Учебники 80361

Рис. 17

73

Рис. 18

74

4.3. Еmn -волны в прямоугольных волноводах

Волны электрического типа также имеют много различных видов.

Наиболее простой из них, или низшей, является волна

представляют собой замкнутые петли, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси волновода. Следовательно, в отличие от Н mn -волн построение картины поля здесь нужно

начинать с магнитных силовых линий. Полностью структура поля волны Е11 приведена на рис. 19. В соответствии со

значениями индексов m 1, n 1 и свойствами электромагнитных волн напряженность электрического поля в данном случае максимальна в середине каждой из сторон поперечного сечения волновода и имеет нулевые значения по их концам.

Из продольного разреза волновода (рис.19) очень хорошо видно, что электрические силовые линии начинаются и кончаются на одной и той же его грани.

Характер распределения поля вдоль оси волновода и его поперечных размеров определяется, как и для магнитных волн, по фазовым сдвигам составляющих, расположенных в соответствующей плоскости (перпендикулярной направлению, вдоль которого анализируется поле ).

Ток, протекающий по стенкам волновода, имеет только одну (продольную) составляющую, которая максимальна в середине стенок; отсутствие поперечной составляющей объясняется тем, что магнитные силовые линии расположены лишь в поперечных плоскостях. Необходимо иметь в виду, что токи проводимости замыкаются через токи смещения, которые проходят внутри линий магнитного поля.

75

Поскольку при Еmn -волнах в стенках волновода нет

поперечных токов, то отпадает необходимость в обеспечении надежного электрического контакта в углах сечения, то есть в местах стыковки широких и узких граней. Соединение этих граней должно удовлетворять лишь требованиям к механической прочности и жесткости конструкции волновода.

При повторении поля волны Е11 несколько раз вдоль одного или обоих поперечных размеров волноводного устройства получаются волны высших порядков: Е12 , Е13 , …,

Рис. 19

76

или Е21 , Е31 , …, Е22 , Е23 и т.д. На рис. 20 в качестве примера изображена структура поля волны Е21 .

4.4. Hmn - волны в круглых волноводах

По сравнению с прямоугольными конфигурация полей в круглых волноводах получается более сложной, так как в них отражение волн происходит не от плоской, а от цилиндрической поверхности.

Из магнитных волн низшей, основной является волна типа Н11 , структура поля которой показана на рис. 21. Легко заметить, что это поле имеет большое сходство с полем волны Н 10 в прямоугольном волноводе и может быть получено из

него путем перехода от прямоугольного сечения сначала к овальному, а затем к круглому (рис. 22).

Волна Н11 в круглом волноводе в настоящее время

применяется сравнительно редко, поскольку она имеет неустойчивую плоскость поляризации. Действительно, ориентация в пространстве электрических и магнитных силовых полей для нее не определяется формой волновода, изза чего поле при наличии в волноводе различных неоднородностей может поворачиваться в пределах 360˚ по окружности, что приводит к существенному изменению величины связи.

В последние годы все чаще и чаще используется в круглых волноводах волна Н 01 , обладающая аномальной

зависимостью потерь от частоты. Для нее, в отличие от других типов волн, наблюдается непрерывное падение затухания сигнала с укорочением длины волны передаваемых колебаний высокочастотной электромагнитной энергии, что объясняется особенностями структуры ее поля (рис. 23). Электрические силовые линии у этой волны расположены в поперечных плоскостях и представляют собой концентрические окружности с центром на оси волновода. Магнитные силовые

77

линии в виде замкнутых петель сосредоточены в продольных плоскостях и расположены попарно симметрично относительно той же оси волновода. Следовательно, поле волны Н 01 имеет круговую симметрию. Указанные

особенности свойственны всем волнам вида Н 0n , из которых Н 01 будет низшей.

При анализе конфигурации поля, изображенного на рис. 23, нетрудно установить, что электрические силовые линии являются замкнутыми и нигде не соприкасаются со стенками волновода, в связи с чем токи смещения в его внутренней полости будут циркулировать по замкнутым окружностям и не могут служить продолжением токов проводимости. Поэтому при волне Н 01 (или Н 0n ) в круглом

волноводе возможны лишь поперечные кольцевые токи проводимости, создаваемые продольной составляющей магнитного поля.

С ростом частоты длина магнитных силовых линий в продольном направлении уменьшается, и поле волны Н 01 как бы все больше и больше отрывается от стенок волновода, что приводит к уменьшению Н ПРОД и iПОПЕР . Этим и объясняется непрерывное падение затухания сигнала с повышением частоты.

В силу своих преимуществ волна Н 01 в круглых

волноводах используется главным образом в линиях передач для дальней волноводной связи.

Наряду с достоинствами волне Н 01 свойственны и

некоторые недостатки, обусловленные отсутствием жесткой связи ее поля со стенками волновода, в результате чего она неустойчива и чувствительна ко всякого рода деформациям и неоднородностям и может перерождаться в другие типы волн вместе с чем пропадают положительные свойства этой волны.

Борьба с отмеченными недостатками ведется по трем направлениям.

78

Рис. 20

79

Рис. 23

81

Прежде всего стремятся в волноводном тракте свести к минимуму все неоднородности. В частности, нельзя допускать на стенках его каких-либо царапин или неровностей.

Далее, применяют волноводы с периодической структурой, обладающие избирательными свойствами, то есть они пропускают волну Н 01 и задерживают другие волны. К

ним относятся кольцевые волноводы, состоящие из отдельных изолированных по постоянному току друг от друга металлических колец, и спиральные волноводы, изготовленные из провода, свернутого в спираль. Эти волноводы резко ослабляют волны с продольной составляющей тока.

И наконец, используют волноводы с поглощающей пленкой, для чего их внутреннюю поверхность покрывают материалом с большой диэлектрической проницаемостью. Для волны Н 01 затухание в этом покрытии невелико, так как

величина напряженности электрического поля у стенок волновода мала. Другие же волны, имеющие перпендикулярную к стенке составляющую электрического поля, испытывают большое поглощение.

Таким образом, учитывая естественные условия прокладки магистральных волноводов и условия их эксплуатации, наиболее приемлемой системой канализации для волны Н 01 следует считать гибкие волноводы с

периодической структурой, что к тому же не исключает и применения диэлектрических покрытий.

Волны Н 0n высших порядков ( n 2,3,4,... ) отличаются от волны Н 01 только количеством ячеек поля. Для примера на рис. 24 дана картина поля волны Н 02 .

82