Радиоволновод

Определение "Радиоволновод" в Большой Советской Энциклопедии

Поперечное сечение волноводов и коаксиальной двухпроводной линии

Радиоволновод, диэлектрический канал (направляющая система) для распространения радиоволн. Боковая поверхность канала является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая e или магнитная m проницаемости и электропроводность s. Боковая поверхность может иметь произвольную форму, но наиболее широко применяются цилиндрические Радиоволновод, в частности цилиндрические металлические полости, заполненные воздухом или каким-либо газом. Поперечное сечение металлического Радиоволновод бывает прямоугольным, круглым, П- и Н-образным и т.п. (рис. 1). Обычно к Радиоволновод относят только каналы с односвязным сечением; распространение радиоволн в каналах с дву- и многосвязными сечениями рассматривается в теории длинных линий (например, двухпроводная коаксиальная линия; рис. 1, д).

Прямоугольный волновод

  Можно показать, что внутри Радиоволновод вдоль его оси распространяется волновое поле, которое является результатом многократного отражения волн от внутренних стенок Радиоволновод и интерференции отражённых волн. Это определяет главную особенность Радиоволновод, которая состоит в том, что распространение волн в них возможно только в том случае, если поперечные размеры Радиоволновод сравнимы с длиной волны l или больше l. Например, для l = 30 см больший размер а сечения прямоугольного Радиоволновод около 20—25 см. Это обусловливает применение Радиоволновод главным образом в области сверхвысоких частот.

Радиоволновод с поверхностной волной

  Радиоволновод 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 Радиоволновод, различных по форме и размерам поперечных сечений; угловых изгибов; вращающихся соединений и многих др. волноводных узлов (рис. 2). Для сочленения Радиоволновод разных поперечных сечений применяются плавные волноводные переходы с переменным сечением (например, рупорный переход 2, рис. 2).

Согласующие элементы

Основным преимуществом металлических Радиоволновод 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 Радиоволновод и, например, двухпроводной линии поверхность Радиоволновод, по которой текут электрические 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 Радиоволновод меньше, чем в линии. Недостатки Радиоволновод: наличие нижнего предела пропускаемых частот (см. ниже); громоздкость конструкции на дециметровых и более длинных волнах; необходимость большой точности изготовления и специальной обработки внутренней поверхности стенок; сложность монтажа.

Способы возбуждения волны

Поскольку поперечные размеры Радиоволновод сравнимы с l, 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 Радиоволновод В случае прямоугольного Радиоволновод (рис. 3) для любой из проекций f электрического Е и магнитного Н полей теория приводит к волновому уравнению:
     (1)

Структура поля волн в прямоугольном волноводе

где k = 2p/l = w/с — волновое число, w — частота колебаний, с — скорость света. Решение этого уравнения для бесконечно длинного прямоугольного Радиоволновод приводит к следующим выражениям для комплексных амплитуд проекций векторов Е и Н:
     (2)

Структура поля волны в круглом волноводе

Здесь а и b — размеры поперечного сечения прямоугольного Радиоволновод, m и n — любые положительные целые числа, A_x, A_y A_z, B_x, B_y, B_z — постоянные определяемые условиями возбуждения Радиоволновод Постоянная распространения g, определённая из (2) и (1), равна:
     (3)

Структура поля волны в круглом волноводе

Наличие тригонометрических множителей в (2) говорит об образовании стоячих волн в направлениях, перпендикулярных стенкам Радиоволновод Касательные составляющие электрического поля на стенках имеют узлы, а нормальные — пучности. Числа m и n определяют число полуволн, укладывающихся соответственно вдоль размеров а и b. Чем больше m и n, тем сложнее поле в сечении Радиоволновод

Структура поля волны в круглом волноводе

В Радиоволновод волновое поле является суммой полей бесконечного множества типов волн. Все типы волн подразделяются на три класса: ТЕ (или Н)-волны, ТМ (или Е)-волны и ТЕМ-волны; Т означает поперечность (трансверсальность). Каждый тип волн имеет свою структуру поля: в ТЕ-волнах электрическое поле сводится лишь к поперечным составляющим, но магнитное поле имеет и продольную, и поперечную составляющие; ТМ-волны имеют только поперечные составляющие магнитного поля; продольную составляющую имеет лишь электрическое поле; ТЕМ-волны вообще не имеют продольных составляющих поля и могут существовать только в многосвязных Радиоволновод Волны с различными m и n записываются в виде TMmn и TEmn (или Emn, Hmn). Волны с наименьшими индексами m и n называются простейшими. В случае ТМ-волн (H_z = 0) простейшей волной является волна ТМ₁₁ (рис. 4).

Структура поля волны в круглом волноводе

Волны TM₁₀ и TM₀₁ неосуществимы, т.к. магнитные силовые линии должны быть замкнутыми. Более сложные волны возникают, если увеличить поперечные размеры Радиоволновод или частоту колебаний так, чтобы вдоль размеров а и b укладывалась более чем одна полуволна. При этом поперечное сечение Радиоволновод, подобно колеблющейся мембране, оказывается разбитым на ячейки, тождественные по структуре поперечному сечению волны ТМ₁₁ (рис. 5).

Структура поля волны в прямоугольном волноводе

В случае ТЕ-волн (Е₃₂ = 0) возможно существование волн при m = 0, n ¹ 0 или n = 0, m ¹ 0, т.к. линии электрического поля могут быть прямыми, начинающимися на противоположных стенках Радиоволновод (рис. 6, 7). Из волн TE₁₀ и ТЕ₁₁ как из ячеек, составляются все сложные типы ТЕ-волн (рис. 8).

Структура поля волны в прямоугольном волноводе

Множитель е^-gz определяет изменения амплитуды и фазы волны при распространении её вдоль оси Радиоволновод При отсутствии потерь должна быть чисто мнимой величиной: g = ia, т. е. . Это соответствует условию для частоты:

Структура поля волны в прямоугольном волноводе

которое означает, что Радиоволновод пропускает без затухания только колебания с частотой выше некоторой граничной частоты w_гр ; ей соответствует критическая длина волны l_кр. Граничная частота w_гр тем выше, чем меньше а и b, т. е. размеры Радиоволновод При заданной рабочей частоте w нужны тем большие размеры Радиоволновод а и b, чем больше m и n, т. е. чем сложнее волна.
Длина волны в Радиоволновод Л оказывается большей, чем в свободном пространстве:
.     (5)
Фазовая скорость распространения волны в Радиоволновод равна:
,     (5a),

Структура поля волны в прямоугольном волноводе.

т. е. всегда больше скорости света и зависит от частоты колебаний. Это означает, что в Радиоволновод имеет место дисперсия волн, вносящая искажения в передаваемые сигналы тем больше, чем шире спектр их частот.

Схема волноводного тракта

Затухание волны в Радиоволновод описывается вещественной частью комплексной постоянной распространения g = b + ia и объясняется в реальных Радиоволновод потерями в стенках и в заполняющем Радиоволновод диэлектрике. В «идеальных» (без потерь) Радиоволновод, если w < w_гр, электромагнитное поле затухает без потерь энергии (за счёт полного отражения). В Радиоволновод можно работать только на одном первом типе волны, выбрав размеры Радиоволновод определённым образом (например, для прямоугольного Радиоволновод и волны H₁₀), выбрав величину а из соотношения a < l < 2а). Обычно берут а = 0,72 см, что даёт: а = 72 мм на l = 10 см; a = 23 мм на l = 3,2 см (см. табл.).

Совокупность двух классов волн магнитного и электрического типов в каждом Радиоволновод образует полную систему волн. Это означает, что в Радиоволновод могут распространяться электромагнитные поля только таких структур, которые могут быть представлены как результат суперпозиции воли магнитного и электрического типов.

Для Радиоволновод круглых сечений основным уравнением вместо (1) становится Бесселя уравнение с решениями в виде цилиндрических функций. В круглом Радиоволновод также можно выбрать диаметр Радиоволновод для работы только на одном первом типе волны (см. табл.). Однако не всегда первый тип волны оказывается наиболее удобным. Например, в силу осевой симметрии полей у волн ТМ₀₁ и TE₀₁ в круглом Радиоволновод (рис. 9, 10) эти волны применяют во вращающихся соединениях. На рис. 11 и 12 показаны структуры поля волн TM₁₁ и ТЕ₁₁ в круглом Радиоволновод Применение волн с относительно малым l_кр затруднительно, т.к. при обеспечении условий распространения для них одновременно в Радиоволновод будут распространяться и все предыдущие «ненужные» типы волн.

Критические длины волн Х для прямоугольных и круглых радиоволноводов

Тип волны	Прямоугольный волновод			Круглый волновод
	TE10	TE20	TE10	TE11	TM01	TE21	TM11	TE01
lкр	2a	a	2b	3,41r	2,61r	2,06r	1,64r	1,64r

 Волна TE₀₁ в круглом Радиоволновод обладает тем исключительным свойством, что потери на стенках Радиоволновод непрерывно уменьшаются с укорочением l. 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. Основная трудность заключается в обеспечении необходимой «чистоты» поля волны ТЕ₀₁ по всей линии устранением др. типов волн, возникающих под воздействием различного рода неоднородностей. В Радиоволновод с потерями понятие резкой границы пропускания при w_гр теряет простой смысл. В Радиоволновод с потерями проходят волны (хотя и слабо) «за критической волной» l > l _кр, рассчитанной для Радиоволновод без потерь.

Для передачи сантиметровых и миллиметровых волн могут служить диэлектрические Радиоволновод, где поверхностью раздела, направляющей волну, служит внутренняя поверхность диэлектрического стержня. Диэлектрические Радиоволновод чувствительны к внешним воздействиям и имеют дополнительные потери, связанные с просачиванием энергии за пределы Радиоволновод, что затрудняет их практическое применение.

Радиоволновод с поверхностной волной представляют собой металлическую ленту или цилиндрический проводник, на которых располагаются ребристая структура или диэлектрическое покрытие (рис. 13). Вдоль такого Радиоволновод могут распространяться волны различных типов, например TM₁₀. Энергия поля сосредоточена в окружающем пространстве: радиус поля (расстояние, на котором поле ещё ощутимо) зависит от ширины ленты и её проводимости и быстро уменьшается с укорочением l. Радиоволновод с поверхностной волной обладают меньшим затуханием, чем металлические Радиоволновод, проще по конструкции и позволяют передавать большие мощности в широком диапазоне частот. Недостатки этих Радиоволновод связаны с тем, что поле поверхностной волны окружает Радиоволновод снаружи: различные неоднородности (деформации Радиоволновод, крепления, соединения, окружающие предметы) приводят к излучению, т. е. к потерям энергии. Несмотря на это, Радиоволновод с поверхностной волной применяются как направляющие системы и как излучающие элементы в антеннах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

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

Согласование отрезков Радиоволновод друг с другом и с нагрузкой осуществляется с помощью т. н. согласующих элементов (рис. 15) в виде комбинаций пассивных штырей, индуктивных или емкостных 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 некоторых случаях около 10—20% от w.

Практическое значение имеет вопрос о передаче по Радиоволновод больших мощностей. Радиоволновод с размерами сечения, соответствующими распространению волн только первого типа, может пропустить мощность лишь порядка 3—4 Мвт. Если же размеры сечения Радиоволновод 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 и 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., Радиоволною воды и объемные резонаторы, М., 1959; Вайнштеин 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.