Краткие сведения по теме. С увеличением частоты потери энергии во внутреннем проводнике и диэлектрике коаксиального фидера возрастают

С увеличением частоты потери энергии во внутреннем проводнике и диэлектрике коаксиального фидера возрастают, и его КПД становится малым. В коротковолновой части дециметрового диапазона, в диапазоне сантиметровых и более коротких волн в качестве фидеров применяются волноводы прямоугольного, круглого и эллиптического сечения.

В отличие от двухпроводной и коаксиальной линий с воздушным диэлектриком, в которых электромагнитное поле, как и в плоской волне, не имеет продольных составляющих, распространяется со скоростью света и обладает в направлении распространения периодичностью с длиной волны l, в волноводах волны такого типа (их называют поперечными или Т-волнами), распространяться не могут.

В волноводах лишь один из векторов, электрический или магнитный, расположен в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Второй вектор поля (соответственно магнитный или электрический), для обеспечения выполнения граничных условий, обязательно будет иметь продольную составляющую.

Другой особенностью волноводов является то, что в плоскости поперечного сечения напряженности того и другого вектора обладают пространственной периодичностью, подобной стоячим волнам в короткозамкнутой линии. Вдоль каждого из двух взаимно перпендикулярных размеров сечения волновода должно укладываться целое число таких полуволн - m,n (0,1,2,... к). Значения m и n не могут быть равны нулю одновременно.

Таким образом, в волноводах могут распространяться электромагнитные волны лишь определенных типов: поперечно-магнитные (Е-волны), в которых продольную составляющую имеет вектор Е, и поперечно-электрические (Н-волны), в которых продольную составляющую имеет вектор Н. В каждом из этих типов волн будут различаться волны, имеющие различную периодичность в поперечной плоскости, обозначаемые Н mn, Е mn. Периодичность поля в направлении распространения, т.е. длина волны lв вдоль волновода, будет определяться периодом продольной составляющей поля.

Использование волновода в условиях, когда в нем возможно распространение нескольких типов волн, обычно является нежелательным, так как вследствие различия фазовых и групповых скоростей возможны искажения передаваемых сигналов. Поэтому на практике стремятся, чтобы во всем интервале рабочих длин волн имелось только одно, причем наименьшее, значение (кmn)мин. При этом в волноводе будет распространяться основной тип волны. Для выполнения этого требования наибольшая допустимая длина волны передаваемых сигналов не должна превышать lкр=2π / (кmn)мин, а минимальная длина волны должна быть больше, чем lкр для ближайшего высшего типа волны.

Если же необходимо, чтобы в волноводе распространялся один из высших типов, то принимают меры для подавления нежелательных типов волн.

Основной для прямоугольного волновода является волна типа Н₁₀, которая характеризуется постоянством амплитуд поля Е по оси y и изменением по закону sin(π x/a) по оси x. Фазовая скорость и длина волны типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе определяются внутренним размером широкой стенки волновода и соответственно равны:

;

.

Групповая скорость волны Н10 в волноводе:

.

Критическая длина волны =2а. По волноводу могут распространяться только волны короче . Для возможности распространения энергии по волноводу необходимо, чтобы a>0,5l.

Затухание, в децибелах, на один метр длины, прямоугольного волновода

,

где b- внутренний размер узкой стенки волновода;

s- проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м (для меди s=5,8*10⁷, латуни марки Л-96 s=4,07*10⁷).

Реальное затухание в волноводе больше рассчитанного по приведенной формуле в среднем в 1,05-1,2 раза. Увеличение затухания обусловлено шероховатостью стенок волновода и их окислением, которые в формуле не учтены. Уменьшение затухания достигается увеличением поперечного сечения волновода и серебрением его внутренней поверхности. Стабилизация затухания во времени обеспечивается антикоррозийным покрытием, однако увеличение поперечного сечения ограничено из-за возможности появления в волноводе волн высших типов Н₂₀, Е₁₁ и др.

Для распространения волны Н₁₀ и исключения возможности существования других типов волн необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: наиболее длинная волна рабочего диапазона должна быть меньше удвоенной длины широкой стенки волновода, наиболее короткая волна должна быть больше широкой стенки. Узкая стенка волновода обычно меньше половины широкой стенки. Таким образом, внутренние размеры сечения волновода равны:

,

.

В диапазоне 3,4-3,9 ГГц рекомендуется применять прямоугольные волноводы с внутренним сечением 58X25 мм с затуханием 3,6-4 дБ/100 м и 72X34 мм с затуханием 2-2,4 дБ/100 м, выполненные из латуни марки Л-96 с 96% содержанием меди, секциями длиной до 5 м и толщиной стенок 2 мм. В диапазоне 5,6-6,2 ГГц рекомендуются волноводы с сечениями 40 X20 мм с затуханием 3,5-4 дБ/100 м и 48 X 24 мм с затуханием 3,5-4 дБ/100 м.

Кроме волноводов прямоугольного сечения применяются круглые волноводы, особенно в случаях, когда антенна одновременно используется на прием и передачу и работает с полями, имеющими вертикальную и горизонтальную поляризации. Полям с вертикальной и горизонтальной поляризациями в антенне будут соответствовать в волноводе волны типа Н11 с взаимно перпендикулярными направлениями вектора Е. Работа с взаимно перпендикулярными поляризациями позволяет улучшить развязку между приемниками и передатчиками за счет поляризационной избирательности антенно-волноводного тракта. Последняя будет эффективной только в том случае, когда отсутствует перекрестная поляризация. Перекрестной поляризацией называется явление, когда за счет поля с основной поляризацией появляется поле с перпендикулярной поляризацией. Перекрестная поляризация ухудшает развязку между передающим и приемным трактами. Перекрестная поляризация вызывается эллиптичностью волновода, т.е. отличием сечения волновода от круглого, а также изгибами, вмятинами и небрежным монтажом. При изготовлении круглых волноводов всегда имеется некоторая эллиптичность сечения. При диаметре 70 мм неточность медных волноводов достигает 200 мкм. Для увеличения точности выполнения волноводы такого диаметра изготовляют из стали с медным покрытием, т.е. биметаллическим. Толщина стали биметаллического волновода 3,7 мм, меди 0,3 мм. В таком волноводе отклонение поперечного сечения от расчетной величины не превышает 500 мкм. Установлено, что при совпадении направления вектора Е с одной из осей эллипса поперечного сечения волновода положение плоскости поляризации волны в волноводе не будет изменяться.

Для уменьшения перекрестной поляризации при монтаже стыкуемые секции поворачивают до совпадения осей эллипсов отдельных секций волновода. Для облегчения сборки на волноводных секциях заводы-изготовители ставят метки. Биметаллические волноводы за счет меньшей зеркальности внутренней поверхности имеют затухание примерно на величину 0,2 дБ/100 м большее по сравнению с медными.