Принципиальное отличие волновода от длинной линии состоит в том, что в волноводе энергия распространяется внутри пространства, ограниченного металлическими поверхностями.

Возможность распространения электромагнитной волны в волноводе можно показать предельным переходом от длинной линии к волноводу (слайд 36).

Подключим к двухпроводной линии несколько короткозамкнутых четвертьволновых отрезков длинной линии. Подключение таких отрезков не влияет на распространение волн в линии, так как их входное сопротивление на длине волны λ₀ имеет бесконечно большую величину. При подключении множества отрезков получается замкнутая с боков полость – волновод.

При длине волны, больше λ₀, сопротивление короткозамкнутых отрезков не бесконечно и они отражают часть энергии. При достаточно большой длине волновода вся энергия падающей волны будет отражена к генератору, т.е. волновод не может пропускать волны с длиной больше λ₀. Волны с длиной меньше λ₀, по волноводу распространяются беспрепятственно.

Предельная длина волны, которая может распространяться по волноводу, называется критической и определяется выражением:

λ_кр = 2а; ( = = ), слайд 37

где а – длина широкой стенки волновода.

В волноводах могут распространяться электромагнитные волны различных типов. Они подразделяются на две группы:

- электрические волны (Е), имеют электрическое поле, расположенное и в поперечном и в продольном направлениях, а магнитное поле – только в поперечной плоскости;

- магнитные волны (Н), имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле – только в поперечной плоскости.

У волн типа Е магнитное поле только поперечное, поэтому их называют также поперечно-магнитными волнами и обозначают буквами ТМ. Волны типа Н, у которых чисто поперечное только электрическое поле, называют поперечно-электрическими и обозначают буквами ТЕ (Т – символ поперечности). Поперечная электрическая волна при этом получает обозначение ТЕМ.

Для определения структуры волн символы магнитного и электрического полей дополняются индексами «m» и «n», которые показывают число полуволн, укладывающихся вдоль широкой (а) и узкой (в) стенок волновода.

Основным типом волн в прямоугольном волноводе является магнитная волна Н₁₀ (один - ноль), в этом случае вдоль широкой стенки волновода укладывается один максимум электрического поля (индекс 1), а вдоль узкой стенки поле не изменяется (индекс 0).

Волна типа Н представляет собой сумму нескольких поперечных волн, распространяющихся вдоль волновода зигзагообразно путем многократного отражения от стенок.

Структура магнитного и электрического полей показана на слайде 38.

Магнитные силовые линии изображены пунктирными линиями, а электрические – сплошными. Силовые линии, перпендикулярные к плоскости чертежа, показаны точками (идут «на нас»), крестиками (идут «от нас»).

Максимумы и минимумы электрического и продольного магнитного полей в волноводе чередуются через половину длины волны. Следует отметить, что длина волны в волноводе несколько больше длины волны передаваемых колебаний и определяется выражением:

.

В случае бегущей волны электромагнитное поле перемещается вдоль волновода, следовательно, рисунок 3.10 справедлив только для какого-то одного момента времени.

Для бегущей волны колебания электрического и поперечно-магнитного полей совпадают по фазе. Для стоячей волны между этими колебаниями существует сдвиг фаз на 90⁰ и максимум электрического поля сдвинут на четверть волны относительно максимума магнитного поля.

Понятие волнового сопротивления волновода аналогично понятию о волновом сопротивлении длинной линии. Поэтому на эквивалентных схемах волновод заменяется двухпроводной линией.

Входное сопротивление волновода распределяется вдоль его оси аналогично входному сопротивлению длинной линии. Поэтому отрезки волноводов используются в качестве колебательных систем генераторов СВЧ.

Возбуждение волн в волноводах осуществляется с помощью штыря (зонда) – электрическая связь – или с помощью витка (петля) – магнитная связь.

При электрической связи металлический штырь устанавливается внутри волновода вдоль электрических силовых линий, где поле наиболее сильное. Как правило, штырь является продолжением коаксиальной линии, подводящей энергию к волноводу.

Для возбуждения волны типа Н₁₀ штырь размещается на широкой стенке волновода на расстоянии λ_В/4 от закрытого конца волновода (слайд 39).

Для настройки четвертьволнового отрезка он заканчивается плунжером.

Недостатком возбуждения через штырь связи является то, что штырь находится в пучности электрического поля и поэтому уменьшается электрическая прочность волновода (напряженность электрического поля в месте установки штыря увеличивается, что может привести к пробою волновода).

Магнитная связь осуществляется витком связи, который обычно располагается в максимуме магнитного поля, причем плоскость витка должна быть перпендикулярна к магнитным силовым линиям (слайд 40).

Величину связи волновода с генератором можно изменять путем поворота петли связи. Штыри или витки используются и для отбора энергии, так как электромагнитные волны создают в штыре (за счет электрического поля) или в петле (за счет магнитного поля) ЭДС, которую можно отобрать к нагрузке.

На практике для возбуждения волн в волноводе применяется связь волновода с нагрузкой через отверстие.

В волноводных линиях передачи так же, как и в длинных линиях, используются согласующие устройства различного вида.

Принцип действия трансформаторов сопротивлений аналогичен рассмотренным в длинных линиях.

Диафрагма представляет собой тонкую пластинку, расположенную параллельно стенкам волновода. Установка диафрагмы в волновод изменяет структуру электрического (емкостного) или магнитного (индуктивного) полей, т.е. вносит фазовые изменения в электромагнитную волну. Подбором размеров и места установки диафрагм добиваются режима бегущих волн на большей длине волноводной линии.

Резонансная диафрагма и реактивный штырь являются комбинацией емкостной и индуктивной диафрагм.

Недостатком емкостной диафрагмы является уменьшение пробивного напряжения в волноводе.

В практике в качестве согласующих устройств используются также шлейфовые ответвители и фазовые трансформаторы (слайд 42).

Шлейфовые согласователи по принципу действия аналогичны подобным согласователям в длинных линиях.

Фазовый трансформатор представляет собой отрезок волновода, в котором параллельно узкой стенке устанавливается диэлектрическая пластинка. Сдвиг фазы происходит вследствие изменения длины волны в волноводе, частично заполненном диэлектриком.

Изгибы в волноводах

Весьма важно уменьшить потери в волноводах. С этой целью внутреннюю поверхность делают более гладкой, серебрят, что приводит к минимуму различные отражения от всевозможных неоднородностей внутри волновода. К неоднородностям относятся повороты, изгибы, волноводные сочленения (слайд 43).

Радиус изгиба и длина скрученного участка выбираются из условия:

R ≥ λ, k = n .

Волноводы РЛС собираются из отдельных секций. Это удобно для транспортировки и ремонта. Отдельные секции волноводов сочленяются с помощью специальных устройств. Они могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные сочленения обеспечивают вращение или качание антенны.

Сочленения должны создавать хороший электрический контакт между секциями. Неподвижные сочленения могут быть контактного или дроссельного типа. Контактное сочленение образуется двумя гладкими фланцами, которые стягиваются болтами. Недостаток контактных сочленений - малая электрическая прочность, слишком жесткая механическая связь между секциями, что приводит к передаче сотрясений и вибраций по волноводу.

От этих недостатков освобождено дроссельно-фланцевое сочленение, в котором электрический контакт обеспечивается за счет использования свойств четвертьволновых отрезков линий.

Вращающееся сочленение применяется для передачи энергии СВЧ генератора от неподвижной части волноводного тракта к его вращающейся (качающейся) части. Пример вращающегося сочленения прямоугольных волноводов показан на слайде 44.

Сочленение двух прямоугольных волноводов (1) и (3) осуществляется через круглый волновод (2), состоящий из двух половин и соединенный дроссельным вращающимся сочленением (4).

Вывод

1. В качестве линий передачи энергии СВЧ в сантиметровом диапазоне волн используются волноводы.

2. Согласующие устройства волноводной линии по принципу действия аналогичны согласующим устройствам в длинной линии.

3. Отрезки волноводов используются в качестве резонансных или колебательных систем радиолокационных устройств.

Четвертый учебный вопрос