Устройства СВЧ и антенны

32

На рис. 2.8 показан график зависимости коэффициента затухания от частоты при неизменных размерах поперечного сечения волновода. Как видно из рисунка и следует из (2.16) и (2.17−2.19), потери в волноводе резко возрастают при приближении частоты к критической. Быстрый рост активных потерь в волноводах при частотах, близких к критической, обусловлен коле-

ние поверхностного сопротивления металла RS с ростом частоты).

Как следует из формул (2.16)−(2.19), коэффициент затухания убывает прямо пропорционально величине удельной проводимости. Поэтому волноводы целесообразно изготовлять из металлов с высокой проводимостью: серебра, меди, алюминия.

Относительно затухания волн в волноводах необходимо сделать следующие общие замечания.

1.Затухание растет при уменьшении сечения волновода. Поэтому на волнах порядка 1 см и короче прямоугольные волноводы применяются в виде коротких отрезков.

2.На частотах ниже критической коэффициент затухания практически не зависит от частоты

3.Заметное увеличение затухания вызывают швы внутри волноводов, поэтому предпочтительнее применять цельновытянутые волноводные трубы.

4.При заполнении волновода диэлектриком его затухание заметно возрастает. Увеличение затухания вызывается как тепловыми потерями в самом диэлектрике, так и ростом потерь в стенках волновода из-за уменьшения

Объясняется это тем, что при заданной мощности уменьшение поперечных размеров волновода сопровождается возрастанием плотности поверхностного тока проводимости в его стенках и соответственно возрастают потери. По-

33

этому на волнах порядка 1 см и короче применение прямоугольных волноводов целесообразно только в виде коротких отрезков. В некоторых случаях, чтобы уменьшить потери, размеры поперечного сечения волновода увеличивают по сравнению со стандартными.

Применение волноводов. Полые металлические прямоугольные волноводы используют в диапазоне рабочих длин волн приблизительно от 50 см до 1 мм. Если говорить о радиочастотных линиях передачи, то на волнах дециметрового диапазона волноводы используются лишь в мощных устройствах, а начиная с длины волны приблизительно 6 см – повсеместно. Чаще всего волноводные тракты строят на основе прямоугольных металлических волноводов, по которым распространяются волны основного типа Н10. Причины этого: поперечные размеры волновода при этом оказываются минимальными; структура поля волны низшего типа устойчива по отношению ко введению во внутрь волновода каких-либо неоднородностей.

2.2 Волноводы круглого сечения

Круглые волноводы представляют собой металлическую трубу круглого сечения с радиусом а (рис. 2.9), в которых так же, как в прямоугольных волноводах, распространяются Е- и Н-волны и не распространяются волны типа Т.

При анализе волновой структуры используется цилиндрическая система координат r, j, z, при этом ось z совмещена с осью волновода (рис. 2.9).

Электрические волны (Hz º 0, Ez ¹ 0). Уравнение Гельмгольца в цилиндрической системе координат имеет вид:

Решение (2.21) с применением метода разделения переменных приводит к двум независимым дифференциальным уравнениям

34

решение которых имеет вид:

второго рода. Функцию Nm (χ r) называют также функцией Неймана m-

го порядка, а С′ и D′ − произвольные постоянные. Более подробно с функциями Бесселя можно познакомиться в [6].

Функция Бесселя второго рода при r→0 стремится к бесконечности. Так как напряженность поля в любой точке волновода должна быть ограничена, то необходимо положить D/ = 0. Таким образом, получаем продольную компоненту электрического поля

где Е0z=А1С/ − амплитуда продольной составляющей электрического поля.

определяем поперечные составляющие поля.

Составляющие векторов поля волны типа Еmn в круглом волноводе имеют вид

Eϕ = j χγm E0 J m (χ r )sin(mϕ)exp(− jγz),

2 r

Ez = E0 J m (χ r )cos(mϕ)exp(− jγz),

35

В уравнениях (2.28) штрих означает дифференцирование по всему аргументу функций Бесселя. Чтобы найти χ , надо воспользоваться граничным условием

Имеется бесконечно большое количество значений аргумента, при которых функция Бесселя равна нулю. Эти значения называются корнями функции Бесселя. Обозначая n-тый корень функции Бесселя m-го порядка через νmn, из (2.30) находим

где m=0,1,2,3 − порядок функции; n=1,2,3 − номер корня в порядке возрастания. Функция J0(x) первый раз пересекает ось абсцисс в точке с координатой, приблизительно равной 2,4. Данную точку принято обозначать символом ν01, следующая точка пересечения равна 5,52 и обозначается символом ν02. Нумерация Еmn-волн, отличающихся друг от друга по структуре поля в плоскости поперечного сечения волновода, осуществляется в соответствии с порядковым номером корня уравнения (2.30). Например, корню ν01 соответствует волна Е01, корню ν12 – волна Е12 и т.д. Индекс m соответствует числу стоячих волн поля, укладывающихся по окружности волновода, т.е. число вариаций

нахождения λкр . Таким образом, получаем, что для волн типа Еmn в круглом волноводе критическая длина волны определяется из выражения

где a – радиус волновода; νmn – n- й корень уравнения Jm(х) = 0.

Несколько первых корней функций Бесселя vmn в порядке их возраста-

ния и соответствующие критические длины волн λЕкр , рассчитанные по формуле (2.32), представлены в табл. 2.2. Наибольшей критической длиной волны ( λЕкр ) среди волн Е в круглом волноводе обладает волна Е01, для которой

λЕкр =2,613а . Ближайшим высшим типом является волна Е11.

37

волноводе имеют вид:

В уравнениях (2.36) штрих означает дифференцирование по всему аргументу функции Бесселя. Для определения поперечного волнового числа

уравнение (1.2) и учитывая, что в круглом волноводе дифференцирование по нормали соответствует дифференцированию по радиусу, получаем трансцендентное уравнение

тельная к стенкам волновода составляющая &ϕ электрического поля равна

E

нулю на поверхности стенок волновода. Обозначив корни уравнения (2.37), число которых бесконечно, через μmn находим поперечное волновое число волн Нmn:

максимум функции J1(x) имеет место в точке с координатой x≈1,8; данное значение обозначено как μ11; μ12 соответствует точке с значением x ≈5,3 и т.д.

Несколько первых корней функций Бесселя μmnH в порядке их возрас-

тания и соответствующие критические длины волн λHкр , рассчитанные по формуле (2.39), представлены в табл. 2.3. Наибольшей критической длиной

Структуры волн Н11 и Н01 показаны на рис. 2.11. В порядке убывания критической волны типы волн круглого волновода располагаются в ряд Н11, Е01,

Н21,(Н01 и Е11), Н31, Е21, Н12, Е02…., в то время как в прямоугольном волноводе уменьшению критической волны обязательно соответствует возрастание ин-

декса m или n типа волны.

2.2.2 Диаграмма типов волн в круглом волноводе

Располагая диаграммой типов волн в круглом волноводе, можно указать низший тип волны и определить область одноволновости данного волновода.

Обратимся к табл. 2.2 и 2.3, в которых приведены корни функций Бесселя и их производных, и выделим группу самых малых корней, поскольку именно таким корням отвечают типы волн с наибольшими критическими длинами. Наименьшим из всех корней оказывается корень производной функции Бесселя 1-го порядка μ11=1,841, которому соответствует волна типа Н11. Подставив этот корень в формулу (2.39), получаем

λкр=3,41а, и т.д. для волн Екр01 λкр=2,61а, для Н21 λкр=2,06а, для Н01 λкр =1,64а.

Построив диаграмму типов волн рис. 2.12, проанализируем последовательность выходящих в генерацию типов колебаний. Видно, что основным типом волны в круглом волноводе является Н11.

40

Волны Е- и Н-типов в круглом волноводе, так же как и в прямоугольном, обладают дисперсией, определяемой уравнением (1.17) с той разницей, что критические длины волн для соответствующих видов колебаний вычисляются по формулам (2.32) и (2.39).

Характеристические сопротивления для волн электрического и магнитного типов определяются по тем же формулам, что и для прямоугольного волновода, соответственно (1.15) и (1.16).

2.2.3 Передача энергии по круглому волноводу

Мощность, переносимая волной типа Н11 в круглом волноводе, равна:

Коэффициент ослабления для волн типа Нmn в круглом волноводе:

Для волн типа Emn в круглом волноводе:

Применение круглых волноводов. Несмотря на конструктивные достоинства, круглые волноводы используют значительно реже, чем прямоугольные. Это обусловлено поляризационной неустойчивостью основной волны типа Н11 в круглом волноводе. Поляризационная неустойчивость образуется из-за симметрии круглого волновода. Например, если на входе некоторой волноводной системы волна типа Н11 поляризована вертикально, то под влиянием различных случайных деформаций волноводной линии колебания на линии имеют уже другое направление плоскости поляризации. Поскольку возбуждающие устройства работают, как правило, лишь с колебаниями вполне определенной поляризации, поэтому круглые волноводы с волной Н11 не используют в качестве линии передачи СВЧ-сигналов. В то же время, если в круглом волноводе возбудить волны Н11, ортогональные друг другу и сдвинутые по фазе на ±900, то суммарное поле будет волной с круговой поляризацией. Такие линии применяются в системах СТВ.

С другой стороны, является ценным существование в круглом волно-