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, А_x, А_y, А_z, В_x, B_y, B_z - постоянные 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_mn

И ТЕтп (или Е_тп, Н_тп). Волны с наименьшими индексами т и п наз. простейшими. В случае ТМ-волн (Н_z = 0) простейшей волной является волна ТМ₁₁(рис. 4).

Рис. 4. Структура поля волны ТМ₁₁ в прямоугольном волноводе.

Волны TM₁₀ и TM₀₁неосуществимы, 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 ТМ₁₁ (рис. 5).

Рис. 5. Структура поля волны ТМ₃₂ в прямоугольном волноводе.

В случае ТE-волн (E_z =0) возможно существование 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 ТЕ₁₀ и ТЕ₁₁, как из ячеек, составляются все сложные типы ТВ-волн (рис. 8).

Рис. 6. Структура поля волны ТЕ₁₀ в прямоугольном волноводе.

Рис. 7. Структура поля волны ТЕ₁₁ в прямоугольном волноводе.

Рис. 8. Структура поля волн ТЕ₂₀ (а) и ТЕ₂₁ (б )в прямоугольном волноводе.

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 w_rp; ей соответствует критич. длина волны Акр. Граничная частота w_rp тем 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<w_rp, электромагнитное поле затухает без 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 Н₁₀, выбрав 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 TM_o1 и TE_o1 в круглом Р. (рис. 9,10) эти волны применяют во вращающихся соединениях. На рис. 11 и 12 показаны структуры поля волн ТМ₁₁ и TE₁₁ в круглом Р. Применение волн с относительно малым Л_кр

Рис. 9. Структура поля волны в круглом волноводе.

Рис. 10. Структура поля волны ТЕ₀₁ в круглом волноводе.

Рис. 11. Структура поля волны в круглом волноводе.

Рис. 12. Структура поля волны ТЕ₁₁ в круглом волноводе.

затруднительно, т. к. при обеспечении условий распространения для них одновременно в Р. будут распространяться и все предыдущие "ненужные" типы волн. Волна TE₀₁ в 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 TE₀₁ по всей линии устранением др. типов волн, возникающих под воздействием различного рода неоднородностей. В Р. с потерями понятие резкой границы пропускания при w_rp теряет простой смысл. В Р. с потерями проходят волны (хотя и слабо) "за критической волной" Л > Л_кр, рассчитанной для Р. без потерь.

Критические длины волн X для прямоугольных и круглых радиоволноводов

Тип волны

Прямоугольный волновод

Круглый волновод

ТЕ₁₀

ТЕ₂₀

ТЕ₁₀

ТЕ₁₁

TM₀₁

ТЕ₂₁,

ТM₁₁

ТЕ₀₁

Л_кр

2а

а

2b

3,41р

2,61р

2,06р

1,64p

1,64р

Для передачи сантиметровых и миллиметровых волн могут служить диэлектрич. Р., где поверхностью раздела, направляющей волну, служит внутренняя поверхность диэлсктрич. стержня. Диэлектрич. Р. чувствительны к внешним воздействиям и имеют дополнит. потери, связанные с просачиванием энергии за пределы Р., что затрудняет их практич. применение.

Р. с поверхностной волной представляют собой металлич. ленту или цилиндрич. проводник, на к-рых располагаются ребристая структура или диэлектрич. покрытие (рис. 13). Вдоль такого Р. могут распространяться волны различных типов, напр. ТМ₁₀. Энергия поля сосредоточена в окружающем пространстве: радиус поля (расстояние, на к-ром поле ещё ощутимо) зависит от ширины ленты и её проводимости и быстро уменьшается с укорочением X. Р. с поверхностной волной обладают меньшим затуханием, чем металлические Р., проще по конструкции и позволяют передавать большие мощности в широком диапазоне частот. Недостатки этих Р. связаны с тем, что поле поверхностной волны окружает Р. снаружи: различные неоднородности (деформации Р., крепления, соединения, окружающие предметы) приводят к излучению, т. е. к потерям энергии. Несмотря на это, Р. с поверхностной волной применяются как направляющие системы и как излучающие элементы в антеннах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

Рис. 13. Радиоволновод с поверхностной волной: а - с ребристой поверхностью; 6 - с диэлектрическим покрытием.

Применяются 3 способа возбуждения поля в Р.: линейным проводником с током (штырём), витком и через отверстие в боковой стенке или торце Р. Штырь располагают параллельно электрич. силовым линиям, плоскость витка - перпендикулярно магнитным силовым линиям. Щель или отверстие прорезают в металлич. поверхности по ходу магнитных силовых линий на этой поверхности. При этом для большей связи элементы возбуждения располагают в пучностях электрич. или магнитного поля (рис. 14).

Рис. 14. Способы возбуждения волны ТЕ₁₀: а - штырём; б - витком; в - отверстием.

Рис. 13. Согласующие элементы: а - реактивный штырь; б - индуктивная диафрагма; в - ёмкостная диафрагма; г - плавный переход с переменным сечением.

Согласование отрезков Р. друг с другом и с нагрузкой осуществляется с помощью т. н. согласующих элементов (рис. 15) в виде комбинаций пассивных штырей, индуктивных или ёмкостных диафрагм, а также в виде плавных переходов с переменным сечением. Недостатком большинства согласующих устройств является их малая диапазонность: согласование удаётся обеспечить, как правило, в полосе частот 1-2% и только в нек-рых случаях ок. 10-20%.

Практич. значение имеет вопрос о передаче по Р. больших мощностей. Р. с размерами сечения, соответствующими распространению волн только первого типа, может пропустить мощность лишь порядка 3-4 Mвm. Если же размеры сечения Р. при заданной длине волн взять большими, то в нём будут распространяться и высшие типы волн.

Лит.: Введенский Б. А., Аренберг А. Г., Радиоволноводы, ч. 1, М.- Л., 1946; Кисунько Г. В., Электродинамика полых систем, Л., 1949; Вайнштейн Л. А., Дифракция электромагнитных н звуковых волн на открытом конце волновода М., 1953; Казначеев Ю. И., Широкополосная дальняя связь по волноводам, М., 1959; Коган Н. Л., Машковцев Б. М., Цибизов К. Н., Сложные волноводные системы, Л., 1963; Теория линий передачи сверхвысоких частот, пер. с англ., под ред. А. И. Шпунтова, ч. 1 - 2, М., 1951; Гуревич А. Г., Полые резонаторы и волноводы. Введение в теорию, М., 1952; Левин Л., Современная теория волноводов, пер. с англ., М., 1954; Ширман Я. Д., Радиоволневоды и объемные резонаторы, М., 1959; Вайнштейн Л.А., Электромагнитные волны, М., 1957; Каценеленбаум Б. З., Высокочастотная электродинамика, М., 1966; Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1, 1970; Харвей А. Ф., Техника сверхвысоких частот, М., 1968; Фельдштейн А. Л. и др., Справочник по элементам волноводной техники, М., 1967.

И. В. Иванов.