двух классов волн и электрического типов в каждом Р образует полную систему волн. Это означает, что в Р могут распространяться электромагнитные поля только таких структур, которые могут быть представлены как результат суперпозиции воли и электрического типов.

Для Р круглых сечений основным уравнением вместо (1) становится Бесселя уравнение с решениями в виде цилиндрических функций. В круглом Р также можно выбрать диаметр Р для работы только на одном первом типе волны (см. табл.). Однако не всегда первый тип волны оказывается наиболее удобным. Например, в силу осевой симметрии полей у волн ТМ₀₁ и TE₀₁ в круглом Р (рис. 9, 10) эти волны применяют во вращающихся соединениях. На рис. 11 и 12 показаны структуры поля волн TM₁₁ и ТЕ₁₁ в круглом Р Применение волн с относительно малым l_крзатруднительно, т.к. при обеспечении условий распространения для них одновременно в Р будут распространяться и все предыдущие "ненужные" типы волн.

Критические длины волн Х для прямоугольных и круглых радиоволноводов

Тип волны	Прямоугольный волновод			Круглый волновод
Тип волны	TE₁₀	TE₂₀	TE₁₀	TE₁₁	TM₀₁	TE₂₁	TM₁₁	TE₀₁
l_кр	2a	a	2b	3,41r	2,61r	2,06r	1,64r	1,64r

Волна TE₀₁ в круглом Р обладает тем исключительным свойством, что потери на стенках Р непрерывно уменьшаются с укорочением l. Пользуясь этим, можно строить волноводные линии связи в диапазоне миллиметровых волн с ретрансляционными станциями через 50—60 км. По этим линиям можно передавать до 1500 телефонных и 100 телевизионных каналов. Основная трудность заключается в обеспечении необходимой "чистоты" поля волны ТЕ₀₁ по всей линии устранением др. типов волн, возникающих под воздействием различного рода неоднородностей. В Р с потерями понятие резкой границы пропускания при w_гр теряет простой смысл. В Р с потерями проходят волны (хотя и слабо) "за критической волной" l > l_кр, рассчитанной для Р без потерь.

Для передачи сантиметровых и миллиметровых волн могут служить диэлектрические Р, где поверхностью раздела, направляющей волну, служит внутренняя поверхность диэлектрического стержня. Диэлектрические Р чувствительны к внешним воздействиям и имеют дополнительные потери, связанные с просачиванием энергии за пределы Р, что затрудняет их практическое применение.

Р с поверхностной волной представляют собой металлическую ленту или цилиндрический проводник, на которых располагаются ребристая структура или диэлектрическое покрытие (рис. 13). Вдоль такого Р могут распространяться волны различных типов, например TM₁₀. Энергия поля сосредоточена в окружающем пространстве: радиус поля (расстояние, на котором поле еще ощутимо) зависит от ширины ленты и ее проводимости и быстро уменьшается с укорочением l. Р с поверхностной волной обладают меньшим затуханием, чем металлические Р, проще по конструкции и позволяют передавать большие мощности в широком диапазоне частот. Недостатки этих Р связаны с тем, что поле поверхностной волны окружает Р снаружи: различные неоднородности (деформации Р, крепления, соединения, окружающие предметы) приводят к излучению, т. е. к потерям энергии. Несмотря на это, Р с поверхностной волной применяются как направляющие системы и как излучающие элементы в антеннах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

Применяются 3 способа возбуждения поля в Р: линейным проводником с током (штырем), витком и через отверстие в боковой стенке или торце Р Штырь располагают параллельно электрическим силовым линиям, плоскость витка — перпендикулярно силовым линиям. Щель или отверстие прорезают в металлической поверхности по ходу силовых линий на этой поверхности. При этом для большей связи элементы возбуждения располагают в пучностях электрического или поля (рис. 14).

Согласование отрезков Р друг с другом и с нагрузкой осуществляется с помощью т. н. согласующих элементов (рис. 15) в виде комбинаций пассивных штырей, индуктивных или емкостных диафрагм, а также в виде плавных переходов с переменным сечением. Недостатком большинства согласующих устройств является их малая диапазонность: согласование удается обеспечить, как правило, в полосе частот 1—2% и только в некоторых случаях около 10—20% от w.

Практическое значение имеет вопрос о передаче по Р больших мощностей. Р с размерами сечения, соответствующими распространению волн только первого типа, может пропустить мощность лишь порядка 3—4 Мвт. Если же размеры сечения Р при заданной длине волн взять большими, то в нем будут распространяться и высшие типы волн.

Лит.: Введенский Б. А., Аренберг А. Г., Ры, ч. 1, М. — Л., 1946: Кисунько Г. В., Электродинамика полых систем, Л., 1949; Вайнштейн Л. А., Дифракция электромагнитных и звуковых волн на открытом конце волновода, М., 1953; Казначеев Ю. И., Широкополосная дальняя связь по волноводам, М., 1959; Коган Н. Л., Машковцев Б. М., Цибизов К. Н., Сложные волноводные системы, Л., 1963; Теория линий передачи сверхвысоких частот, пер. с англ., под ред. А. И. Шпунтова, ч. 1—2, М., 1951; Гуревич А. Г., Полые резонаторы и волноводы. Введение в теорию, М., 1952; Левин Л., Современная теория волноводов, пер. с англ., М., 1954; Ширман Я. Д., Радиоволною воды и объемные резонаторы, М., 1959; Вайнштеин Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957; Каценеленбаум Б. З., Высокочастотная электродинамика, М., 1966; Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1, 1970: Харвей А. Ф., Техника сверхвысоких частот, М., 1968; Фельдштейн А. Л. и др., Справочник по элементам волноводной техники, М., 1967.

И. В. Иванов.

		Новости 05.11.2024 17:46:36

	Copyright © 1999-2024 Oval.ru, All Rights Reserved.