волновод металлический

Распространение волн в В. м. возможно только при наклонном падении волны на стенки В. м. (= . При нормальном падении (=0),k_z=0, поле перестаёт зависеть от z и волна оказывается как бы запертой между двумя плоскостями. В результате в В. м. образуются нормальные колебания, частоты к-рых определяются числом полуволн п, укладывающихся между металлич. плоскостями: (с - скорость света в вакууме, d - расстояние между плоскостями). Эти частоты наз. критическими частотами В. м. Ниж. критич. частота соответствует n=1. Внутри В. м. могут распространяться волны только с частотами , или . Длина волны в В. м. (периодичность поля вдоль оси Oz): . При при . Это означает, что при поле в В. м. имеет не волновой, а колебат. характер. При волна в В. м. затухает.

Поэтому для передачи сигналов длинноволнового диапазона В. м. оказываются слишком громоздкими: их применяют обычно для <10-20 см. В технике СВЧ используют каналы разл. сечений (рис. 2). Обычно к В. м. относят только каналы с односвязными сечениями; каналы с двух- или многосвязными сечениями относят к линиям передачи, хотя они являются разновидностями В. м.

Волноводные моды (волноводные волны). В В. м. могут возбуждаться разл. типы волн, отличающиеся структурой эл--магн. поля и частотой (моды ).Волноводные моды находят из решения Максвелла уравнений при соответствующих граничных условиях (для идеальных проводников равенство нулю тангенциальной составляющей электрич. поля). Поперечная структура полей в В. м. определяется скалярной ф-цией , удовлетворяющей ур-нию идеальной мембраны с закреплёнными (=0) или свободными (=0, п - нормаль к границе S)краями в зависимости от типа поляризации эл--магн. поля. Задача о собств. колебаниях мембраны имеет бесконечное, но счётное множество решений, соответствующих дискретному набору действительных собств. частот. Каждое из этих собств. колебаний соответствует либо нормальной волне, распространяющейся вдоль В. м., либо экспоненциально убывающей или нарастающей колебат. модам.

Рис. 2. Формы поперечного сечения нек-рых металлических волноводов.

Рис. 3. Структура поля волны TE₁₀ в прямоугольном волноводе; сплошные линии - силовые линии электрического поля, пунктирные - магнитного поля.

Для прямоугольного В. м. с длиной сторон а и b спектр собств. частот определяется выражением: , где п и т - числа стоячих полуволн, укладывающихся вдоль а и b. Чем больше т и п, тем сложнее поле в В. м. Наименьшее соответствует n=1, m=0, если b<а, или n=0, m=1, если а<b (мембрана со свободными краями; именно для этой моды была проиллюстрирована выше концепция Бриллюэна). При этом поле E поляризовано в плоскостях z=const.

Рис. 4. Структура поля волны TE₁₁ в прямоугольном волноводе.

Рис. 5. Структура поля волны TM₁₁ в прямоугольном волноводе.

Эти волны наз. ТЕ-волнами (от англ. transverse - поперечный) или Н-волнами. Простейшие моды прямоугольного В. м.- волны TE₁₀ (рис. 3) и TE₁₁ (рис. 4). Задача о мембране с закреплёнными краями порождает волны типа ТМ_пт (или Е_пт). Здесь и nK0, и тK0, т. к. силовые линии магн. поля не могут упираться в идеально проводящие стенки (они всегда замыкаются сами на себя). Простейшая волна этого типа - TM₁₁ (рис. 5). С увеличением размера В. м. число мод растёт. При этом поперечное сечение В. м. разбивается на ячейки, каждая из к-рых как бы представляет собой элементарный В. м. с одной из простейших мод - типа TE₁₀, TE₁₁ или TM₁₁.

Рис. 6. Структура поля волны ТМ₀₁ в круглом волноводе.

Рис. 7. Структура поля волны TE₀₁ в круглом волноводе.

Аналогично можно построить распределение полей в В. м. любого поперечного сечения. На рис. 6-9 показаны структуры полей для мод внутри В. м. круглого сечения. Простейшей является мода TE₁₁ (рис. 9), к-рая топологически соответствует волне ТЕ₁₀ в прямоугольном В. м.

Рис. 8. Структура поля волны ТМ₁₁ в круглом волноводе.

Рис. 9. Структура поля волны TЕ₁₁ в круглом волноводе.

Если меньше мин. критич. частоты данного волновода, то в нём не существует распространяющейся волны. Однако если сечение неодносвязно, как, напр., в двухпроводной линии или в коаксиальном кабеле, то одна волна имеет нулевую критич. частоту, т. е., по крайней мере, распространяется при сколь угодно низкой частоте, в ней E_z=0, H_z=0, фазовая скорость в случае вакуумного заполнения не зависит от частоты и равна с, групповая скорость тоже равна с. Это кабельная, или ТЕМ-мода; она используется практически во всех HЧ энергетич. линиях передач и линиях связи.

Иногда, особенно на миллиметровых волнах или при передаче большой мощности, применяют т. н. сверхразмерные В. м., сечение к-рых настолько велико, что в них может распространяться не только осн. волна, но и неск. других волн. При этом возможен нежелат. процесс преобразования - перехода энергии от одного типа волны к другому. Такие преобразования происходят на любой нерегулярности, напр. на изгибе В. м., на неточном (со смещением или изломом) стыке двух волноводных секций и т. д. Для предотвращения преобразований и для ослабления вызываемого ими нарушения структуры поля применяют, в частности, разл. корректирующие диэлектрич. пластинки, вводимые внутрь В. м. Используя ферритовые материалы, можно создать В. м. с невзаимными свойствами (обычно одномодовые), в к-рых волны одного и того же типа, распространяющиеся в противоположных направлениях, имеют разл. свойства. Такие системы используют в качестве СВЧ-вентилей.

Нераспространяющиеся волны, для к-рых , образуются вблизи любой нерегулярности, элементов связи, волноводных элементов, но поле их быстро убывает при удалении от этих элементов. В нек-рых устройствах эти волны используют для создания градуируемых аттенюаторов поля в В. м.

Все волноводные моды (кроме кабельных) быстрые: их фазовая скорость (в общем случае больше скорости однородной плоской волны в среде, заполняющей В. м.) и всегда нелинейно зависит от частоты , причём , т. е. В. м. подобен среде с норм. дисперсией (см. Дисперсия волн ).Групповая скорость волны любого типа в В. м. обратно пропорциональна: ; она меньше скорости света с в вакууме. T. к. и различны для разных мод, то для неискажённой передачи сигналов следует либо работать в диапазоне частот, допускающих распространение только одной, простейшей моды, либо, наоборот, пользоваться сверхразмерными многомодовыми В. м., когда при из множества распространяющихся мод может быть сформирован почти оторванный от стенок волновой пучок (см. Квазиоптика, Оптический резонатор).

Возбуждение В. м. осуществляется с помощью антенн: металлич. штыря (электрич. диполь), петли (магн. диполь), отверстия или щели (щелевая антенна). Электрич. диполь должен быть ориентирован по линиям поля нужной моды, петли должны пронизываться линиями , а щели прорезываться в стенках поперёк линий тока, т. е. вдоль линий . Эффективность возбуждения зависит также от характеристик антенны, обычно оптимальным является равенство её внутр. сопротивления сопротивлению излучения в данную моду.

Затухание волн в В. м. обусловлено потерями энергии в металлич. стенках или диэлектрич. среде. Частотная зависимость коэф. затухания из-за потерь в стенках показана на рис. 10; при очень больших со потери растут с частотой для всех мод, кроме волны в круглом В. м.

Рис. 10. Частотная зависимость коэффициента затухания для моды TE₁₁ круглого волновода из-за потерь в проводящих стенках.

В. м. служат фидерными устройствами в радиолокац. и др. системах, т. е. используются для передачи сигнала от передатчика в передающую антенну и от приёмной антенны к приёмнику. Фидерная система на СВЧ имеет вид волноводного тракта, состоящего из разл. волноводных узлов.

Осн. преимуществом В. м. по сравнению с обычными линиями передачи (двухпроводной линией и коаксиальным кабелем) являются относительно малые потери энергии. Причина состоит в том, что при одинаковых внеш. размерах В. м. и двухпроводной линии (или коаксиального кабеля) поверхность волновода, по к-рой протекают электрич. токи (при распространении волны), обычно больше, чем поверхность проводов двухпроводной линии (или жилы коаксиального кабеля). T. к. глубина проникновения токов во всех случаях определяется скин-эффектом, то плотности токов, а следовательно, и джоулевы потери в В. м. меньше, чем в линии.

Лит.: Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1, M., 1970; Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П., Справочник по элементам волноводной техники, 2 изд., M., 1967; Xарвей А. Ф., Техника сверхвысоких частот, т. 1-2, пер. с англ., M., 1965; Каценеленбаум Б. 3., Высокочастотная электродинамика, M., 1966; Фелсен Л., Маркувиц H., Излучение и рассеяние волн, т. 1-2, пер. с англ., M., 1978; Виноградова M. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П., Теория волн, M., 1979. M. А. Миллер.

   <<      Предметный указатель      >>