Файл: Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 239

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ния обусловлено особенностью структуры поля волны #сн и вообще

волн #от. На высоких частотах по концепции Бриллюэна

парци­

альные волны падают на граничную поверхность

очень

полого,

так что продольные составляющие поля становятся весьма

 

малы­

ми по

сравнению с поперечными. У всех волн кроме # о т е

компо­

нента

# ф

у стенки волновода

начинает преобладать

над # 2 .

Ком­

понента

# Ф вызывает продольные токи в стенках и ее вклад

опре­

деляется

вторым слагаемым

в квадратных скобках

ф-лы

 

(9.55).

У волн #о т составляющая # Ф

вообще отсутствует,

а # 2 с

ростом

частоты уменьшается; следовательно, плотность токов в стенках волновода также уменьшается. Этот эффект оказывается значи­

тельно

сильнее, чем

увеличение

поверхностного

сопротивления

R s ~ k & .

В результате

частотная

кривая

аП р

имеет падающий

характер.

 

 

 

 

 

В заключение заметим следующее. Малое

затухание волны

#oi возможно только

при І/^Ї (4-^-6)

в таком

волноводе су­

ществует очень большое число волн высших порядков. Кроме того,

расчет по ф-ле (9.55) справедлив

лишь в

том

случае,

если

волны

#oi и Ец не вырождены, т. е. соответствующим

изменением

конст­

рукции волновода критические частоты этих

двух волн

разнесены.

К о э ф ф и ц и е н т з а т у х а н и я

в о л н

Епт

 

определяется

ф-ла-

м,и (8.45), (9.42) и (9.48). После преобразований,

аналогичных

предыдущим, получаем

 

 

 

 

 

 

«пр = - ^ Ч г

= - -

^

Д •

 

(9.56)

aZB У К

2а

У К

 

 

 

 

Кривые для волн Е01 и £ ц приведены на рис. 9.23.

 

ПОЛЯРИЗАЦИОННОЕ ВЫРОЖДЕНИЕ ВОЛН

 

 

 

 

 

В волноводах кругового сечения при

 

как

следует

из

ф-лы

(9.38), возможны две волны, отличающиеся

 

между

собой

лишь

ориентацией линий

поля

относительно

поперечной

оси

на

угол

 

 

ф/2п.

Обозначим

волну,

соответствующую

 

 

cos п <р в

(9.38)

индексом

с,

а

волну,

соответ­

 

 

ствующую

sinnq), — индексом s.

 

 

 

 

 

Вектор

Е в поле волны

# ц

совпадает

с од­

 

 

ним из диаметральных сечений, которое назо­

 

 

вем

плоскостью

поляризации

 

волны.

 

Ранее

 

 

рассмотренная

волна Н°п

поляризована в пло­

 

 

скости yOz, а волна

Hsu

— в

перпендикулярной

Р и с - 9 -

2 4

ей плоскости хОг (рис. 9.24).

 

 

 

 

 

Поворот плоскости поляризации не сказывается на параметрах

волны. Критические

частоты

волны

типа

#

спт

и # £ т ,

а также

волн

Е °пт и Е snm в

круглом

волноводе

совпадают;

-равны

их

ско­

рости

распространения и

коэффициенты

затухания..

 

Это

явление

называют поляризационным вырождением. Следствием поляриза­ ционного вырождения является довольно интенсивный обмен энер­ гией между вырожденными волнами на нерегулярностях волно­ вода.

Пусть на входе волновода возбуждена волна Н \х . На сходных по характеру нерегулярностях часть мощности этой волны пере­ дается волне Н\х , причем сохраняется определенный фазовый сдвиг между этими волнами. Так как скорости волн совпадают,

возбужденные на нерегулярностях волны Н\х

складываются по

всей длине волновода в фазе, что и определяет

довольно значи­

тельную амплитуду паразитной волны. Суммарная волна на выхо­ де волновода оказывается эллиптически поляризованной с боль­

шой осью эллипса, повернутой на некоторый

угол

относительно

первоначальной

плоскости поляризации.

При

вырождении плос­

кость поляризации

волны

неустойчива.

 

 

 

Измерив радиальные

составляющие Ermax

и Erm%n,

параллель­

ные большой и малой осям эллипса поляризации на выходе вол­

новода,

можно

найти

коэффициент

кроссполяризации

 

Тки =

= 201g {Ermin/Ermax)

[дБ]. Величина Ткп

пропорциональна

длине

волновода, числу неоднородностей и их величине.

 

 

 

9.6. Эллиптические волноводы

 

 

Волновод

эллиптического

сечения

(рис. 9.25) с полуосями

а и Ь

характеризуют

эксцентриситетом

e = Y

1 — (b/a)2 (b<a).

Картины

линий поля волн в эллиптическом

и круглом волноводах

аналогич­

ны,

их наименования совпадают,

однако в эллиптическом волново­

де

поляризационное вырождение

отсутствует, так как критические,

частоты

волн

с разной

поляризацией, например

Н°п

и Н \х, не

совпадают. При малой

эллиптичности

/ К р П / / к р п

=b/a.

 

При большой эллиптичности возможно создание в волноводе

одномодового

режима с волной

Н°и

. В этом случае волна в эллип­

тическом волноводе так же устойчива,

как в прямоугольном вол­

новоде. Критическая частота для основной волны Нсп

рассчиты­

вается с погрешностью

не более 1 % по приближенной

формуле-

(fKp, ГГц; а, см):

 

 

 

 

 

 

 

/ к р а

= 8,7849 (1 + 0,0236ег ).

 

 

(9.57)

 

 

Коэффициент затухания

этой

волны в

 

 

первом приближении можно определить по

 

 

соотношению,

сконструированному

из ф-лы

 

 

(9.30) для прямоугольного

волновода

раз­

 

 

мерами

2аХ2Ь

(т. е. для

прямоугольного

 

 

сечения,

описанного

вокруг

эллипса) и

 

 

ф-лы (9.55) для волны

Ни

в круглом

вол­

 

 

новоде:

 

 

 

 

 

 

Рис.

9.25

 

а-.пр

кшк (хпР

Д Г//к Р у

 

(9.58)

2а УК

IA / /

 

 

 

 

Математический анализ

эллиптических волноводов значитель­

но сложнее, чем круглых или прямоугольных;

поэтому

точные

формулы для параметров волн в эллиптическом

волноводе

полу­

чаются весьма громоздкими, пригодными для расчетов только на

ЭВМ.

 

 

Оптимальное соотношение

размеров эллиптического

волновода

6 / а « 0,54-0,6 выбирается из

тех же соображений, что

и для пря­

моугольного: получение максимальной полосы одномодового ре­

жима

и достаточно

малого затухания. При

Ь/а = 0,5

ближайшая

волна

высшего типа

Я ^ имеет критическую

частоту,

в 1,82 раза

большую, чем Н"п . При критериях, принятых на стр. 201, относи­ тельная полоса частот одномодовой работы Я / / 0 = 37%. Расчеты показывают, что при равных периметрах затухание эллиптическо­ го волновода примерно на 10-f-30% меньше, чем прямоугольного.

9.7. Применение полых металлических волноводов

ОДНОМОДОВЫЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДЫ

В настоящее время наиболее широкое распространение получили прямоугольные волноводы с основной волной Яю. Одномодовые волноводы, преимущественно используются в сантиметровом диа­ пазоне; здесь их габариты относительно невелики, а элементы волноводного тракта хорошо отработаны. В дециметровом диапазоне их применение оправдано при передаче значительных мощностей или для получения высокого кпд протяженного фидера; хотя габариты дециметрового волновода относительно велики, их вес и стоимость могут быть вполне приемлемыми при использовании тонкостенных алюминиевых труб. В миллиметровом диапазоне па­ раметры одномодового волновода (коэффициент затухания, пере­ даваемая мощность), как правило, уже не соответствуют предъяв­ ляемым требованиям.

МНОГОМОДОВЫЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДЫ

За счет большего поперечного сечения многомодовый волновод имеет меньший коэффициент затухания, больший кпд, меньшую температуру шумов, большую допустимую мощность, чем одномодовый. Однако в многомодовом волноводе действуют оба меха­ низма образования попутного потока (см. парагр. 9.3). Для того чтобы искажения формы сигнала не превышали допустимых, не­ обходимо существенно уменьшить попутный поток, а это требует тщательной обработки поверхности волновода, весьма точного соединения волноводных секций. Некоторые элементы тракта (например, повороты) приходится специально конструировать

Ш

та>к, чтобы на них не возникали волны нежелательных типов. При­ ходится вводить новые элементы: фильтры типов волн и поглоти­ тели нежелательных типов волн, имеющие малую шумовую темпе­ ратуру. Учитывая также повышенные габариты многомодовых волноводов, легко заключить, что их стоимость значительно боль­ ше, чем одномодовых. Многоходовые волноводы применяются преимущественно в приемных трактах систем космической и спут­ никовой связи, радиолокаторах дальнего обнаружения, в протя­ женных фидерах радиорелейных станций и в устройствах милли­ метрового диапазона.

КРУГЛЫЕ И ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ С ВОЛНАМИ ТИПА Н и И Нїї

Известно, что изготовленные по обычной технологии волноводные секции круглого волновода всегда имеют небольшую эллиптич­ ность, практически достаточную для снятия поляризационного вы­

рождения. Необходимо только, чтобы в волноводе

возбуждались

волны типа Нсп

и Я и

в точном соответствии

с

ориентацией

осей эллипса,

а направления большой и малой

осей совпадали

во всех волноводных секциях; этого можно достичь, проводя со­ ответствующие измерения до сборки волновода. При длине вол­

новода ~ 5 0 м таким

путем

можно уменьшить коэффициент кросс-

поляризации

до

Ткпж

— (304-40) дБ, что приемлемо в

большин­

стве практических

случаев.

с в о л н о й Ни используется

 

К р у г л ы й

в о л н о в о д

в каче­

стве антенного фидера радиорелейных и радиолокационных стан­ ций. На радиорелейных станциях часто размещается несколько комплектов аппаратуры, работающих в разных частотных диапазо­ нах, например, 4, 6, 9 и 11 ГГц. Наиболее экономично использова­ ние общего волновода и антенны для передачи сигналов всех этих диапазонов. Очевидно, на всех частотах, кроме низшей, вол­ новод в этом случае работает в многомодовом режиме. Для луч­ шего разделения отдельных групп сигналов, кроме разноса по ча­ стоте, применяется поляризационное деление: передача по волно­ воду и в свободном пространстве двух волн с взаимно перпенди­ кулярной поляризацией. Поэтому необходимо снять поляризацион­

ное вырождение волн Я "і и # | ,

; коэффициент кроссполяризации

волновода должен быть низким.

 

 

 

Другой проблемой, возникающей при практическом

использова­

нии волны

Нц является

подавление

волны £oi. Хотя

волна Ян

в круглом

волноводе является

основной, близкость

критических

частот волн Я 4 1 и Е0і,

ї%ЧЇ"р

= 1 Д

практически не позволяет

работать в одномодовом режиме. В ряде случаев размеры волно­

вода выбирают так,

чтобы не допустить возникновения волн выс­

ших типов, начиная

с

Я 2 ь а волну £ « подавляют специальными

фильтрами. Диапазон

«двухмодовой» работы волновода ограничен

Смотрите также файлы