Волноводы. Распределение поля в волноводе. Возбуждение волноводов

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.

Рис. 3.38. Волноводы.

На сантиметровых волнах линию во многих случаях заменяют волноводом, представляющим собой металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна (рис. 3.38).

Стенки волновода играют роль экрана, не дающего электромагнитным волнам распространятся 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.

В волноводе возможно распространение только волн, у которых частота выше некоторой определенной величины, называемой критической частотой f _кр. Иначе говоря, в волноводе могут распространяться только волны, у которых длина короче некоторой критической длины волны l_кр. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Если волновод имеет диаметр 3 см, то критическая длина волны будет примерно l_кр = 6 см. Более длинные волны через такой волновод распространяться не могут.

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 Н, имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле только в поперечной плоскости. Так как у волн Е магнитное поле является только поперечным, то их иногда называют поперечно-магнитными волнами и обозначают ТМ. Волны Н, у которых чисто поперечным является только электрическое поле, иногда называют поперечно-электрическими волнами и обозначают ТЕ (Т – символ поперечного действия сил.). Поперечная электромагнитная волна получает при этом обозначении ТЕМ.

На рисунке 3.39 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.

Рис. 3.39. Структура электрического и магнитного полей в прямоугольном волноводе для основной волны типа H.

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

Для изображенной на рисунке 3.39 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 всё повторяется, но только магнитные силовые линии идут в противоположном направлении.

В случае бегущей волны вся нарисованная картина поля движется вдоль волновода, так что рисунке 3.39 следует рассматривать как мгновенный фотоснимок поля, справедливый только для одного момента времени. Распределение магнитного поля вдоль волновода для этого момента показывают кривые рисунка 3.39. Один из них показывает распределение поперечной составляющей Н_попер, а другой – продольной составляющей Н_прод. При этом следует помнить, что поперечная составляющая получается наибольшей на средней плоскости волновода (на линии АВ) и по мере приближения к стенкам уменьшается до нуля, а продольная составляющая, наоборот, имеет наибольшее значение у стенок и по мере приближения к средней плоскости волновода уменьшается до нуля.

На рисунке 3.39(г) даны кривые, показывающие изменение Н_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.

У электрического поля волны Н структура проще, так как оно имеет только поперечную составляющую. На рисунке 3.39(в) показано распределение электрического поля в поперечном направлении, а на рисунке 3.39(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. 3.39(г)).

В направлении вдоль волновода электрическое поле распределено так, как изображено на рисунке 3.39(б). 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 совпадают по фазе, т.е. наибольшее количество электрических силовых линий имеется там, где находится наиболее сильное магнитное поле.

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.

Рис. 3.40. Электрическая связь коаксиальной линии с волноводом для волны Н_01.

Так как размеры штырька соизмеримы с длиной волны, то он работает как хорошая антенна.

На рисунке 3.40 показано возбуждение волн типа Н₀₁ в прямоугольном волноводе при помощи штырька, расположенного в пучности электрического поля на расстоянии 1/4 l от закрытого конца волновода, служащего для отражения волн. Этот участок волновода длиной 1/4 l подобно четвертьволновой короткозамкнутой линии имеет входное сопротивление, близкое к бесконечности, и практически не влияет на режим работы подводящей линии.

Чем больше длина штырька, находящегося в волноводе, тем сильнее связь, т.е. тем больше энергии передается в волновод, подобно тому, как более высокая антенна дает более сильное излучение, нежели антенна малых размеров.

Магнитная связь осуществляется с помощью витка (петли) связи, который располагается в месте, где магнитное поле наиболее сильно, причем его плоскость перпендикулярна магнитным силовым линиям. Так как размеры витка соизмеримы с длиной волны, то он дает эффективное излучение электромагнитных волн и его можно уподобить одновитковой рамочной антенне большого размера. На рисунке 3.41 показано одно из возможных расположений витка для возбуждения в прямоугольном волноводе волны типа Н₀₁.

Рис. 3.41. Одно из расположений витка для возбуждения в прямоугольном волноводе Н₀₁.

Чем больше размеры витка, тем сильнее связь. Регулировку связи удобно осуществлять поворотом витка. Следует иметь в виду, что магнитная связь всегда сопровождается некоторой электрической связью.

При отборе энергии штырьки или витки связи выполняют роль приемной антенны. Волны, прошедшие по волноводу, создают своим электрическим полем в приемном штырьке некоторую ЭДС, а в витке связи ЭДС индуктируется магнитным полем.

Применяется также дифракционная связь, т.е. связь через отверстие. Например, можно передать часть энергии волны из одного волновода в другой, если в общей стенке этих волноводов сделать отверстие той или иной формы. Такая связь усиливается при увеличении размеров отверстия. При электрической и магнитной связи имеется всегда и некоторая дифракционная связь, так как коаксиальная линия своим открытым концом соединена с волноводом.

Вывод: Потери в коаксиальных линиях с повышением частоты значительно возрастают, поэтому на сантиметровых волнах коаксиальную линию во многих случаях заменяют волноводом. Потери в волноводе меньше, т.к. отсутствует внутренний провод и нет никаких изоляторов. Однако в волноводе возможно распространение только волн, у которых частота выше некоторой критической частоты.