5.3. Возбуждение волноводов
Конструкции устройств, предназначенных для возбуждения в волноводе волны определённого типа, или для извлечения энергии из волновода с волной того же типа одинаковы.
Известны следующие способы возбуждения волноводов:
в волноводе необходимо поместить прямой провод (штырь) так, чтобы он находился в точке, где напряжённость электрического поля имеет максимальное значение, и ориентировать провод так, чтобы его ось совпадала с направлением вектора напряжённости электрического поля. При такой ориентации провода индуцируемая в нём ЭДС будет максимальной;
в волноводе необходимо поместить рамочную антенну (виток), ориентировав её так, чтобы нормаль к плоскости рамки совпала с направлением вектора напряжённости магнитного поля. При этом рамку следует расположить там, где нормальная к её плоскости напряжённость магнитного поля имеет максимальное значение;
в стене волновода прорезать щель перпендикулярно к линиям тока (вдоль силовых линий магнитного поля) в максимуме их плотности.
На рисунке 5.4 приведён пример возбуждения волны в прямоугольном волноводе.
Э
лементом
связи является штырь, расположенный в
точке, где напряжённость электрического
поля
волны
должна иметь максимальное значение
(при
).
Конструктивно этот штырь является
продолжением внутреннего провода
коаксиальной линии, присоединённой с
другой стороны к генератору. Обычно
волновод на одном конце закрывается
проводящей стенкой, расположенной на
расстоянии
от штыря. Благодаря этому передача
энергии происходит только в одну сторону.
5.4. Затухание электромагнитных волн в волноводах с потерями
В реальных условиях часть электромагнитной энергии, передаваемой по волноводу, расходуется на нагревание стенок, а также теряется в среде, заполняющей волновод. Вследствие этого амплитуды поля будут уменьшаться вдоль направления распространения, то есть волна в волноводе становится затухающей.
Постоянная распространения затухающей волны, существующей в среде с потерями, есть величина комплексная
, (5.51)
где
– коэффициент затухания,
– волновое число.
Д
ля
определения коэффициента затухания
рассмотрим цилиндрический волновод с
потерями (рисунок 5.5). Пусть в плоскости
мощность равна
.
В плоскости
мощность
будет отличаться от величины
из-за потерь энергии на участке
.
Если
,
то
.
Стало быть, величина
представляет собой убыль средней
мощности в волноводе на единицу длины.
Как известно, средняя мощность,
передаваемая по волноводу, равна
, (5.52)
где – площадь поперечного сечения волновода,
– единичный вектор,
совпадающий по направлению с направлением
распространения волны.
Векторы и в волноводе можно представить таким образом:
;
.
Следовательно,
,
где
.
Дифференцируя
величину
по
,
получаем
.
Отсюда вытекает, что коэффициент затухания
. (5.53)
На практике волновод обычно заполнен воздухом, который является диэлектриком с очень малым уровнем потерь. В этом случае потери в диэлектрике, естественно, можно не принимать во внимание. При таком условии убыль средней мощности в волноводе на единицу длины будет равна среднему потоку вектора Пойнтинга через стенки, рассчитываемому также на единицу длины
, (5.54)
где
– контур поперечного сечения волновода,
– орт нормали к
стенке волновода.
Подставляя значения
и
из (5.52) и (5.54) в (5.53), получаем выражение,
определяющее коэффициент затухания
Неп/м. (5.55)
Согласно приближённому граничному условию Леонтовича, у стенок волновода
,
где
– поверхностное сопротивление проводника,
и, поэтому в (5.55) можно заменить подынтегральное выражение
,
так как
и 
.
Следовательно, приближённая формула для коэффициента затухания электромагнитной волны в волноводе принимает вид
. (5.56)
Обычно стенки волновода изготавливаются из металла с высокой проводимостью, поэтому мы допустим лишь небольшую погрешность, если реальные величины и заменим на величины, соответствующие идеальному волноводу.
Согласно сделанным допущениям значение будет таким же, как и в волноводе без потерь.
Формула (5.56) применима не только к волноводам, но и к другим направляющим системам, образованным проводящими поверхностями.