Волноводы

Поперечными, или волнами типа Т (от англ. transversal – поперечный), называются волны, у которых в направлении распространения энергии отсутствуют составляющие векторов Е и Н, то есть эти векторы лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения энергии.

Электрическими, или волнами типа Е называются волны, у которых вектор Е имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Н – только поперечные.

Магнитными, или волнами типа Н называются волны, у которых вектор Н имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Е – только поперечные.

Смешанными, или гибридными типа НЕ или ЕН называются волны, у которых векторы Е и Н имеют как поперечные, так и продольные составляющие.

Для пояснения этого используем следующий пример. Пусть в некоторой направляющей системе энергия распространяется вдоль ось декартовой системы координат. Тогда оси , будут поперечными, так как они лежат в плоскости, перпендикулярной оси . В этом случае будем иметь: для волн Т ; для волн Е , ; для волн Н , ; для смешанных , .

Все направляющие системы делятся на два широких класса: открытого и закрытого типов. В линиях передачи открытого типа переносимая энергия распределена во всем окружающем линию пространстве. Чаще всего конструкции линий этого типа выполняют так, чтобы большая часть энергии электромагнитного поля была сосредоточена в непосредственной близости от линии. Примером линии открытого типа являются симметричные кабели. Эти линии подвержены влиянию среды и окружающих предметов, то есть в них практически всегда наблюдаются потери на излучения.

В линиях передачи закрытого типа вся передаваемая энергия сосредоточена в пределах объема, экранированного от окружающей среды металлической оболочкой той или иной формы. Из линий закрытого типа широко используются коаксиальные кабели. Линия этого типа является двухпроводной экранированной, а поэтому потери на излучение в ней отсутствуют.

По мере увеличения частоты электромагнитной энергии в коаксиальных линиях передачи растут потери в диэлектрике, поэтому они применяются до частот не более 1-3 ГГц. Если в коаксиальной линии убрать внутренний проводник, то не будет необходимости в жестком диэлектрике, который обеспечивает соосность проводника и экрана. Потери резко упадут. Но ток проводимости по одному проводу (металлической трубке – экрану) проходить не будет. На низких частотах передача электрической энергии при этом отсутствует. Однако при определенных условиях электромагнитные волны могут распространяться по полым металлическим трубам различной формы поперечного сечения, которые называются волноводами.

Процесс передачи энергии по волноводам эквивалентен радиопередаче, но здесь распространяется волна не во все стороны, а лишь в заданном направлении.

Физические процессы в волноводах.

Электромагнитное поле в волноводе. Рассмотрим двухпроводную линию , нагруженную на сопротивление, равное волновому.

Пояснение принципа образования волновода.

В такой линии наблюдается режим бегущей волны. Для того чтобы закрепить провода и в воздухе, используем четвертьволновые короткозамкнутые шлейфы, расположенные на произвольных расстояниях друг от друга. Так как входное сопротивление таких шлейфов теоретически бесконечно, то их можно рассматривать как металлические изоляторы и они не нарушают работу исходной двухпроводной линии. Устремив число шлейфов к бесконечности, а расстояние между ними к нулю, получим конструкцию, которая называется прямоугольным волноводом.

Металлические волноводы: а) – прямоугольный; б) – круглый.

Таким же образом можно перейти от двухпроводной линии к круглому волноводу. Только в этом случае металлическим изоляторам следует придать не прямоугольную, а круглую форму.

Режим работы волновода в сильной степени отличается от режима работы двухпроводной линии с согласованной нагрузкой. В волноводе, кроме бегущей волны, распространяющейся в направлении оси, будут существовать стоячие волны в поперечном сечении. Эти волны образуются за счет энергии, ответвляющейся от бегущей вдоль оси волны в металлический изолятор.

Структура поля в поперечном сечении волновода:

а) – волны типа ; б) – волны типа .

Густота силовых линий здесь характеризует напряженность (интенсивность) поля.

Критическая длина волны в волноводе.

Если изменить рабочую длину волны так, что размер широкой стенки волновода станет меньше , то передача энергии по волноводу прекратится, так как сопротивление металлических изоляторов резко уменьшится, увеличится количество ответвляющейся в них энергии, и уровень бегущей вдоль оси волны резко упадет. Поэтому, существует определенная длина волны , которая называется критической, при превышении которой распространение энергии вдоль волновода невозможно. Следовательно, для передачи энергии по волноводу требуется, чтобы рабочая длина волны , была меньше критической:

.

Критическая длина волны зависит от размеров волновода. Для прямоугольного волновода , то есть:

.

Типы волн в волноводе.

В волноводе могут существовать различные типы волн, отличающиеся структурой силовых линий, которые называются модами волновода. Для нахождения выражений, описывающих векторы поля Е и Н в волноводе, необходимо решить систему уравнений Максвелла с учетом геометрии конструкции. Полученная конкретная структура поля указывается индексами и , то есть волны обозначаются как , , , и т.д.

Число равно числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль широкой стенки волновода , число – числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль узкой стенки волновода . Для круглого волновода индекс характеризует число волн поля по периметру, а – полуволн по диаметру.

Структура силовых линий вектора Н для волн типа и показана на рисунке.

Магнитное поле в продольном сечении волновода:

а) – волны типа ; б) – волны типа .

Структура поля волны типа в поперечном сечении прямоугольного волновода.

Зная тип волны, можно качественно построить картину поля в сечениях волновода и без применения формул для векторов поля Е и Н.

Волны различных типов отличаются не только структурой силовых линий. Различными у них являются и критические длины волны. Например, в прямоугольном волноводе:

.

Тип волны, критическая длина которой является наибольшей из всех возможных типов волн, называется основным типом волны, или основной волной (модой) данного волновода.

Применение волноводов.

Волноводы используются в различных радиотехнических устройствах в качестве фидеров, колебательных систем, называемых объемными резонаторами, фильтров, линий связи и т.д.

Фидеры. На частотах выше 1 ГГц для передачи электроэнергии от радиопередатчика к антенне или от антенны к приемнику в качестве фидера повсеместно используются волноводы. Поскольку фидер должен иметь малые собственные потери, внутренние стенки волновода тщательно шлифуются и покрываются слоем серебра. Этим и отсутствием изоляторов внутри волновода достигаются потери, значительно меньшие, чем в коаксиальных фидерах.

По волноводному фидеру можно передавать значительно большую энергию, чем по коаксиальному фидеру тех же размеров.

Волноводные линии связи. Возможность работы на высоких частотах (десятки гигагерц), большая широкополосность (сотни мегагерц), малое затухание явились предпосылками для использования металлических волноводов в качестве линий связи в сверхширокополосных многоканальных системах. Однако были построены только экспериментальные линии, так как экономически они оказались невыгодными. Более широкое применение нашли световодные волноводы.

Объемные резонаторы. Колебательная система может быть построена на базе волноводов прямоугольной и круглой формы.

Для перестройки волноводных резонаторов одна из короткозамыкающих волновод пластин выполняется в виде подвижного поршня. Возбуждение резонаторов и отвод энергии от них осуществляется так же, как и в волноводах, – с помощью штыря, рамки или отверстия связи.

Отличительной особенностью объемных резонаторов является высокая добротность, а следовательно, высокая фильтрующая способность их, как колебательных систем, и высокая стабильность резонансных частот. Величина добротности, в зависимости от конструкции, диапазона частот, тщательности обработки внутренней поверхности резонатора, колеблется от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч.

Основным недостатком объемных резонаторов является наличие множества резонансных частот.

Источник

Волновод

Оглавление

Физический фон

В волноводе же переменные электрическое и магнитное поля движутся:

Волноводы также могут работать с повышенным внутренним давлением газа, чтобы иметь возможность передавать более высокие мощности (в соответствии с законом Пашена ) без возникновения пробоев или пробоев воздуха. В этом контексте явление мультиплексирования означает конструктивное наложение нескольких различных длин волн, что может привести к очень высокой напряженности поля.

Также существуют сопоставимые моды в круглых волноводах. Однако и здесь есть моды, которые имеют однородное распределение поля по окружности трубы.

E / H режимы

В электромагнитных волнах электрическое и магнитное поля всегда перпендикулярны друг другу. Чтобы волна могла распространяться в одном пространственном направлении, компоненты волны должны существовать в этом пространственном направлении. Если электрическое поле перпендикулярно направлению распространения, говорят о H-модах. Если магнитное поле перпендикулярно направлению распространения, говорят об E-модах. На рисунке показан продольный разрез волновода (направление z).

Длина волны волновода и частота среза

Взаимосвязь является нелинейной, и для данного порядка мод и размеров существует длина волны в свободном пространстве, для которой длина волны волновода приближается к бесконечности:

Частота среза делит частотный диапазон на два диапазона: диапазон затухания и диапазон распространения. Решающим фактором здесь является поведение коэффициента распространения γ по частоте.

Волна не может распространяться в зоне затухания. Коэффициент дисперсии считается чисто реальным. Соответственно, волна гасится апериодически. Моды, не способные к распространению, могут быть возбуждены и, по крайней мере, временно связывать часть энергии волны. Если частота волны такая же, как частота среза, коэффициент распространения равен нулю. Волна отражается под прямым углом между сторонами волновода без какого-либо переноса энергии. α м а Икс <\ displaystyle \ alpha _ <\ mathrm >>

Волновое сопротивление

Волновое сопротивление связывает амплитуды электрического и магнитного напряженности поля электромагнитной волны. В волноводе он зависит от частоты и различается для режима TM и TE, но имеет одинаковое значение во всем волноводе.

Выше предельной частоты ( f > f _limit ) импеданс является действительным, и энергия распространяется в волноводе. С другой стороны, ниже частоты отсечки импеданс является мнимым, и волна проникает в волновод с уменьшающейся амплитудой.

Различные волноводы и их режимы

Многие характерные свойства являются общими для всех типов волноводов. Это включает в себя частоту среза, ниже которой распространение волн не происходит.

В то время как ТЕМ-волны распространяются по коаксиальному кабелю (электрическое и магнитное поля всегда перпендикулярны направлению распространения), только так называемые H-волны (также TE-волны) и E-волны (TM-волны) обнаруживаются в волноводе, магнитном или электрическом. компоненты поля в направлении распространения.

К существованию мод относятся следующие правила:

Прямоугольный волновод

Как уже упоминалось выше, для прямоугольного волновода решающим является наибольший размер. Это означает, что ширина определяет волны, которые могут распространяться в этом проводнике.

Следующее относится к E-волне в направлении распространения:

Однако волна H10 типична для прямоугольных волноводов.

Круглый волновод

Волновод с эллиптическим поперечным сечением

Помимо прямоугольных и круглых волноводов используются также волноводы с эллиптическим поперечным сечением. Длина волны отсечки примерно соответствует удвоенному поперечному размеру ( λ _k ≈ 2 · a ). Как показывает практика, эллиптические волноводы несколько больше по своим поперечным размерам, чем прямоугольные волноводы с той же частотой среза.

С технической точки зрения эллиптические волноводы также могут быть выполнены в виде гибких линий. Таким образом, его можно хранить и транспортировать в рулонах или на «тросовых» барабанах. Эллиптические волноводы также допускают меньший радиус изгиба, чем круглые или угловые.

Подключения и подключения волновода

Когда коаксиальное соединение магнитно связано с волноводом, внутренний проводник в волноводе замыкается накоротко с задней стенкой. Здесь также создается максимум поля в точке подачи.

Поскольку в середине в точке B протекают только небольшие токи, любое контактное сопротивление там мало влияет. На этом этапе вы даже можете установить изолирующую резиновую пластину, чтобы заполнить волновод инертным газом. Этот принцип резонансного уплотнения также используется для герметизации дверцы микроволновой печи с использованием высокочастотной технологии.

история

Полосы частот волновода

Эта таблица основана на соотношении ширины к высоте 2: 1. Нижние рекомендуемые частоты передачи в среднем в 1,26 раза выше критических нижних предельных частот, обусловленные шириной, верхние частоты передачи в среднем в 1,48 раза выше нижних рекомендуемых частот передачи. Коэффициент 1,86 (среднее значение) верхних частот передачи для соответствующей критической нижней предельной частоты обеспечивает мономодовое распространение (значение Волноводы на практике

Линии вентилятор удерживает влагу из окружающей среды, которые могли бы исказить адаптацию волновода.

Источник

ВОЛНОВОДЫ

Хотя коаксиальные линии применяются широко, но все же они обладают некоторыми существенными недостатками, особенно заметными на сантиметровых волнах. Потери в этих линиях с повышением частоты значительно возрастают, так как поверхность внутреннего провода линии мала, а. следовательно, его сопротивление сравнительно велико. Кроме того, увеличиваются потери в изоляторах, отделяющих внутренний провод от внешнего. Если же увеличить диаметр внутреннего провода, т. е. уменьшить расстояние между ним и внешним проводом, то появляется опасность пробоя изоляции, особенно при больших мощностях.

На сантиметровых волнах линию во многих случаях заменяют волноводом, представляющим собой металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна (рис.1). Стенки волновода играют роль экрана, не дающего электромагнитным волнам распространяться в разные стороны и заставляющего их перемещаться только вдоль волновода.

По сравнению с коаксиальной линией потери энергии в волноводе меньше, так как отсутствует внутренний провод и нет никаких изоляторов. Наибольшее напряжение в волноводе получается между диаметрально противоположными точками его внутренней поверхности, если волновод имеет круглое сечение), или между противоположными стенками, если его сечение прямоугольное (рис.1). Расстояние между этими точками больше, чем расстояние между проводами в коаксиальной линии, и поэтому опасность пробоя при высоких напряжениях значительно меньше.

Однако волноводы имеют свой недостаток, который ограничивает их применение. В коаксиальной или симметричной линии могут распространяться волны любой частоты, а в волноводе возможно распространение только волн, у которых частота выше некоторой определенной величины, называемой критической частотой fKp. Иначе говоря, в волноводе могут распространятьея только волны, у которых длина короче некоторой критической длины волны (ламбда)кр. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Если волновод имеет диаметр 3 см, то критическая длина волны будет примерно (ламбда) —6 см. Более длинные волны через такой волновод распространяться не могут.

Ясно, что волноводы для коротких или метровых волн непригодны, так как это были бы трубы с поперечными размерами в единицы или десятки метров! Даже для дециметровых волн поперечник волновода должен быть порядка десятков сантиметров, что также неудобно. Поэтому волноводы используются только на сантиметровых волнах, для которых конструкция волновода не получается слишком громоздкой.
Теория распространения радиоволн в волноводах весьма сложна, и можно рассмотреть лишь некоторые выводы этой теории, которые хорошо подтверждены экспериментами.

В волноводе поперечная электромагнитная волна распространяться не может. Действительно, магнитное поле существует только внутри волновода, стенки которого являются экраном для электромагнитного поля высокой частоты. Поэтому магнитное поле в волноводе не может охватывать проводник с током, так как нет внутреннего провода, а оно должно охватывать продольное электрическое поле. Но поперечная электромагнитная волна не содержит продольного электрического поля. Если же предположить, что электрическое поле в волноводе поперечное, то оно должно охватываться замкнутыми магнитными силовыми линиями, которые будут лежать в продольных плоскостях. Однако у поперечной волны не может быть продольного магнитного поля.

Опыт и теория показывают, что в волноводах могут распространяться электромагнитные волны различных типов. Все они делятся на две группы: 1) электрические волны, обозначаемые Е, имеют электрическое поле, расположенное и в поперечном и в продольном направлениях, а магнитное поле только в поперечной плоскости; 2) магнитные волны, обозначаемые H, имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле только в поперечной плоскости.

Волну в волноводе можно рассматривать как сумму поперечных волн, распространяющихся зигзагообразно путем многократного отражения от стенок, как показано на рис.2. При этом более длинные волны распространяются с большим числом отражений и зигзагов.

Физический смысл отражения волн от проводника заключается в том, что падающая волна создает в поверхностном слое проводника токи, которые, в свою очередь, дают излучение новых электромагнитных волн, т.е. отраженных волн. Если проводник идеальный, то возникшие токи совершенно не расходуют энергию на его нагрев и энергия отраженной волны равна энергии падающей волны. Практически каждый проводник не является идеальным, в нем происходит некоторая потеря энергии на нагревание, и энергия у отраженной волны всегда несколько меньше, чем у падающей.

На рис.3 показаны электрическое и магнитное поля для простейшей основной волны типа Н, которая наиболее часто применяется на практике. Магнитные силовые линии здесь изображены штриховыми, а электрические силовые линии — сплошными линиями.

Силовые линии, перпендикулярные к плоскости чертежа, показаны либо точками, если они идут на нас, либо крестиками, если они идут от нас.

Так как волна, отраженная от одной стенки, складывается с волной, отраженной от противоположной стенки, то в поперечном направлении волновода всегда получаются стоячие волны. Бегущая волна в поперечном направлении не может распространяться, так как движению энергии в одну сторону препятствуют стенки волновода.

В поперечном направлении в простейшем случае укладывается одна стоячая полуволна так, что у противоположных стенок могут быть узлы, а в середине — пучность или наоборот. В направлении вдоль волновода может получаться различный режим. Если на конце волновода отражение отсутствует, то будет бегущая волна. Полное отражение, например, в случае, если конец волновода закрыт металлической стенкой, дает режим стоячих волн. При частичном отражении будут смешанные волны.

Для изображенной на рис.4 волны в точках А и В получается максимум поперечной составляющей магнитного поля, а в точках Б и Г — максимум его продольной составляющей. Расстояние АВ равно половине длины волны. В точке Д напряженность магнитного поля равна нулю. У следующей (соседней) полуволны магнитного поля все повторяется, но только магнитные силовые линии идут в противоположи ом направлении.

На рис.3 г даны кривые, показывающие изменение H_прод и Н_попер вдоль стороны b поперечного сечения волновода. Эти кривые соответствуют стоячим волнам магнитного поля в поперечном направлении, причем Н_прод имеет пучности у стенок и узел посередине, а Н_попер — наоборот.

Необходимо отметить, что картина поля, показанная с помощью некоторого числа силовых линий, является весьма грубой. Силовые линии, конечно, отображают реально существующее поле, но чем оно сложнее, тем более неточным становится данный метод. Изображение лоля силовыми линиями не вскрывает тонкой структуры поля. Это особенно чувствуется при рассмотрении сложных полей в волноводах. Однако в нашем распоряжении нет более совершенного метода изображения структуры электрического или магнитного поля.

У электрического поля волны Н структура проще, так как оно имеет только поперечную составляющую. На рис.3 в показано распределение электрического поля в поперечном направлении, а на рис.3 г приведена кривая изменения напряженности поля Е по этому направлению. Как видно, вдоль размера b укладывается одна стоячая полуволна электрического поля, причем в середине волновода получается пучность, а у стенок — узлы. Таким образом, вдоль стороны b распределение электрического поля совпадает с распределением поперечной составляющей магнитного поля (рис.3 г). Не следует при этом забывать, что векторы Е и Н_попер взаимно-перпендикулярны.

В направлении вдоль волновода электрическое поле распределено так, как изображено на рис.3 6.

Соответствующая кривая показывает, что в этом направлении закон распределения электрического поля также совпадает с распределением поперечной составляющей магнитного поля, т. е. максимум электрического поля получается там, где имеется максимум поперечного магнитного поля. Такая структура поля характерна для бегущей волны, у которой колебания электрического и магнитного полей совладают по фазе, т. е. наибольшее количество электрических силовых линий имеется там, где находится наиболее сильное магнитное поле. А в случае стоячей волны, наоборот, максимум электрического поля находится там, где магнитное поле наиболее слабое.

Помимо основной волны, существуют еще и многие другие типы волн. Для классификации поля в прямоугольных волноводах принята следующая система. Около обозначения волны ставится индекс из двух цифр, показывающих соответственно число стоячих полуволн вдоль меньшей и большей сторон поперечного сечения. Например, рассмотренная основная волна типа Н обозначается H01(или TE01), так как для нее вдоль стороны а поперечного сечения волновода стоячей волны нет, а вдоль стороны b распределена одна стоячая полуволна. В прямоугольном волноводе могут также распространяться волны высших порядков, имеющие более сложные поля, в которых вдоль одной стороны сечения распределено две, три или больше стоячих полуволн. Эти волны не имеют практического применения, так как ведут к увеличению сечения волновода и потерь по сравнению с простейшими волнами.
Для классификации волн в круглых волноводах к обозначению волны также прибавляют две цифры в виде индексов. Первая цифра показывает число стоячих полуволн вдоль полуокружности, а вторая — соответствует числу стоячих полуволн вдоль радиуса.

Вдоль волновода всегда наблюдается некоторое затухание волны, т. е. ее энергия постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что на внутренней поверхности стенок волновода создаются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев металла. Потери анергии отсутствовали бы только в случае стенок из идеального проводника.

С понижением частоты к критическому значению затухание возрастает, что объясняется увеличением числа отражений волн от стенок. Когда частота близка к критической, затухание становится очень большим, а критическая волна вообще не проходит вдоль волновода. Но и при значительном повышении частоты затухание также возрастает за счет того, что толщина поверхностного слоя, в котором проходят токи, уменьшается, а его сопротивление увеличивается. Отсюда следует, что на некоторой средней наивыгоднейшей частоте затухание имеет наименьшую величину.

В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от наличия большего или меньшего отражения на конце волновода. Режим работы линии характеризует

Если в конце волновода безвозвратно расходуется вся энергия бегущей волны, то в волноводе получается режим чисто бегущей волны. Действующее значение напряженности электрического поля в различных точках вдоль волновода тогда будет неизменно (затухание во внимание не принимается) и кбв=1.

Этот режим наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии. Например, в передающих устройствах сантиметрового диапазона волновод соединяет генератор с антенной. Для получения в волноводе бегущей волны антенна должна поглощать полностью энергию, передаваемую по волноводу, т. е. антенна как нагрузка должна быть согласована с волноводом.

При проведении многих измерений и испытаний на сантиметровых волнах также необходим режим бегущей волны в волноводе. Для его получения в конце волновода помещают поглощающую или оконечную нагрузку. Она представляет собой проводник со значительным сопротивлением, занимающий некоторый объем или поверхностный слой на пластинке диэлектрика.

Если на конце волновода волна полностью отражается, то устанавливается режим стоячих волн. Полное отражение можно получить, закрыв конец волновода металлической, хорошо проводящей крышкой. Режим стоячих волн используется при различных измерениях. Он удобен для измерения длины волны в волноводе, так как в стоячей волне напряженность поля Е в узлах равна нулю. Это дает возможность установить положение двух соседних узлов, расстояние между которыми равно половине длины волны.

Режим смешанных волн получается, если на конце волновода энергия поглощается частично. Практически, обычно всегда бывает этот режим, так как невозможно получить чисто бегущую или чисто стоячую волну. Особенно трудно осуществить режим бегущей волны. Принято считать, что нагрузка хорошо согласована с волноводом, если кбв получается не меньше 0,8. Во многих случаях даже довольствуются значением кбв от 0,5 и выше. Режимы работы волновода имеют сходство с режимами для двухпроводной линии. Случай, когда конец волновода закрыт, аналогичен короткоз а минутой линии. Однако режим разомкнутой линии получить в волноводе нельзя. Если конец волновода оставить открытым, то волна лишь частично отражается, а частично излучается в пространство, и поэтому получается режим смешанных волн.

Устройства, связывающие волноводы с другими цепями, служат для возбуждения волн в волноводе или для отбора энергии из волновода. Любое устройство, дающее возбуждение волн, может быть использовано и для приема волн.
Электрическая связь осуществляется с помощью металлического проводника, называемого штырьком (или зондом), и установленного внутри волновода вдоль электрических силовых линий в том месте, где электрическое поле наиболее сильное. Обычно такой штырек является продолжением внутреннего провода коаксиальной линии, подводящей энергию к волноводу. Так как размеры штырька соизмеримы с длиной волны, то он работает как хорошая антенна.

Источник