Волново́д — искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. При этом поток мощности, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала или в области пространства, непосредственно примыкающей к каналу. Волново́ды
По природе распространяющихся волн различают электромагнитные и акустические волноводы. Частным случаем первых являются оптоволоконные линии передачи. Наиболее часто под термином «волновод» подразумеваются металлические трубки, предназначенные для передачи энергии электромагнитных волн диапазонов СВЧ и КВЧ. Такой волново́д — линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Впервые конструкция для передачи волн была предложена английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1893 году, а первым её принцип экспериментально проверил английский физик и изобретатель Оливер Лодж в 1894 году. Типы волноводов Экранированные Экранированные волноводы имеют хорошо отражающие стенки для распространяющейся в нем волны, благодаря чему поток мощности волны сосредоточен внутри волновода. Как правило, такие волноводы выполнены в виде полых или заполненных средой со специально подобранными параметрами трубок. Поперечное сечение этих трубок имеет форму окружности, эллипса, прямоугольника, что связано с большей конструктив-ной простотой, хотя для специальных целей используются волноводы и с другими формами поперечного сечения.
Чтобы волна по мере распространения в волноводе не отражалась в обратном направле-нии, волновод выполняют регулярным : форма и размеры поперечного сечения, а также физические свойства материалов должны быть постоянны вдоль длины волновода. Т.к. волна отражается от стенок экранированного волновода, то в поперечном направлении возникает стоячая волна с определенным составом мод (к аждая из мод характеризуется частотой, длиной волны, затуханием или добротностью, пространственной структурой поля и др.) Для передачи э/магнитных волн используются металлические трубки, полые или заполнен- ные диэлектриком. Также используются коаксиальные и многожильные экранированные кабели, которые относят к проводным линиям передачи. Термин «радиочастотный волновод » (обозначение RG) подчёркивает назначение и отличие от проводных линий передачи постоянного тока и тока промышленной частоты, а также от низкочастотных коммуникационных кабелей. Металлические волноводы и коаксиальные кабели со сквозными отверстиями-щелями в экране служат для построения волноводно-щелевых антенн и излучающих кабелей. Экранированные волноводы это и акустические волноводы - трубы с достаточно жёсткими стенками (металлические или пластмассовые). В таких волноводах акустические колебания распространяются в газе, наполняющем волновод, как правило, в воздухе.
Ранее применялись на судах и кораблях под названием «переговорные трубы». Практически все типы волноводов можно рассматривать как разновидности длинных линий передачи, т.е. таких, длина которых существенно превышает длину распространяющейся в них волны. Неэкранированные волноводы В открытых (неэкранированных) волноводах локализация поля обычно обусловлена явлением полного внутреннего отражения от границ раздела двух сред ( в волноводах диэлектрических и оптоволоконных световодах ), либо от областей с плавно изменяющимися параметрами среды (например, ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звуковой канал, градиентное оптоволокно). Поле локализуется преимущественно внутри специально предназначенной для этого области поперечного сечения волновода и быстро убывает за пределами этой области. Благодаря этому волна канализируется в волноводе. Открытые планарные волноводы оптического диапазона используются для построения различных интегральных оптоэлектронных устройств. Акустические открытые волноводы служат основой устройств на поверхностных акустических волнах, в таких волноводах ультразвуковая волна распространяется вдоль границы раздела сред с различными акустическими свойствами.
Свойства волноводов В волноводах, как в системах с распределёнными параметрами, возможно существование в нём дискретного (при не очень сильном поглощении) набора типов колебаний (мод), каждый тип колебаний распространяется со своими фазовыми и групповыми скоростями. Все моды обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты и отличаются от групповых скоростей. В экранированном волноводе фазовые скорости обычно превышают скорость распростра -нения плоской однородной волны в заполняющей среде ( скорость света, скорость звука), эти волны называются быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Это так называемые утекающие волны. В открытых волноводах, как правило, распространяются медленные волны, амплитуды которых быстро убывают при удалении от направляющего канала. Мода может распространяться и переносить вдоль волновода поток энергии только на частотах ω, превышающих некоторую предельную величину ω кр, называемую критической. Область частот выше ω кр определяет полосу пропускания волновода. При ω= ω кр групповая скорость волны обращается в нуль; если ω кр = 0, то мода называется квази -статической. Обычно в экранированных волноводах моды распространяются быстрее, а в открытых - медленнее, чем плоские однородные волны в заполняющей среде.
Применение волноводов Радиоволновод (линия передачи) характеризуется тем, что его поперечные размеры соизмеримы с длинами передаваемых волн. Обычно представляет собой металлическую трубу ( металлический волновод прямоугольного, круглого, П-образного, H-образного и др. видов сечений) или диэлектрический стержень, внутри которых вдоль их продольных осей распространяются радиоволны в результате многократных отражений от внутренних поверхностей стенок и интерференции отраженных волн. Радиочастотные электрические волноводы всегда применяются в современных радиолокационных станциях, ускорительной технике элементарных частиц. Акустические волноводы (переговорные трубы) применяются на современных судах, дублируя электронные переговорные устройства при их отказе. Волноводы на поверхностных акустических волнах применяются в обработке сигналов для построения электромеханических фильтров. Металлический волновод — волновод, изготавливаемый из латуни, алюминия и покрытый изнутри серебром или другим хорошо проводящим металлом. В сечении могут быть круглыми, прямоугольными, эллиптическими. Возможны изгибы волноводов. Металлические волноводы широко используют, например, в космической технике.
Диэлектрический волновод — волновод, состоящий только из диэлектрических материалов, или образованный диэлектрическими материалами. Цилиндрические в сечении диэлектрические волноводы для волн оптического диапазона называются оптическими волокнами. Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков, для освещения, для построения лазеров, в т.ч. лазерных гироскопов.
Виды направляющих систем Передачу энергии по длинной линии рассматривают как распространение электро-магнитных волн по направляющим системам, которыми кроме двухпроводных линий могут быть металлические, диэлектрические и полупроводниковые поверхности, трубки, стержни. Электромагнитные волны в направляющих системах движутся вдоль граничных поверхностей в заданном направлении. Такие направляемые волны в зависимости от ориентации векторов напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей делятся на поперечные, электрические, магнитные и смешанные волны. Поперечными, или волнами типа Т , называют волны, у которых в направлении распространения энергии отсутствуют составляющие векторов Е и Н, т.е. эти векторы лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения энергии. Электрическими, или волнами типа Е, называют волны, у которых вектор Е имеет и поперечные, и продольную составляющие, а вектор Н - только поперечные. Магнитными, или волнами типа Н, называются волны, у которых вектор Н имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Е – только поперечные. Смешанными, или гибридными типа НЕ или ЕН, называются волны, у которых векторы Е и Н имеют как поперечные, так и продольные составляющие.
Все направляющие системы делятся на два класса: открытого и закрытого типов. В линиях передачи открытого типа переносимая энергия распределена во всем окружающем линию пространстве. Конструкции линий открытого типа выполняют так, чтобы большая часть энергии была сосредоточена в непосредственной близости от линии. Типичным примером линий открытого типа являются симметричные кабели. Открытые линии подвержены влиянию среды и окружающих предметов, то есть в них всегда наблюдаются потери на излучения. В линиях передачи закрытого типа вся передаваемая энергия сосредоточена в пределах объема, экранированного от окружающей среды металлической оболочкой той или иной формы. Пример – коаксиальный кабель. Потери на излучение здесь отсутствуют, но по мере увеличения частоты электромагнитной энергии в коаксиальных линиях передачи растут потери в диэлектрике, поэтому они применяются до частот не более 1…3 ГГц. Если в коаксиальной линии убрать внутренний проводник, то потери резко упадут. Ток проводимости по одному проводу проходить не будет, а электромагнитные волны могут распространяться по полым металлическим трубам различной формы поперечного сечения. Такие линии связи называются волноводами.
Физические процессы в волноводах Режим работы волновода сильно отличается от режима работы двухпроводной линии с согласованной нагрузкой. В волноводе, кроме бегущей волны, распространяющейся в направлении оси, существуют и стоячие волны в поперечном сечении. Эти волны образуются за счет энергии, ответвляющейся от бегущей вдоль оси волны в металлический изолятор. Картина силовых линий в волноводе имеет вид, показанный на рисунке 9. Рисунок 9 – Структура поля (волны типа Н 10 ) в поперечном сечении волновода
Густота силовых линий характеризует напряженность (интенсивность поля). Если изменить рабочую длину волны так, что размер широкой стенки волновода станет меньше λ/2, то передача энергии по волноводу прекратится, то есть существует определенная длина волны – критическая, при превышении которой распространение энергии вдоль волновода невозможно. Для передачи энергии по волноводу необходимо, чтобы рабочая длина волны была меньше критической: Для прямоугольного волновода:
В волноводе могут существовать различные типы волн, отличающиеся структурой силовых линий, эти типы волн называются модами волновода. Для нахождения выражений, описывающих векторы поля Е и Н в волноводе, необходимо решить систему уравнений Максвелла с учетом геометрии конструкции. Полученная конкретная структура поля указывается индексами m и n, то есть волны обозначаются как Н mn, Е mn, НЕ mn, ЕН mn. Число m равно числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль широкой стенки волновода а, число n - числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль узкой стенки волновода b. Для круглого волновода индекс m характеризует число волн поля по периметру, а n - полуволн по диаметру. Например, для рисунка 9 вдоль широкой стенки волновода укладывается одна полуволна изменения интенсивности, значит, m =1. Вдоль узкой стенки волновода интенсивность поля не меняется, n =0. Волну обозначают Н 10. Зная тип волны, можно построить картину поля в сечениях волновода и без применения формул для векторов Е и Н.
Например, волна Н 11: 1. Вектор Е будет иметь только поперечные составляющие, а вектор Н имеет и продольную составляющую; 2. Для заданных значений m и n, указывающих число полуволн вдоль стенок а и b соответственно, отмечаются на графике характерные точки (максимумы и минимумы); 3. При построении графиков поля необходимо учитывать, что силовые линии электрического поля начинаются и заканчиваются на проводниках и перпендикулярны к их поверхности, а магнитные – всегда замкнуты и касательные к поверхности проводника.
Картина поля для волны Н 11 в поперечном сечении прямоугольного волновода изображена на рисунке 10. Рисунок 10 – Структура поля волны Н 11
В общем случае в прямоугольном волноводе критическая длина волны определяется как: Тип волны, критическая длина которой является наибольшей из всех возможных типов волн, называется основным типом волны или основной волной (модой) данного волновода. Для прямоугольного волновода основная волна - Н 10, для круглого – Н 11.
Распространение электромагнитных волн в волноводах Одноволновой режим работы волновода будет существовать в том случае, если рабочая длина волны будет меньше критической длины волны для основного типа и больше критических волн для всех других типов волн. Волновое сопротивление волновода зависит от длины волны, типа волны, материала заполнения волновода. Для волны типа Н : Для волны типа Е : где волновое сопротивление среды распространения с абсолютными магнитной и диэлектрической проницаемостями. Для свободного пространства Z ВО =120 π =377,Ом.
Электромагнитные волны в волноводе зигзагообразно распространяются под некоторым углом к оси, многократно отражаясь от противоположных стенок. Для каждого типа волны существует единственный угол падения θ, под которым волна должна падать на стенку, чтобы распространяться по волноводу. Для волны Н 10 : Из этой формулы следует, что с увеличением длины волны угол падения уменьшается, энергия передается за счет лучей, падающих на стенки волновода более отвесно (рисунок 11). Рисунок 11 – Распространение волн в волноводе
При определенной длине волны наступает такой режим, при котором волна падает и отражается перпендикулярно и вдоль волновода не перемещается. Этот режим соответствует критической длине, то есть волновод проявляет себя подобно фильтру верхних частот. Поэтому по волноводам возможна передача волн длиной меньше λ KP. Фазовая скорость распространения электромагнитных волн в волноводе определяется как : где c 0 - скорость света. Групповая скорость, с которой электромагнитная энергия распространяется вдоль оси волновода, определяется как: При приближении λ к λ КР фазовая скорость стремится к ∞, а угол θ к нулю, то есть фазовая скорость зависит от частоты (длины волны) сигнала. Это явление называется волноводной дисперсией и приводит к фазовым искажениям, ограничению полосы частот сигнала, передаваемых по волноводу.
Для возбуждения и отбора мощности из волновода используются специальные устройства - штырь, петля (рамка) или отверстие связи. Возбуждающий штырь помещают в ту область волновода, где наблюдается максимум напряженности электрического поля необходимого типа волны. Например, при передаче по волноводу энергии волны Н 10 штырь необходимо расположить в центре широкой стенки волновода на расстоянии λ В /4 от короткозамкнутого конца. Размер штыря также выбирается порядка λ/4 . Для обеспечения подстройки при изменении рабочей длины волны предусматривается регулировка глубины погружения штыря в волновод, а короткозамкнутый конец волновода представляет собой поршень, который может передвигаться. Возбуждение волновода с помощью отверстия связи эквивалентно одновременному действию возбуждающего штыря и рамки.
Часть силовых линий электрического и магнитного полей волны, распространяющихся по волноводу 1, проникает в отверстие и возбуждает электромагнитные колебания в волноводе 2. Эффективность возбуждения волн всех устройств одинакова. Рисунок 12 – Возбуждение поля в волноводе с помощью специальных устройств
Режим бегущей волны наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии. Для получения в волноводе бегущей волны нагрузка должна полностью поглощать энергию, передаваемую по волноводу, т. е. выходное волновое сопротивление волновода должно быть равно волновому входному сопротивлению нагрузки. Такая нагрузка называется согласованной с волноводом.
Волноводы используются в различных радиотехнических устройствах в качестве фидеров (фидер - л иния передачи и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприёмнику), колебательных систем (объемных резонаторов), фильтров, линий связи. Фидеры служат для передачи электромагнитной энергии от радиопередатчика к антенне или от антенны к передатчику. На частотах свыше 1 ГГц в качестве фидера используются волноводы. По волноводному фидеру можно передавать значительно большую энергию, чем по коаксиальному фидеру. Объемные резонаторы - это колебательные системы, построенные на базе волноводов прямоугольной или круглой форм, имеющие короткозамыкающие перемычки с двух сторон. Одна из короткозамыкающих пластин выполнена в виде подвижного поршня, возбуждение и отвод энергии осуществляется с помощью штыря, рамки или отверстия связи. Отличительная особенность объемных резонаторов - высокая добротность (до сотен тысяч), высокая фильтрующая способность и высокая стабильность резонансных частот
На низких частотах (1 Гц…100 кГц) широко используются открытые двухпроводные линии передачи. На более высоких частотах возрастают потери за счёт излучения энергии в окружающее пространство. Для уменьшения потерь переходят к закрытым линиям передачи, вводя металлические экраны. В диапазоне от 100 кГц до 3 ГГц, как правило, используются коаксиальные линии передачи, а на частотах свыше 3 ГГц – полые металлические волноводы с различной формой сечения, которые перекрывают сантиметровый и частично миллиметровый диапазоны длин волн. С уменьшением длины волны уменьшаются размеры волновода и повышаются требования к качеству поверхности стенок, что создаёт трудности при их изготовлении. Поэтому в миллиметровом диапазоне (на частотах свыше 10…15 ГГц) волноводы вытесняются микрополосковыми линиями, состоящими из двух металлических полосок, разделённых слоем диэлектрика. В оптическом диапазоне (частоты 1013…1015 Гц) используются диэлектрические волноводы из прозрачных материалов, в которых полностью отсутствуют металлические поверхности. Обычно для передачи СВЧ-энергии по прямоугольным волноводам используется волна Н 10. Ее критическая длина волны – максимальная среди всех типов волн в прямоугольном волноводе, поэтому ее называют основной. Т.е. для волновода заданного сечения существует диапазон частот, ограниченный снизу критической длиной волны Н 10 ( кр =2а), а сверху – критической частотой следующей распространяющейся волны (например, Н 10 с к р =2 b или H 20 с к р =a). В этом диапазоне СВЧ-энергия переносится только одним типом волн.
Волноводные сочленения, разветвления и изгибы Для удобства монтажа и ремонта волноводный тракт собирают обычно из отдельных отрезков (секций). Волноводные сочленения применяются для соединения секций с одинаковой формой поперечного сечения и могут быть жесткими, гибкими и вращающимися (рис. 1.4). Рис. 1.4. Разновидности волноводных сочленений
Жесткие сочленения Контактные - это притертые фланцы (рис. 1.5), иногда бывают выполнены с бронзовыми пружинными прокладками. Применяются там, где вооружение и военная техника (ВВТ) разбираются редко. На принципиальных схемах обозначаются в соответствии с рис. 1.6. Рис. 1.5. Конструкции жестких фланцевых сочленений Рис. 1.6. Обозначения на принципиальных схемах
Рис. 1.7. Фланцевое сочленение с бронзовой прокладкой : а - с простейшими просечками между лепестками; б - с отверстиями в концах просечек
Во фланцевом сочленении с бронзовой прокладкой (рис. 1.7) электрический контакт осуществляется пружинящими лепестками прокладки, расположенными по периметру поперечного сечения волновода. Такая прокладка, деформируясь при скреплении фланцев, обеспечивает хороший электрический контакт между волноводами. Прокладка фиксируется соединительными болтами и направляющими штифтами. Герметизация сочленения достигается двумя резиновыми прокладками, расположенными в пазах обоих фланцев. В прокладке с простейшими просечками при сжатии лепестки могут слипаться и не пружинить. Для устранения этого недостатка просечки между лепестками делают шире (рис. 1.7, а). Чтобы избежать появления трещин, в концах просечек могут быть сделаны отверстия (рис. 1.7, б), снимающие механические напряжения. Сочленение с пружинящей прокладкой конструктивно сложнее сочленения с притертыми фланцами, но надежнее в эксплуатации. Недостатки: подгорание контактов и утечка энергии через зазоры между лепестками прокладки и фланцами; низкая надежность при многократных разборках тракта; малая электрическая прочность; трудность достижения необходимых допусков при массовом изготовлении. Достоинства: не ухудшают диапазонных свойств тракта.
Дроссельно-фланцевые (рис. 1.8) сочленения используют в тех случаях, когда не требуется слишком большая полоса пропускания и линия передачи подвержена частой сборке и разборке.
Дроссельно-фланцевое соединение волноводов (рис. 15.96) является более надежным в эксплуатации. Оно содержит дроссельный 2 и гладкий 3 фланцы, припаянные к соединяемым волноводам 1. Дроссельный фланец отличается от гладкого тем, что содержит полуволновый короткозамкнутый шлейф abc, образованный кольцевой канавкой ab, глубиной λ/4 и зазором Ъс между фланцами, длина которого тоже равна λ/4. Принцип действия его основан на свойстве трансформации сопротивлений четвертьволновыми отрезками ЛП. Согласно этому свойству, нулевое сопротивление в точке а трансформируется четверть-волновой линией ab (канавкой) в большое сопротивление в точке b. Затем это большое сопротивление четвертьволновым отрезком b с (зазором) трансформируется в нулевое сопротивление в точке с. Тем самым устраняется зазор 4 по току СВЧ между соединяемыми волноводами. При этом качество гальванического контакта между фланцами 2 и 3 в точке b значения не имеет. Однако если фланцы 2 и 3 (рис. 15.9) установле - ны недостаточно точно, то возрастает отражение от соединения и уменьшается полоса пропускания.
Соединитель состоит из плоского фланца и фланца с кольцевой выточкой (дроссельной канавкой) вдоль оси волновода и проточкой в поперечной плоскости (Рисунок 1). Виртуальное короткое замыкание между соединяемыми волноводами в точке С обеспечи-вается тем, что суммарная длина дроссельных канавок от точки А до точки С составляет полуволновую короткозамкнутую линию. Входное сопротивление такой линии оказывает- ся равным нулю, и энергия высокочастотных колебаний беспрепятственно распространя-ется в месте соединения волноводов. Волноводы как бы идеально прилегают друг к другу. Название «дроссельное-фланцевые соединение» для описанного фланцевого соединения обусловлено эффектом, подобным высокочастотному дросселю.
На принципиальных схемах сочленения обозначаются в соответствии с рис. 1.9. Такие сочленения состоят из одного гладкого, а другого – дроссельного фланца (рис. 1.10). Электрический контакт в точке А обеспечивается при помощи двух четверть-волновых отрезков линии. Общая длина отрезка по центру широкой стенки волновода АВС ≈ 0,5λ ср, а в точке С он короткозамкнут. Поэтому в точке А имеет место также короткое замыкание (входное сопротивление равно нулю) и энергия беспрепятственно поступает из одного отрезка волновода в другой. Сопротивление контакта Rk в точке В не влияет на работу сочленения, так как входное сопротивление λ/4 короткозамкнутого отрезка равно ∞ и последовательное соединение сопротивлений Rk + ∞ = ∞, т. е. сопротивление нагрузки первого четвертьволнового отрезка линии практически остается близким к бесконечности и электрический контакт в точке А не нарушится. Таким образом, в точке В может быть и небольшой зазор, например, во вращающемся сочленении. Использование в сочленении резонансных отрезков ограничивает его полосу пропускания. При правильном выборе размеров можно добиться полосы ±15 % при Kc ≤ 1,06. Уровень мощности, просачивающейся через сочленение, составляет ( ) 60 ÷80 дБ. Выбор размеров сводится к определению длин l 1 и l 2 отрезков и величин x и y зазоров.
Из рис. 1.11 видим, что в радиальной линии возбуждается волна ТЕМ, поэтому длину этой линии нужно брать равной l 1 = λ/ 4.
В коаксиальной линии возбуждается волна Н 11, поэтому Критическая длина волны колебания Н 11 в коаксиальной линии В реальных случаях λкр для Н 11 велика по сравнению с λ, поэтому приближенно можно считать, что l 2 ≈ λ/4. Зазор Х (рис. 1.8) между плоскими частями фланцев выбирается с учетом конструкции и в зависимости от размеров поперечного сечения волноводов может быть порядка Х = 0,2…1,0 мм. Для увеличения диапазонности сочленения волновые сопротивления радиальной (АВ) и кольцевой (ВС) линий должны быть различными. Это достигается выбором ширины кольцевой проточки, которую обычно принимают равной Y = (2÷5)X.
Проточка в дроссельном фланце может быть сделана не по всей окружности, а только у широких стенок волновода (рис. 1.12). По своим свойствам этот фланец мало отличается от фланца с полной кольцевой проточкой, так как волна Н10 не создает продольных токов на узких стенках волновода. Технология производства таких фланцев сложнее, поэтому они применяются в том случае, когда габариты фланцев не позволяют сделать полную проточку, а также в спаренных фланцах, например, в волноводных щелевых мостах. Недостатки : уменьшается полоса пропускания ВВТ. Достоинства: не требует высокой точности изготовления, поэтому стоит дешевле. Многократная сборка и разборка почти не увеличивает отражения от места соединения. Рис. 1.12. Вид кольцевой проточки в дроссельном фланце сочленения
Гибкие сочленения Гибкие сочленения (волноводы) применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить небольшое перемещение волноводов относительно друг друга или устранить передачу вибрации от одной части тракта к другому. Гибкие сочленения могут быть нерезонансными и резонансными, соответственно этому волноводы также называются нерезонансными и резонансными. Нерезонансные волноводы могут быть гофрированными и сетчатыми. Гофрированные волноводы выполняются из тонкостенных металлических труб. Средние размеры поперечного сечения гофрированного волновода принимаются такими же, что и у основного волновода. Чтобы уменьшить паразитные отражения, глубину и ширину гофрировки и величину ячеек сетки делают малыми по сравнению с длиной волны. При выполнении этих условий величина Kс ≤ 1,1 и волновод имеет достаточную электрическую прочность. В зависимости от типа соединения гофрированные волноводы подразделяются на волноводы с соединением «замок» (рис. 1.13а) и внахлестку (рис. 1.13б). Сетчатый волновод показан на рис. 1.14а. Гибкие волноводы обычно покрываются резиновой оболочкой, что увеличивает их упругость и механическую прочность, а также предохраняет от коррозии.
Резонансный гибкий волновод (рис. 1.14б) состоит из отдельных секций длиной λв /4, контакт между которыми обеспечивается дроссельно-фланцевыми сочленениями. Секции соединяются в единое целое при помощи резиновой или пружинной оболочки. Для лучшей взаимной компенсации сочленение должно содержать четное число стыков, т. е. нечетное число секций. Между соседними секциями, за счет дроссельно-фланцевого сочленения, допустимы небольшие смещения. В целом же на все сочленения можно получить довольно большое смещение или сгиб. Чем больше число элементов в таком волноводе, тем больше допустимое суммарное смещение. Вращающиеся сочленения Применяются для передачи ЭМЭ из неподвижного волновода во вращающийся. Такая необходимость возникает, например, в РЛС кругового обзора, где антенна вращается, а приемник (ПРМ) и передатчик (ПРД) неподвижны. Вращающееся сочленение на базе круглого волновода состоит из двух трансформаторов типов волн H 10 → ← E 01 и вращающегося дроссельного сочленения (рис. 1.16 ).
Волноводные изгибы При монтаже волноводного тракта часто возникает необходимость изменять направление волновода или поворачивать плоскость поляризации волны. Для изменения направления волновода применяются специальные изогнутые секции – волноводные повороты, которые включаются между прямолинейными участками. Рис. 1.18. Виды волноводных изгибов (поворотов ): а – плавный; б – эквивалентная схема изгиба; в – Е-поворот; г – Н-поворот
Волновод можно изгибать как по широкой стенке (поворот в плоскости электрического поля, или Е-поворот – рис. 1.18, в), так и по узкой стенке (поворот в плоскости магнитного поля, или Н-поворот – рис. 1.18, г). Волноводные повороты – это неоднородности, поэтому их конструкцию и размеры нужно выбирать так, чтобы они создавали минимальное отражение. Хорошие результаты получаются, если использовать поворот в виде плавного изгиба волновода (рис. 1.18, а). Волновое сопротивление по напряжению изогнутого участка будет несколько отличаться от волнового сопротивления по напряжению прямолинейных участков. Эквивалентная схема такого поворота показана на рис. 1.18, б, где изогнутый участок представлен в виде отрезка линии длиной L. Из теории длинных линий известно, что входное сопротивление полуволнового отрезка линии равно сопротивлению нагрузки. Если длину изгиба взять равной целому числу в 0,5λ, то сопротивление в сечении I, равное волновому сопротивлению прямолинейного участка, будет без изменения трансформироваться в сечение II и поворот окажется согласованным.
При изгибе волноводов на 90° (рис. 1.18, в, г) длина L составляет четверть окружности, поэтому радиус изгиба определяется по формуле где m = 1, 2, 3, … Число m выбирается с учетом допустимого радиуса изгиба Rт, который определяет степень деформации стенок волновода. Величина Rт зависит от размера стенки, в плоскости которой производится поворот, и обычно выбирается не менее этого размера. Плавные изгибы достаточно широкополосны, их относительная полоса пропускания достигает ±20 %
Рис. 1.19. Вид поворота с одиночным изломом: а – излом по широкой стенке и в – его эквивалентная схема; б – излом по узкой стенке и г – его эквивалентная схема
Наряду с плавными изгибами широко применяются повороты в виде излома волноводов. Такие повороты называются волноводными уголками. Излом волновода возможен как на широкой стенке, т. е. в плоскости Е (рис. 1.19, а), так и по узкой стенке, т. е. в плоскости Н (рис. 1.19, б). Соответственно различают Е-уголки и Н-уголки : на рис. 1.19, в, г показаны их эквивалентные схемы. Для получения минимальных отражений в уголках делаются скосы, как это показано на рис. 1.19, а, б. Величина скоса зависит от частоты и определяется расстоянием l, которое подбирается экспериментально. Для определения оптимальной величины скоса пользуются справочными графиками. Кроме уголков с одиночным изломом, применяются уголки с двойным изломом (рис. 1.20). Расстояние L между плоскостями изломов в данном случае выбирается так, чтобы отражение от первого излома компенсировалось отражением от второго излома.
Для Е-уголка (рис. 1.20) это расстояние должно быть равно λ в /4. Для Н-уголка расстояние L лежит в пределах 0,27 ÷ 0,3 λ в и определяется по графику. Волноводный уголок с двойным изломом создает несколько меньшие отражения и имеет более широкую (до ±12÷15 %) полосу пропускания, чем уголок с одиночным изломом. Уголковые повороты имеют меньшие габариты по сравнению с плавными, но уступают им в широкополосности и электрической прочности.
Рис. 1.21. Скрученная волноводная секция Для поворота плоскости поляризации волны применяются специальные скрученные секции. На рис. 1.21 показана скрученная секция, повора чивающая плоскость поляризации на 90°. Скрученная секция является распределенной неоднородностью, поэтому, как и в случае плавного изгиба волновода, наименьшие отражения получаются, если длина L неоднородного участка берется равной целому числу в λ в /2. При повороте на 90° длина секции берется не менее 2λв. Полоса пропускания скрученных участков волноводов имеет порядка ±6 % по уровню с K ≤1,05.
Волноводные разветвления и тройники Волноводные разветвления применяются для распределения энергии между несколькими нагрузками или для подключения нескольких источников к одной нагрузке. Наиболее просто разветвление прямоугольного волновода, работающего на основном колебании, осуществляется с помощью тонкой металлической перегородки, расположенной перпендикулярно электрическим силовым линиям поля (рис. 1.22). Если ветви волноводного разветвления нагружены на согласованную нагрузку, то коэффициент K распределения мощности пропорционален отношению размеров узких стенок полученных волноводов : Рис. 1.22. Разветвление прямоугольного волновода с помощью тонкой металлической перегородки
Рис. 1.23. Конструкция Т-образных волноводных разветвлений – тройников На практике широко используются Т-образные волноводные разветвления – тройники (рис. 1.23 ). Если боковой волновод включен в широкую стенку волновода, т. е. лежит в плоскости электрического поля основного волновода, то такое ответвление называется Е-тройником, а если в узкую стенку, т. е. лежит в плоскости МП, то называется Н-тройником. Тройник типа Е эквивалентен длинной линии с последовательным включением ответвления, а Н – с параллельным включением ответвления.
Рассмотрим свойства Е-тройника если: • запитать тройник со стороны плеча 1, то в плечах 2 и 3 возбуждаются противофазные волны одинаковой амплитуды; • запитать тройник со стороны плеча 2, то в плечах 1 и 3 возбуждаются синфазные волны одинаковой амплитуды; • запитать тройник со стороны плеча 3, то в плечах 1 и 2 возбуждаются синфазные волны одинаковой амплитуды; • запитать тройник одновременно со стороны плеча 2 и 3 синфазными колебаниями одинаковой амплитуды, то плечо 1 не возбуждается, а в волноводе устанавливается режим стоячих волн; • запитать тройник одновременно со стороны плеча 2 и 3 противофазными колебаниями одинаковой амплитуды, то вся энергия ответвляется в плечо 1.
Рассмотрим свойства Н-тройника, если: • запитать тройник со стороны плеча 1, то в плечах 2 и 3 возбуждаются синфазные волны одинаковой амплитуды; • запитать тройник со стороны плеча 2, то в плечах 1 и 3 возбуждаются синфазные волны одинаковой амплитуды; • запитать тройник одновременно со стороны плеча 2 и 3 синфазными колебаниями одинаковой амплитуды, то вся энергия ответвляется в плечо 1; • запитать тройник одновременно со стороны плеча 2 и 3 противофазными колебаниями одинаковой амплитуды, то плечо 1 не возбуждается. Волноводные тройники используются для конструирования волноводных мостов, антенных переключателей, делителей мощности и т. д. Наибольшее применение волноводные тройники нашли в ДВТ, который представляет собой комбинацию Н- и Е-тройников. Соответственно его свойства определяются свойствами Е- и Н-тройников.
1. ТЕМ-волны (волны типа Т, поперечные волны), у которых оба вектора E и H перпендикулярны оси Oz и не имеют продольных состав ляющих : = = 0 0, E H z z. Примером ТЕМ-волны является плоская элек - тромагнитная волна в неограниченном пространстве. С помощью ТЕМ- волн переносится энергия в двухпроводных ( энергоснабжающих, телефон- ных ), коаксиальных и полосковых линиях передачи. 2. ТЕ-волны ( Transverse Electric ), или магнитные волны, или волны типа Н, имеющие продольную составляющую магнитного вектора Hz при = 0 Ez. 3. ТМ-волны ( Transverse Magnetic ), или электрические волны, или волны типа Е, у которых ≠ 0 Ez при = 0 Hz. Можно показать, что соб - ственные волны полых металлических волноводов могут быть только вол- нами типа Е или Н. 4. Смешанные (гибридные) волны, обладающие обеими продоль - ными составляющими ( ≠ 0 Ez, ≠ 0 Hz ). В практически важных направ - ляющих системах такие волны не наблюдаются.
