Назначение и устройство волноводов

⇐ ПредыдущаяСтр 33 из 33

Для канализации энергии электромагнитных волн между составными частями аппаратуры радиостанций на коротких, метровых, волнах и в значительной части диапазона дециметровых волн служат симметричные и коаксиальные линии. Но на сантиметровых волнах и в ряде случаев на верхней части дециметрового диапазона от двухпроводных линий приходится отказываться из-за чрезмерных потерь на излучение (в случае симметричных конструкций) и в центральном проводе (в случае коаксиальных конструкций). В этих диапазонах более выгодны волноводы.

Преимущества волноводов перед кабелями можно видеть в следующем. Во-первых, в волноводе нет внутреннего провода и изоляторов для его поддержки; ведь именно в них происходят основные потери в коаксиальной линии. Во-вторых, при одинаковых размерах волновод позволяет передавать волны большей мощности, нежели кабель, без опасности пробоя, так как расстояния между противоположными точками стенок волновода больше, чем между центральным проводом и стенкой коаксиальной линии. В-третьих, волновод, в отличие от симметричной линии и подобно коаксиальной линии, имеет полную экранировку, исключающую воздействие внешних полей и потери на излучение.

Но волноводы, в отличие от симметричных или коаксиальных линий, способны пропускать волны не длиннее некоторого критического значения, определяемого формой и размерами сечения трубы. Для канализации волн длиннее 15—20 см размеры сечения-трубы оказались бы неприемлемо большими. Прямоугольные волноводы изготовляются обычно в виде цельнотянутых металлических труб. В качестве материала применяются немагнитные материалы с хорошей проводимостью — медные, латунные и алюминиевые. На величину потерь мощности существенное влияние оказывает качество обработки внутренней поверхности стенок волновода. Тщательная ее полировка снижает затухание на 15¸20 %. Часто внутренняя поверхность волновода покрывается золотом, серебром, палладием для предотвращения коррозии и сохранения характеристик волновода на длительный срок. Для снижения металлоемкости и массы волновода его можно изготавливать из пластмассы, а внутреннюю поверхность и соединительные фланцы металлизировать медью, серебром. Для придания гибкости прямоугольному волноводу применяются гофрированные прямоугольные секции.

Применяются волноводы как прямоугольного, так и круглого сечения.

Рис.1. Волноводы:

а) прямоугольный волновод,б) круглый волновод, в) гибкий волновод

Если необходимо подвижное соединение двух частей аппаратуры с помощью волновода, то можно применить гибкую конструкцию волновода (рис.1.в).Такой отрезок волновода имеет сетчатые проволочные стенки, размеры ячеек которых гораздо меньше длины передаваемой волны. Могут быть также гибкие волноводы с гофрированными стенками.

Типы электромагнитных волн, распространяемых в волноводах.

Поясним на примере прямоугольного волновода простейшим способом передачу волн и существование критической длины-волны.

Распространяющаяся в волноводе электромагнитная волна характеризуется векторами напряженности электрического (Е) и магнитного (Н) полей. В прямоугольной системе координат каждый из этих векторов может быть разложен на три составляющие по осям х, у, z(рис. 2, а).

Для распространения волны необходимо, чтобы одна из продольных составляющих (т.е. направленных вдоль оси х) вектора Е или Н была бы отлична от 0.

Поперечная волна, т.е. волна, не имеющая продольной составляющей, в волноводе распространяться не может. Волны, распространяющиеся в волноводе, делятся на две группы: электрические и магнитные.

В электрической волне вектор Е помимо поперечных составляющих имеет еще и продольную. При этом вектор Н не имеет продольной составляющей. Поэтому такую волну называют еще поперечно-магнитной. Обозначается она как Е-волна или ТН-волна (Т — первая буква английского словаtransvers— «поперечный»).

Рис.2. Прямоугольный волновод:

а) внешний вид; б) распространение волны

В магнитной волне вектор Н помимо поперечных составляющих имеет еще и продольную. При этом вектор Е не имеет продольной составляющей. Поэтому такую волну называют еще поперечно-электрической. Обозначается она как Н-волна или ТЕ-волна.

Волна любого типа, распространяющаяся в волноводе, может быть представлена в виде комбинации нескольких плоских волн, каждая из которых распространяется по зигзагообразной траектории под некоторым углом θ к продольной оси волновода, попеременно отражаясь от его противоположных металлических стенок. Распространение одной такой плоской волны показано на рис.2, б. Чем больше длина волны λ, тем больше угол падения θ. При θ = 90° процесс распространения энергии вдоль волновода прерывается: волна как бы «прыгает» от одной стенки к другой, не продвигаясь вперед. Для каждого типа волны существует критическое значение длины волны λ_кр. Распространение волны вдоль волновода возможно только при выполнении условия λ<λ_кр.

Для прямоугольного волновода при электрической Е-волне и магнитной Н-волне

λ_кр= _,

гдеa , b— внутренние горизонтальный и вертикальный размеры поперечного сечения волновода (см. рис. 2, а); т, п — целые положительные числа, показывающие число поперечных полуволн, укладывающихся соответственно вдоль горизонтальной и вертикальной внутренних стенок волновода.

При Е-волне минимальные значения т = 1 и п = 1, поэтому наибольшее значение критической длины волны

λ_крЕ11= .

При Н-волне возможны, в частности, такие два варианта, когда т = 0 или я = 0, поэтому наибольшие значения критической длины волны

λ_крН01=2b; λ_крН10=2а.

Одной из наиболее простых волн, распространяющихся в волноводе, является волна типа Н₁₀ (ее другое обозначение ТЕ₁₀). При данной волне длина λ_кропределяется только размером, а поперечного сечения. Размер bможно выбрать таким малым, чтобы исключить возникновение волн высшего порядка, возбуждаемых вследствие различных неоднородностей в волноводе. В то же время уменьшение размера bприводит к опасности возникновения электрического пробоя и возрастанию потерь. С учетом сказанного для большинства технических применений устанавливают следующие диапазоны размеров прямоугольного волновода исходя из длины распространяющейся по нему волны: 0,5λ<а <λ; 0,25λ. <b< 0,5λ.

По тем же соображениям радиус сечения круглого волновода обычно принимают 0,3<λ< 0,4λ.

Длина волны в волноводе λ_вза счет распространения по зигзагообразному пути (см. рис.2, б) увеличивается по сравнению с длиной волны λв свободном пространстве. Для всех типов волн

λ_в = .

где μ,ε— относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости материала, заполняющего волновод; при заполнении волновода воздухом μ = 1, ε= 1.

Применение волноводов.

Радиочастотные электрические волноводы всегда применяются в современных радиолокационных станциях, ускорительной технике элементарных частиц. Кроме того в настоящее время волноводы нашли широкое применение в системах радиорелейной и спутниковой связи.

Литература

1. Каганов В.И. Радиотехника.учеб. пособие для студ. сред. проф. образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 352 с.

2. Шинаков Ю.С., Колодяжный Ю.М. Теория передачи сигналов электросвязи. Учебник для техникумов. – М.: Радио и связь. 1989. – 288 с.: ил.

3. Нефёдов В.И., Сигов В.С. Теория электросвязи. Учебник для СПО. – Издательство Юрайт. 2016. – 495 с.

4. Филиппов Б.И. Теория электросвязи.учеб. пособие. – Новосибирск.:СибГТИ 2011. – 284 с.: ил.

5. Панфилов И.П., Дырда В.Е. Теория электрической связи. Учебник для техникумов. – М.: Радио и связь.1991. – 344 с.

6. Лавренов В.Ф. Управление колебаниями.методическая разработка. – Рыльск.: РАТК-филиал МГТУ ГА 2013. – 40 с.: ил.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 1406; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 24 25 26 27 28 29 30 31 3233

Мы поможем в написании ваших работ!