Файл: Основы радиотехники и радиолокации учеб. пособие.pdf

л о их может быть сколь угодно большим. В пределе, при увеличении числа изоляторов, они сольются в сплошную конструкцию (рис. 2.27 в).

ßRH

Рис. 2.27. Преобразование двухпроводной линии в волновод.

меньше ~ , их входное сопротивление резко уменьшится, в

бегущие волны будет вноситься большое затухание и переда­ ча энергии вдоль волновода станет практически невозмож­ ной.

93

длины. В волноводе могут распространяться только волны, длина которых меньше некоторой критической длины вол­

ны ХКр.

Д о с т о и н с т в а в о л н о в о д о в :

— малые потери энергии в волноводе, так как в нем нет внут­ реннего провода и изоляторов;

—■ полная экранировка передаваемой по нему электромагнит­ ной энергии, в связи с чем исключаются потери на излуче­ ние и воздействие внешних полей;

—меньшая опасность пробоя при высоких напряжениях, так как наибольшее напряжение в волноводе возникает между диаметрально противоположными точками его внутренней, поверхности.

Б. Распространение электромагнитных волн в волноводах

Теория распространения радиоволн в волноводах сложна,, поэтому в данном разделе рассмотрены элементарные осно­ вы, подтвержденные практикой.

В волноводе поперечная электромагнитная волна распро­ страняться не может. Действительно, магнитное поле имеется только внутри волновода, стенки которого служат экраном электромагнитного поля высокой частоты. Поэтому магнит­ ное поле не может охватить проводник с током, так как в нем нет внутреннего провода, но должно охватить продольное* электрическое поле. В поперечной же электромагнитной вол­ не нет продольного электрического поля (см. § 1 данной главы).

Опыт и теория показывают, что в волноводах могут рас­ пространяться электромагнитные волны двух групп.

1. Электрические волны, обозначаемые буквой Е , имеют электрическое поле, расположенное и в поперечном и про­ дольном направлениях, а магнитное поле — только в попереч­ ной плоскости.

2. Магнитные волны, обозначаемые буквой Н, имеют маг­

94

э л е к т р и ч е с к и м и волнами и обозначают буквами ТЕ. Плоская поперечная волна получила обозначение ТЕМ .

Волны Е и Н представляют собой сумму нескольких попе­ речных волн, распространяющихся вдоль волновода не прямо­ линейно, а зигзагообразно, путем многократного отражения

от стенок.

Принцип образования волны типа^Н (наиболее часто при­ меняющейся для передачи энергии в прямоугольных волно­

5

I магнитные

I силодь/е линии

I

электрические

силовые

линии У силобая линия

А идет»от нас" силобая линия

*идет,, на нас “

Рис. 2. 28. Принцип образования волн в волноводе: а — рас­ пространение плоских волн в прямоугольном волноводе, б — структура магнитного и электрического полей.

95

знать расположение векторов Е и Н для падающей и отра­ женной волн у самой стенки.

На рис. 2. 28 а векторы условно показаны на некотором расстоянии от отражающей поверхности. Физический смысл отражения волн от проводника заключается в том, что па­ дающая волна создает в поверхности проводника токи, кото­ рые, в свою очередь, дают начало излучению новых электро­ магнитных волн, то есть отраженных волн.

Как было указано, вдоль поверхности идеального провод­ ника электрические силовые линии распространяться не мо­ гут. Значит, вектор Е у отраженной стенки волновода должен быть равен нулю. Это возможно только в том случае, если векторы Е падающей и отраженной волн у стенки равны по-

величине, но противоположны по направлению (рис. 2.28 а). Условие Епад= — Еотр или ЕПад + ЕОтр = 0 является граничным у стенки волновода.

Зная направление отраженной волны и направление век­ тора Е, нетрудно определить направление вектора Н отра­ женной волны. Разложим вектор Н падающей и отраженной: волн на две составляющие: продольную ЕЕ и перпендикуляр­ ную (нормальную) к стенке Н 2. Приходим к выводу, что нор­ мальные составляющие вектора ЕІ направлены в противопо­ ложные стороны и поэтому взаимно уничтожаются.

Продольные составляющие вектора Н у стенки имеют одинаковое направление и поэтому складываются. Отсюда видно, что выполняются граничные условия и для магнитного поля, так как у стенки волновода Н НОрм = 0. То же появляет­ ся и у другой стенки волновода, причем около нее направле­ ние магнитного поля противоположно тому, которое получит­ ся около первой стенки.

Рассмотрим теперь, что получится вдоль средней продоль­ ной плоскости волновода. Обе рассматриваемые волны отра­ жаются от противоположных стенок волновода и проходят на эту среднюю плоскость, например в точку В, с одинаковой фазой, так как они преодолевают путь одинаковой длины.

Это справедливо, если источник, возбуждающий волны в волноводе, расположен симметрично относительно отражаю­ щих стенок фнапример, в волноводе возбуждается волна Ню)-

96

Поэтому здесь наблюдается сложение электрических полей обеих волн и суммарная напряженность поля удваивается.

Векторы Н также складывают, но под углом друг к другу. Сложив их, убеждаемся в том, что в средней продоль­ ной плоскости получается наибольшее (удвоенное) значение поперечной составляющей магнитного поля, а продольная его составляющая равна нулю.

Для любой точки, находящейся между стенкой и средней плоскостью, получается среднее между двумя рассмотренны­ ми крайними случаями.

На основании рассмотренного становится ясной структура магнитного и электрического полей в волноводе, изображен­ ная на рис. 2. 28 б.

Бегущая волна в поперечном направлении волновода рас­ пространяться не может, так как её движению все время пре­ пятствуют стенки волновода. В поперечном направлении з простейшем случае укладывается одна стоячая полуволна так, что у противоположных стенок образуются узлы, а в се­ редине — пучность, или наоборот.

Вдоль волновода могут возникать различные режимы. Если на конце волновода нет отражения, то возникает бегу­ щая волна. Полное отражение энергии (например, если ко­ нец волновода закрыт металлической стенкой) даёт режим стоячих волн.

При частичном отражении возникают смешанные волны. Для изображенной (на рис. 2. 28) волны типа Н в точках А к В получается максимум поперечной составляющей магнитно­ го поля, а в точках Б и Г — максимум его продольной сос­ тавляющей. Расстояние A B равно половине длины волны. В точке Д напряженность поля равна нулю.

Для следующей (соседней) полуволны магнитного поля процессы повторяются, но только магнитные силовые линии идут в противоположном направлении.

При наличии бегущей волны вся изображенная структура поля движется с некоторой скоростью вдоль волновода. Поэто­ му рис. 2. 286 следует рассматривать как мгновенный фото­ снимок -поля, справедливый только для одного момента вре­ мени. Из рисунка видно также, что продольная и поперечная составляющие магнитного поля сдвинуты вдоль волновода на четверть длины волны. Структура поля, показанная с по­ мощью некоторого количества силовых линий, приблизитель­ на. Чем сложнее реально существующее поле, тем более не­ точным становится данный метод. Дело в том, что помимо

рассмотренной основной волны типа Н , наиболее часто при­ меняющейся для передачи колебаний С В Ч , в прямоугольном волноводе существуют еще и другие типы волн.

Для классификации этих волн принята следующая систе­ ма. Рядом с обозначением волны ставится индекс из двух цифр, показывающий соответственно число стоячих полуволн вдоль большей и меньшей сторон поперечного сечения волно­ вода. Например, основная волна типа Н , рассмотренная вы­ ше, обозначается Ню, так как для нее вдоль стороны «а» распределена одна стоячая полуволна, а вдоль стороны «&» поперечного сечения волновода стоячей волны нет.

В прямоугольном волноводе могут также распространять­ ся волны, подобные волне Ню, но имеющие более сложное поле, в котором вдоль одной стороны сечения распределено две, три и более стоячих полуволн. Эти волны называются

а

Рис. 2.29. Процесс преобразования двухпроводной линии в волновод для волн высших типов: а — для волны Нц;

б — для волны Нго-

08

типов здесь не рассматриваются, так как такие волны для пе­ редачи энергии почти не используются. Однако, когда волны высших типов возникают как паразитные при передаче энер­ гии по волноводу, их стараются подавить.

В. Предельная (критическая) длина волны в волноводе

Выше было показано, что волны, которые могут распро­ страняться по волноводу с малым затуханием, зависят от раз­ меров стенок волновода. Установлено, что критическая длина волны, при которой прекращается распространение энергии в волноводе, определяется формулой:

Если давать определенные значения индексам m и п, то по­ лучим значение Якр для разных типов колебаний. На практи­ ке часто используют волну типа Ню. Для нее Х1ф = 2 а. Следо­ вательно, для передачи основной волны Ню необходимо

брать волновод, у которого широкая стенка а > — .

Г. Возбуждение волноводов

Процесс передачи электромагнитной энергии от источни­

устанавливают в волноводе параллельно электрическому па­ лю возбуждаемой волны. Через него осуществляется электри­ ческая связь коаксиальной линии с волноводом. Штырь вво­

4*