Учебники 80361
.pdfРис. 17
73
Рис. 18
74
4.3. Еmn -волны в прямоугольных волноводах
Волны электрического типа также имеют много различных видов.
Наиболее простой из них, или низшей, является волна
Е11 , так как существование волн Е10 , |
Е01 и вообще Еm 0 |
и Е0n |
||
в прямоугольных волноводах невозможно. |
|
|||
Составляющими |
поля |
для |
волны Е11 |
будут |
ЕПОПЕР , Н ПОПЕР , ЕПРОД , |
поэтому |
магнитные силовые |
линии |
представляют собой замкнутые петли, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси волновода. Следовательно, в отличие от Н mn -волн построение картины поля здесь нужно
начинать с магнитных силовых линий. Полностью структура поля волны Е11 приведена на рис. 19. В соответствии со
значениями индексов m 1, n 1 и свойствами электромагнитных волн напряженность электрического поля в данном случае максимальна в середине каждой из сторон поперечного сечения волновода и имеет нулевые значения по их концам.
Из продольного разреза волновода (рис.19) очень хорошо видно, что электрические силовые линии начинаются и кончаются на одной и той же его грани.
Характер распределения поля вдоль оси волновода и его поперечных размеров определяется, как и для магнитных волн, по фазовым сдвигам составляющих, расположенных в соответствующей плоскости (перпендикулярной направлению, вдоль которого анализируется поле ).
Ток, протекающий по стенкам волновода, имеет только одну (продольную) составляющую, которая максимальна в середине стенок; отсутствие поперечной составляющей объясняется тем, что магнитные силовые линии расположены лишь в поперечных плоскостях. Необходимо иметь в виду, что токи проводимости замыкаются через токи смещения, которые проходят внутри линий магнитного поля.
75
Поскольку при Еmn -волнах в стенках волновода нет
поперечных токов, то отпадает необходимость в обеспечении надежного электрического контакта в углах сечения, то есть в местах стыковки широких и узких граней. Соединение этих граней должно удовлетворять лишь требованиям к механической прочности и жесткости конструкции волновода.
При повторении поля волны Е11 несколько раз вдоль одного или обоих поперечных размеров волноводного устройства получаются волны высших порядков: Е12 , Е13 , …,
Рис. 19
76
или Е21 , Е31 , …, Е22 , Е23 и т.д. На рис. 20 в качестве примера изображена структура поля волны Е21 .
4.4. Hmn - волны в круглых волноводах
По сравнению с прямоугольными конфигурация полей в круглых волноводах получается более сложной, так как в них отражение волн происходит не от плоской, а от цилиндрической поверхности.
Из магнитных волн низшей, основной является волна типа Н11 , структура поля которой показана на рис. 21. Легко заметить, что это поле имеет большое сходство с полем волны Н 10 в прямоугольном волноводе и может быть получено из
него путем перехода от прямоугольного сечения сначала к овальному, а затем к круглому (рис. 22).
Волна Н11 в круглом волноводе в настоящее время
применяется сравнительно редко, поскольку она имеет неустойчивую плоскость поляризации. Действительно, ориентация в пространстве электрических и магнитных силовых полей для нее не определяется формой волновода, изза чего поле при наличии в волноводе различных неоднородностей может поворачиваться в пределах 360˚ по окружности, что приводит к существенному изменению величины связи.
В последние годы все чаще и чаще используется в круглых волноводах волна Н 01 , обладающая аномальной
зависимостью потерь от частоты. Для нее, в отличие от других типов волн, наблюдается непрерывное падение затухания сигнала с укорочением длины волны передаваемых колебаний высокочастотной электромагнитной энергии, что объясняется особенностями структуры ее поля (рис. 23). Электрические силовые линии у этой волны расположены в поперечных плоскостях и представляют собой концентрические окружности с центром на оси волновода. Магнитные силовые
77
линии в виде замкнутых петель сосредоточены в продольных плоскостях и расположены попарно симметрично относительно той же оси волновода. Следовательно, поле волны Н 01 имеет круговую симметрию. Указанные
особенности свойственны всем волнам вида Н 0n , из которых Н 01 будет низшей.
При анализе конфигурации поля, изображенного на рис. 23, нетрудно установить, что электрические силовые линии являются замкнутыми и нигде не соприкасаются со стенками волновода, в связи с чем токи смещения в его внутренней полости будут циркулировать по замкнутым окружностям и не могут служить продолжением токов проводимости. Поэтому при волне Н 01 (или Н 0n ) в круглом
волноводе возможны лишь поперечные кольцевые токи проводимости, создаваемые продольной составляющей магнитного поля.
С ростом частоты длина магнитных силовых линий в продольном направлении уменьшается, и поле волны Н 01 как бы все больше и больше отрывается от стенок волновода, что приводит к уменьшению Н ПРОД и iПОПЕР . Этим и объясняется непрерывное падение затухания сигнала с повышением частоты.
В силу своих преимуществ волна Н 01 в круглых
волноводах используется главным образом в линиях передач для дальней волноводной связи.
Наряду с достоинствами волне Н 01 свойственны и
некоторые недостатки, обусловленные отсутствием жесткой связи ее поля со стенками волновода, в результате чего она неустойчива и чувствительна ко всякого рода деформациям и неоднородностям и может перерождаться в другие типы волн вместе с чем пропадают положительные свойства этой волны.
Борьба с отмеченными недостатками ведется по трем направлениям.
78
Рис. 20
79
Рис. 21
Рис. 22
80
Рис. 23
81
Прежде всего стремятся в волноводном тракте свести к минимуму все неоднородности. В частности, нельзя допускать на стенках его каких-либо царапин или неровностей.
Далее, применяют волноводы с периодической структурой, обладающие избирательными свойствами, то есть они пропускают волну Н 01 и задерживают другие волны. К
ним относятся кольцевые волноводы, состоящие из отдельных изолированных по постоянному току друг от друга металлических колец, и спиральные волноводы, изготовленные из провода, свернутого в спираль. Эти волноводы резко ослабляют волны с продольной составляющей тока.
И наконец, используют волноводы с поглощающей пленкой, для чего их внутреннюю поверхность покрывают материалом с большой диэлектрической проницаемостью. Для волны Н 01 затухание в этом покрытии невелико, так как
величина напряженности электрического поля у стенок волновода мала. Другие же волны, имеющие перпендикулярную к стенке составляющую электрического поля, испытывают большое поглощение.
Таким образом, учитывая естественные условия прокладки магистральных волноводов и условия их эксплуатации, наиболее приемлемой системой канализации для волны Н 01 следует считать гибкие волноводы с
периодической структурой, что к тому же не исключает и применения диэлектрических покрытий.
Волны Н 0n высших порядков ( n 2,3,4,... ) отличаются от волны Н 01 только количеством ячеек поля. Для примера на рис. 24 дана картина поля волны Н 02 .
82