РАДИОВОЛНОВОД

РАДИОВОЛНОВОД диэлектрический
канал (направляющая система) для распространения радиоволн. Боковая
поверхность канала является границей раздела двух сред, при переходе через
к-рую резко меняются диэлектрическая е или магнитная м проницаемости и
электропроводность (I. Боковая поверхность может иметь произвольную форму,
но наиболее широко применяются цилиндрич. Р., в частности цилиндрич. металлич.
полости, заполненные воздухом или к.-л. газом. Поперечное сечение металлич.
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 (напр., двухпроводная коаксиальная линия; рис. 1,3).

Рис. 1. Формы поперечного сечения нек-рых
радиоволноводов (а, б, в, г) и коаксиальной двухпроводной линии (д).

Можно показать, что внутри Р. вдоль его
оси распространяется волновое поле, к-рое является результатом многократного
отражения волн от внутр. стенок Р. и интерференции отражённых волн. Это
определяет гл. особенность Р., к-рая состоит в том, что распространение
волн в них возможно только в том случае, если поперечные размеры Р. сравнимы
с длиной волны X или больше X. Напр., для X = 30 см больший размер
а
сечения прямоугольного Р. ок. 20-25 см. Это обусловливает применение
Р. гл. обр. в области сверхвысоких частот.

Р. служат направляющими системами в радиолокационных
и др. станциях для передачи энергии от передатчика в передающую антенну,
от
приёмной антенны к радиоприёмнику. 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
(напр., рупорный переход 2, рис. 2).

Рис. 2. Схема волноводного тракта: 1-
генератор СВЧ; 2 - рупорный переход; 3,6 - отрезки прямоугольных волноводов;
4 - угловой изгиб; 5 - вращающееся соединение; 7 - рупорная антенна.

Осн. преимуществом металлич. 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, напр., двухпроводной
линии поверхность Р., по к-рой текут электрич. 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 спец. обработки внутр. поверхности
стенок; сложность монтажа.

Поскольку поперечные размеры Р. сравнимы
с X, 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.

Рис. 3. Прямоугольный волновод.

В случае прямоугольного Р. (рис. 3) для
любой из проекций f электрического Е и магнитного Н полей
теория приводит к волновому ур-нию:

где k = 2Пи/Л = w/с - волновое число,
со - частота колебаний, с - скорость света. Решение этого ур-ния
для бесконечно длинного прямоугольного Р. приводит к след. выражениям для
комплексных
амплитуд проекций векторов Е и Н:

Здесь а и b - размеры поперечного
сечения прямоугольного Р., т и п - любые положительные целые
числа, ААBпостоянные определяемые условиями возбуждения Р. Постоянная
распространения 7, определённая из (2) п (1), равна:

Наличие тригонометрич. множителей в (2)
говорит об образовании стоячих волн в направлениях, перпендикулярных
стенкам Р. Касательные составляющие электрич. поля на стенках имеют узлы,
а нормальные - пучности. Числа тик определяют число полуволн, укладывающихся
соответственно вдоль размеров а и b. Чем больше т и
п,
тем сложнее поле в сечении Р.

В Р. волновое поле является суммой полей
бесконечного множества типов волн. Все типы волн подразделяются на той
класса: ТЕ (или Н)-волны, ТМ (или E)-волны и ТЕМ-волны;
Т означает поперечность (трансверсальность). Каждый тин волн имеет
свою структуру поля: в ТЕ-волнах электрич. поле сводится лишь к
поперечным составляющим, но магнитное поле имеет и продольную, и поперечную
составляющие; TМ-волны имеют только поперечные составляющие магнитного
поля; продольную составляющую имеет лишь электрич. поле; ТЕМ-волны вообще
не имеют продольных составляющих поля и могут существовать только в многосвязных
Р. Волны с различными т и п записываются в виде ТМ

И ТЕтп (или ЕВолны
с наименьшими индексами т и п наз. простейшими. В случае
ТМ-волн (НТМ(рис.
4).

Рис. 4. Структура поля волны ТМв прямоугольном волноводе.

Волны TMTMнеосуществимы,
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
ТМ(рис. 5).

Рис. 5. Структура поля волны ТМв прямоугольном волноводе.

В случае ТE-волн (Eсуществование волн при m=0, п не равнго 0 или п = 0, т
не равно 0, т. к. линии электрического поля могут быть прямыми, начинающимися
и заканчивающимися на противоположных стенках Р. (рис. 6, 7). Из волн ТЕи ТЕ(рис. 8).

Рис. 6. Структура поля волны ТЕв прямоугольном волноводе.

Рис. 7. Структура поля волны ТЕв прямоугольном волноводе.

Рис. 8. Структура поля волн ТЕ(а) и ТЕ

Множитель e^-yz определяет изменения
амплитуды и фазы волны при распространении её вдоль оси Р. При отсутствии
потерь Y должна быть чисто мнимой

величиной: y =ia, т. е. k²=
w²/c²> (т Пи /a)² + (n Пи/b)².
Это
соответствует условию для частоты:

к-рое означает, что Р. пропускает без затухания
только колебания с частотой выше нек-рой граничной частоты wей соответствует критич. длина волны Акр. Граничная частота wтем выше, чем меньше а и b, т. е. размеры Р. При заданной
рабочей частоте со нужны тем большие размеры Р. а и b, чем больше
m и n, т. с. чем сложнее волна.

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

Фазовая скорость распространения волны
в Р. равна:

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 большие, чем шире спектр
их частот.

Затухание волны в Р. описывается вещественной
частью комплексной постоянной распространения у = В + iа и объясняется
в реальных Р. потерями в стенках и в заполняющем Р. диэлектрике. В "идеальных"
(без потерь) Р., если w<wбез потерь энергии (за счёт полного отражения). В Р. можно работать только
на одном первом типе волны, выбрав размеры Р. определённым образом (напр.,
для прямоугольного Р. и волны Нвыбрав величину а
из
соотношения a < Л < 2а). Обычно берут а = 0,72 Л см,
что
даёт: a = 72 мм на Л = 10 см; a = 23 мм
на
X = 3,2 см (см. табл.).

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

Для Р. круглых сечений основным ур-нием
вместо (1) становится Бесселя уравнение с решениями в виде цилиндрич.
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. Напр., в силу осевой симметрии полей у волн
TMво вращающихся соединениях. На рис. 11 и 12 показаны структуры поля волн
ТМи TEв круглом Р. Применение волн с относительно
малым Л

Рис. 9. Структура поля волны в круглом
волноводе.

Рис. 10. Структура поля волны ТЕкруглом волноводе.

Рис. 11. Структура поля волны в круглом
волноводе.

Рис. 12. Структура поля волны ТЕв круглом волноводе.

затруднительно, т. к. при обеспечении условий
распространения для них одновременно в Р. будут распространяться и все
предыдущие "ненужные" типы волн. Волна TEв круглом
Р. обладает тем исключительным свойством, что потери на стенках Р. непрерывно
уменьшаются с укорочением Л. 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. Осн. трудность заключается в обеспечении необходимой
"чистоты" поля волны TEпо всей линии устранением др.
типов волн, возникающих под воздействием различного рода неоднородностей.
В Р. с потерями понятие резкой границы пропускания при wпростой смысл. В Р. с потерями проходят волны (хотя и слабо) "за критической
волной" Л > Л

Критические длины волн X для прямоугольных
и круглых радиоволноводов