- •5. Волноводы и резонаторы
- •5.1. Прямоугольный волновод
- •5.1.1. Поперечно-электрические поля (те)
- •5.1.2. Поперечно-магнитные поля (тм)
- •5.1.3. Волна ( ) в прямоугольном волноводе
- •5.2. Круглый цилиндрический волновод
- •5.3. Возбуждение волноводов
- •5.4. Затухание электромагнитных волн в волноводах с потерями
- •5.5. Объёмные резонаторы
5.2. Круглый цилиндрический волновод
В цилиндрическом
волноводе без потерь электромагнитное
поле, так же как и в прямоугольном
волноводе, может быть представлено в
виде совокупности поперечно-электрических
и поперечно-магнитных полей различных
типов. Поперечные составляющие векторов
поля могут быть выражены через продольные
составляющие
и
подобно тому, как это было сделано для
прямоугольного волновода.
Уравнения для проекций и в цилиндрической системе координат (рисунок 5.2) выглядят аналогично друг другу:
,
. (5.41)
Р
ешение
уравнения (1)
системы (5.41) будет иметь вид
. (5.42)
Граничное условие
при
будет удовлетворено, если производная
функции Бесселя
будет равна нулю
при
или
,
, (5.43)
где значок
“
”означает
производную по аргументу.
В теории бесселевых
функций установлено, что для каждого
значения
имеется бесконечное счётное множество
корней уравнения
.
Мы будем обозначать эти корни
,
где
- порядковый номер корня. Значения
нескольких первых корней
при
приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Корни производных функций Бесселя
Номер корня |
=0 |
=1 |
=2 |
1 |
3,832 |
1,840 |
3,054 |
2 |
7,016 |
5,335 |
6,705 |
3 |
10,174 |
8,536 |
9,965 |
Из равенства (5.43) вытекает, что
,
откуда
,
,
, (5.44)
и, соответственно,
. (5.45)
Волна будет распространяться по волноводу, если
.
Критическая частота поля теперь определяется выражением
или
, (5.46)
а критическая длина волны
. (5.47)
Из таблицы 5.1
следует, что наименьшим корнем уравнения
является корень
,
равный 1.84. Стало быть, волна
(или
)
при данном радиусе волновода
будет иметь наибольшую критическую
длину
.
Силовые линии
векторов
и
волны
в сечении круглого волновода изображены
на рисунке 5.3
Формулы для групповой и фазовой скоростей волны в круглом волноводе имеют следующий вид:
;
. (5.48)
Характеристическое сопротивление
.
Решение уравнения (2) системы (5.41) выглядит аналогично (5.42)
,
Это решение будет
удовлетворять условию
при
,
если
,
где
– корни уравнения
,
,
Значения первых корней полученного уравнения при приведены в таблице 5.2
Таблица 5.2 – Корни уравнения
Номер корня |
=0 |
=1 |
=2 |
1 |
2,405 |
3,832 |
5,135 |
2 |
5,520 |
7,016 |
8,417 |
3 |
8,654 |
10,173 |
11,620 |
Критические частоты поперечно-магнитных полей круглого волновода (или ) равны
, (5.49)
а критические длины волн
. (5.50)
Если или , то поле будет распространяться по волноводу в виде бегущей волны.
Так как корень
принимает наименьшее значение при
,
,
то самую низкую критическую частоту
(наибольшую критическую длину волны)
будет иметь волна
(
).
Подставляя значение
в (5.50), получаем
.
Для одномодового
режима работы круглого волновода с
воздушным заполнением (
)
.
