Волноводы - кратко

Волноводами называются металлические трубы или диэлектрические стержни, предназначенные для передачи электромагнитной энергии. Наибольшее распространение получили металлические волноводы с прямоугольной и круглой формой сечения. Способность волновода канализировать электромагнитную энергию основана на свойстве поверхностей раздела двух сред, обладающих разными электрическими характеристиками, изменять направление движения падающих на них электромагнитных волн.

За счет этого явления, в результате интерференции волн, отражающихся от противоположных стенок волновода, в нем возникает результирующая волна, перемещающаяся вдоль волновода.

Структура результирующегоэлектромагнитного поля в волноводе отличается от структуры электромаг-нитного поля в свободном пространстве.

Если в свободном пространстве и (в длинных линиях) распространяются поперечные электромагнитные волны ТЕМ, то в волноводах из-за наличия ограничивающих поле стенок могут распространяться волны только либо поперечно-электрические ТЕ, иначе называемые продольно-магнытными Н, либо поперечно-магнитные ТМ, иначе называемые продольно-электрическими Е. Первый тип волн отличается тем, что электрическое поле расположено только в плоскости поперечного сечения волновода, а магнитное поле имеет составляющую вдоль оси волновода. Волны типа ТМ, наоборот, характеризуются наличием продольной составляющей электрического поля в то время как силовые линии магнитного поля лежат в плоскостях, перпендикулярных оси волновода.

В зависимости от частоты источника, способа связи волновода с источником, конфигурации и размеров поперечного сечения волновода в нем могут возбуждаться бесчисленное множество поперечно-электрических TEmn и поперечно-магнитных TMmn волн определяемых индексами m и n.

Для прямоугольного волновода индексы m и n соответствуют числу полуволн поля, укладывающихся соответственно, вдоль широкой а и узкой Ь стороны волновода.

Для прямоугольного волновода основным типом волны, при котором его размеры оказываются минимальными, является волна типа ТЕ₁₀ (Н₁₀). Картина мгновенного распределения электрического поля в поперечном сечении волновода для волны Н₁₀ изображена на рис. Из этой картины видно, что интенсивность поля вдоль широкой стороны а изменяется по синусоидальному закону от максимума в центре волновода до нуля по краям. Вдоль узкой стороны Ь поле равномерно.

Силовые линии магнитного поля (не показанные на рисунке образуют плоские кольца, перпендикулярные к силовым линиям электрического поля.

В отличие от длинных линий вдоль волновода с заданными размерами поперечного сечения будут распространяться только то волны, длина которых не превышает некоторой величины, называемой «критической длиной волны».

Каждому типу волн соответствует своя критическая длина волны, определяемая соотношением:

Для Н₁₀ критическая длина волны равна удвоенной длине широкой стороны сечения волновода

Процесс распространения электромагнитных волн вдоль волновода характеризуется фазовой и групповой скоростями. Фазовая скорость определяет только скорость перемещения вдоль оси волновода точек поля, находящихся в одинаковой фазе. Эта скорость не является скоростью движения материи и поэтому она может быть больше скорости света.

Передача энергии радиоволны вдоль волновода характеризуется групповой скоростью, которая не может превысить скорость света.

Поскольку фазовая скорость в волноводе оказывается больше скорости света, длина волны в волноводе, определяемая расстоянием между точками поля, находящимися в одной фазе, будет больше, чем в свободном пространстве.

Длина волны в волноводе определяется формулой , где — длина волны в волноводе; —длина волны в воздухе; — критическая длина волны.

Структура электромагнитного поля в металлическом волноводе обладает следующими основными чертами: 1). Силовые линии электрического поля перпендикулярны к стенкам волновода, на которые они замыкаются. 2). Силовые линии магнитного поля вблизи металлической стенки располагаются параллельно ее поверхности. 3). В плоскости поперечного сечения волновода электрическое или магнитное поле имеет характер стоячих волн. 4). Вдоль оси волновода, в зависимости от величины и характера нагрузки на его конце, могут возникать бегущие, стоячие или смешанные волны.

Дня создания в волноводе режима бегущих волн его конец Должен быть нагружен на согласованное с волноводом нагрузочное сопротивление, которое поглощает целиком всю энергию, распространяющуюся вдоль волновода. В этом случае отражение энергии от конца не происходит и амплитуда напряженно электрического поля вдоль волновода остается постоянной.

Если конец волновода замкнуть накоротко металлической пластиной, то в результате взаимодействия падающей и отраженной волн, в нем установится режим стоячих волн. В этом режиме амплитуда напряженности электрического поля вдоль волновода будет изменяться от максимального значения до нуля. При этом расстояние между двумя ближайшими узлами поля равно половине длины волны в волноводе.

Получающаяся аналогия с длинными линиями нарушается при рассмотрении процессов в волноводе, открытом на конце.

Волновое сопротивление волновода зависит от его геометрических размеров; от свойств, заполняющей его среды и от типа волны, распространяющейся по волноводу. Для волн типа Н в прямоугольных металлических волноводах волновое сопротивление можно ориентировочно определить по формуле . Поскольку , волновое сопротивление волновода с волной Н всегда больше, чем волновое сопротивление свободного пространства, равное 377 ом.

Таким образом, при открытом конце волновода, вследствие различных значений волновых сопротивлений волновода и свободного пространства, только часть распространяющейся по волноводу энергии излучается в окружающее пространство, а остальная энергия отражается от конца обратно в волновод.

Распределения напряженности поля вдоль волновода в режимах бегущих, стоячих и смешанных волн характеризуются коэффициентом бегущей волны,(k_бв), под которым понимают отношение минимальной напряженности поперечной составляющей электрического поля к ее максимальному значению . По величине можно судить о степени согласования волновода с нагрузкой.

Наряду с коэффициентом бегущей волны в технике ультракоротких волн широко используется и обратная ему величина, называемая коэффициентом стоячей волны -

Коэффициент может принимать значения от 0 до 1, а от 1 до .

Величину волны электрического поля, отражающейся от несогласованной нагрузки, можно оценить с помощью коэффициента отражения (р), модуль которого равен отношению амплитуд отраженной и падающей волн:

Коэффициент отражения может быть вычислен через величину по формуле

Для волновода с открытым концом составляет , что соответствует коэффициенту отражения . Таким образом, волновод оказывается плохо согласованным со свободным пространством.

Волноводные линии передачи получили широкое распространение в сантиметровом и дециметровом диапазонах СВЧ, так как но сравнению с длинными линиями они обладают рядом преимуществ.

1). Значительно меньше потери энергии: электромагнитное поле целиком расположено внутри трубы волновода, поэтому отсутствуют потери на излучение; в полости волновода нет необходимости иметь изоляционные материалы, поэтому отсутствуют потери в диэлектрике; резко уменьшаются потери в поверхностном слое проводника, так как нет центрального провода коаксиальной линии с его малой поверхностью. 2). Возможность передачи большей мощности. 3). Более простое конструктивное выполнение.

Однако наличие критической длины волны, связанной с размерами поперечного сечения волновода, делает экономически целесообразным использование волноводов только на волнах, короче 30 см, ибо на более длинных волнах размеры волноводов становятся неприемлемо большими. Для устранения всякого рода неровностей, вызывающих отражение волн и увеличивающих потери, внутреннюю поверхность волновода приходится полировать и очень тщательно производить сочленения элементов волноводного тракта. Материал стенок волновода должен иметь (высокую удельную проводимость, чтобы не допустить проникновения поля в металл и тем уменьшить потери. Для выполнения последнего требования внутренние стенки волновода нередко золотят или серебрят.

Поиск по сайту: