Рис. 2.17. Линии пробоя коаксиального кабели и круглого волновода

Линия пробоя Волновод обладает ря-

дом преимуществ по сравнению с двухпроводной воздушной линией и коаксиальным кабелем. Энергия распространяется внутри волновода, поэтому отсутствуют потери на излучение и воздействие внешних полей; в волноводе нет внутреннего провода и диэлектрика, что также уменьшает потери. Для лучшей проводимости внутренняя поверхность стенок волновода покрывается часто слоем серебра. При одинаковых размерах с коаксиальным кабелем волновод без опасности пробоя может передавать большую мощность (рис. 2.17).

Одним из существенных недостатков волновода является то, что внутри него могут распространяться волны, длина которых не превышает некоторого критического значения.

Распространение электромагнитных волн. Режимы работы волновода имеют большое сходство с режимами работы двухпроводной линии. В волноводах могут суп(ествопать бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от степени отражения энергии от конца волновода. Характеристикой режима работы является КБВ = £m n/majr, - наименьшая и наибольшая ве-

личина действующего значения напряженности электрического поля. Практически чисто бегущую или чисто стоячую волну в волноводе получить трудно, особенно трудно получить бегущую волну. При КБВ = 0,8 принято считать, что нагрузка хорошо согласована с волноводом. Опираясь на значения, полученные при изучении длинных линий, рассмотрим условия, при которых может распро-страияться энергия в волноводе. Предположим, что к двухпроводной симметрично согласованной линии параллельно подсоединили большое число короткозамкнутых четвертьволновых отрезков шлейфов (рис. 2.18,а).

В точках их подключения сопротивление равно бесконечности, поэтому присутствие отрезков не повлияет на режим работы линии и электромагнитная энергия от генератора будет переноситься бегущей волной к нагрузке. При бесконечно большом числе шлейфов Получается сплошная замкнутая поверхность, которая и образует волновод прямоугольного сечения (рис. 2.18,6). В таком волноводе также распространяется электромагнитная бегущая волна.

Размер широкой стенки волновода о = 2Я,/4-ЬЛ или а>2Л/4=Я/2. Если частота генератора изменилась и длина шлейфов стала меньше Я/4, то их входное сопротивление уменьшилось. Энергия, ответ-

I о

а) Ю

Рис. 2.18. Образование прямоугольного волновода нз двухпроводной линии

вляясь В эти отрезки, перестает распространяться вдоль волновода. Если же ширина широкой стенки остается больше Х/2, т. е. длина волны генерируемых колебаний уменьшается, волновод остается открытым. В этом случае нужно учитывать толщину проводов двухпроводной линии \ = a-}J2, за счет которой уменынается длина четвертьволновых отрезков.

Итак, длина волны распространяющихся в волноводе колебаний зависит от величины широкой стенки волновода. Критическая длина волны >.кр=2а. Для волн с длиной Х<Ккр волновод открыт, для волн с длиной Х>>.кр волновод закрыт, т. е. энергия электромагнитных воли в волноводе не распространяется.

Размер узкой стенки волновода определяет в основном величину передаваемой мощности и выбирается таким, чтобы исключить возможность пробоя. Обычно б= 0,5а. Механизм распространения электромагнитных волн в волноводе обусловлен многократным отражением их от стенок волновода (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Отражение волн различной длины от стенок волновода

Падающая волна наводит в поверхностном слое проводника токи, которые создают новую электромагнитную волну - отраженную и т. д. Чем больше длина волны, тем ближе угол падения а к нулю, т. е. волны падают иа стенки волновода почти перпендикулярно. При 1=Ккр, а=0 падающая и отраженная волны двигаются навстречу друг другу, образуя стоячую волну, и энергия по волноводу не передается.

Теория распространения волн в волноводах довольно сложна, поэтому рассмотрим некоторые положе1ШЯ из этой теории, которые хорошо подтверждаются экспериментально.

1. Фазовая скорость движения фронта волны в волноводе больше скорости движения фронта волны в свободном пространстве, т. е. больше скорости света.

Полагаем, что падающая волна плоская. Это значит, что поверхности, соединяющие точки с одинаковыми фазами, представляют собой плоскости и называются фронтом волны (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Отражение электромагнитной волны от идеально проводящей плоскости

Плоская волна падает на идеально проводящую поверхность. Вектор V изображает скорость движения фронта волны. Его числовое значение в воздухе равно скорости света, т. е. V=c.

Волны Л] и Я,2 приходят в точки А и В одновременно (рис. 2.20), но фронт волны придет в точку А через время Т, пройдя по плоскости расстояние AB=}Jsin а, поэтому скорость движения фронта волны - фазовая скорость вдоль плоскости

Уф = 1Т sin о = c/sin а.

Поскольку sina<l. фазовая скорость больше С. При а->-0 Уф->-с10, а это значит, что фронт волны достигает точек А и В одновременно. Однако при возрастании фазовой скорости уменьшается скорость переноса энергии вдоль волновода, которая называется групповой скоростью. Последняя представляет собой проекцию вектора скорости распространения волны на направление продольной оси волновода. При критическом режиме, когда а = 0, фазовая скорость стремится к бесконечности, а групповая скорость равна нулю.

2. Структура волн в волноводе отличается от структуры волн в свободном пространстве. Тины воли п волноводе могут быть различные. Название типа определяется вектором, направленным вдоль широкой стенки волновода. Например, поперечные электрические волны ТЕ или Н -вдоль широкой стенки направлен вектор Н, а электрическое поле Е является поперечным; поперечные магнитные волны ТМ или Е - вдоль широкой стенки направлен вектор Е, а поперечным является магнитное поле Н. Чтобы дать более точную характеристику виду колебаний, к буквам Н и Е преписьшают цифровые индексы, указывающие, какое число полуволи укладывается вдопь нгирокой и узкой стенок волновода. Например, волна типа Н;с соответствует поперечной электрической Волне, у которой вдоль широкой стенки волновода число полуволн равно единице, а вдоль узкой стенки - нулю. Бывают волны и более высоких порядков, например Нгс, Н22, Е20 н т. д., но они практически используются мало.

Чаще всего применяются волноводы с волной Ню, поэтому важно знать структуру электрического и магнитного полей этой волны. На широких стенках волновода сосредоточены основные заряды с противоположными знаками, поэтому электрические силовые линии имеют направление от одной широкой стенки волновода к другой. Если идти вдоль волновода, то направление электрических силовых линий меняется на противоположное через каждые Полволны. В поперечном сечении напряженность электрического Поля имеет такое же распределение, как и в короткозамкнутой ли-

Рис. 2.21. Волна типа Ню в прямоугольном волноводе

нии: равна пулю на краях и имеет максимум в середине (рис. 2.21).

Структуру магнитного поля можно рассматривать, воспользовавшись представлением волновода в виде двухпроводной линии, к которой присоединены короткозамкнутые четвертьволновые отрезки-шлейфы. На рис. 2.22, а изображены магнитные поля каждого 1нлейфа в одном из сечений, параллельном узкой стенке волновода.

Сечение А-А а)

Рис. 2.22. Образование структуры магнитного поля в волноводе

Рис. 2.23. Возбуждение волны Ню с номоп;ью штырька

Поля проводов соседних шлейфов, а также поля проводов, принадлежащих одному шлейфу, имеют противоположные значения и уничтожают друг друга в пространстве между шлейфа.чи, поэтому суммарное поле может быть представлено сплошной линией, окружающей шлейфы (рис. 2.22,6). Когда шлейфов много, они сливаются в одну замкнутую поверхность, образующую экран, магнитные силовые линии не могут выйти за пределы этого экрана и замыкаются внутри волновода. Вдоль волновода направление магнитных силовых линий меняется на противоположное тоже через половину длины волны (рис. 2.22,в). Анализ рис. 2.21 и 2.22 показывает, что электрическое поле имеет только поперечную составляющую, а магнитное - поперечную и продольную.

Возбуждение и согласование. Каждый тип волны требует определенного вида и расположения элементов возбуждения. Создаваемые ими поля должны по своей структуре соответствовать тому типу волны, который хотят получить в волноводе. Любое устройство, дающее возбуждение, может быть использовано и для приема волн.

Электрическая связь осуществляется с помощью штырька-виб-ратора (или зонда), который устанавливается в месте максимального электрического поля и вдоль электрических силовых линий. Такой штырек часто является продолжением внутреннего провода коаксиального кабеля и работает как антенна. Чем больше величины штырька, тем сильнее связь; регулируя величину погружения штырька, можно менять количество подавляемой или отбираемой энергии (рис. 2.23).

Магнитная связь осуществляется с помощью витка (петли) связи, который помещается в месте максимального магнитного Поля и таким образом, что его плоскость перпендикулярна магнитным силовым линиям. Величину связи регулируют поворотом 5-1140 65