книги из ГПНТБ / Гроднев, И. И. Линейные сооружения связи учебник

весьма перспективной для целей передачи высокочастотной энер­ гии на большие расстояния и открывают новые возможности в применении волноводов для организации дальней магистральной связи страны.

Теоретически и экспериментально обосновано, что при передаче по круглому волноводу диаметром 6 см волн длиной 0,6 см даль­ ность трансляционных усилительных участков составляет 40 км. Это позволяет получить по волноводу Я01 мощный и экономичный пучок 'каналов дальней связи, достигающий сотни тысяч телефон­ ных каналов и сотни телевизионных программ, что во много раз превосходит все известные возможности канализации высокоча­ стотной энергии по существующим линиям связи.

Однако следует иметь в виду, что наряду с достоинствами вол­ ны Яоі ей свойственны также некоторые недостатки. Это обуслов­ лено природой и конфигурацией электромагнитного поля Я 01 . Си­

никают в стенки волновода. В силу этого волна Н 0І не имеет же­ сткой связи с самим волноводом и поэтому она сравнительно не­ устойчива и весьма чувствительна к малейшим деформациям и неоднородностям волновода.

Неоднородности волновода и обусловленные ими многократно отраженные волны приводят к двум нежелательным явлениям.

1. Волна Я01 перерождается в другие паразитные типы волн (в первую очередь, в £ц ), в силу чего появляются дополнительные потери (20—30%) и утрачиваются аномальные свойства падаю­ щей частотной характеристики затухания волны Н0\.

2. За счет многократных отражений появляется попутный по­ ток, который движется вместе с основным потоком, приводит к ис­ кажениям сигнала и вносит помехи.

Борятся с этими недостатками тремя путями:

—стремятся к максимальной однородности волноводного трак­ та передачи;

—применяют спиральные волноводы периодической структу­ ры, обладающие фильтрующими свойствами пропускать волну H0t

изадерживать все остальные типы волн;

—внутренняя поверхность волновода покрывается материалом

сбольшой диэлектрической проницаемостью, создающим фильтра­ цию волн.

3.38. КОНСТРУКЦИИ КРУГЛЫХ волноводов

Известны в основном две разновидности волноводов дальней связи:

—цельнометаллические ЦВ;

—спиральные СВ.

При выборе металла для цельнометаллического волновода ис­

— 172 —

ходят, в первую очередь, из условия достижения минимального затухания. Затухание волноводов меняется пропорционально квад­ ратному корню из магнитной проницаемости р, и удельного сопро­ тивления р, поэтому для изготовления волноводов применяют не­ магнитный материал с хорошей проводимостью и, в первую оче­ редь, медь. Иногда для изготовления фидерных волноводов ма­ лого диаметра применяют серебро. Одна'ко, учитывая, что потери обусловлены лишь тонким слоем внутренней поверхности волново­ да, с целью экономии цветных металлов применяются волноводы биметаллической структуры (сталь—медь, сталь—серебро). Во всех случаях внутри волновода располагается слой с наилучшей проводимостью.

Применяемый в настоящее время цельнометаллический волно­ вод (рис. 3.60) представляет собой стальную трубу 1 (толщиной 3 мм), покрытую внутри электролитическим слоем меди 2 (толщи-

Рис. 3.60. Цельнометаллический вол­ новод:

ной 20 мк) и тонкой лаковой пленкой 3. Снаружи наносится анти­ коррозийная краска или пластмассовая оболочка 4.

Спиральный волновод периодической структуры (рис. 3.61) представляет собой спираль 1 из медной изолированной проволоки

Рис. 3.61. Спиральный волновод:

диаметром 0,5 мм, покрытую диэлектриком 2 и заключенную в эк­ ран 3 и наружную оболочку 4. Внутренний диаметр волновода —- 6 см. В качестве диэлектрической оболочки чаще всего применяет­ ся стеклолента, пропитанная эпоксидной смолой.

— 173 —

Известны также конструктивные разновидности волноводов, у которых спираль, покрытая диэлектриком, размещается внутри стальной трубы (рис. 3.62). Такой волновод обладает большей жесткостью и стабильностью параметров в различных условиях прокладки, а также более экономичен по расходу диэлектрика.

Рис. 3.62. Спиральный волновод ів Сталиной трубе:

1 — медная спираль; 2 — диэлектрик;

Достоинством спиральных волноводов является фильтрация па­ разитных волн, возникающих в местах неоднородности волновод­ ного тракта при прохождении волны Н01 . Это объясняется следую­ щим образом. Спиральный волновод имеет периодические разры­ вы по своей длине и поэтому допускает лишь передачу таких волн, структура которых не имеет продольной составляющей тока в стен­ ках волновода. Такой волной является поперечно-электрическая волна Ноі. Наличие разрывов по длине в гибких волноводах не является помехой эффективному распространению волны Н01. Бо­ лее того, эти разрывы продольной целостности спирального вол­ новода являются содействующим фактором, так как они придают волноводу весьма ценные фильтрующие свойства. Действительно, такой волновод будет эффективно пропускать волну Н0І и задер­ живать все другие типы волн, требующие для своего распростра­ нения продольной целостности стенок волновода.

Таким образом, спиральный волновод, непригодный для дру­ гих типов волн, для волн Ноі является прекрасным средством ка­ нализации энергии и фильтрования передачи от помех и искаже­ ний, обусловленных появлением других типов волн.

Волноводные секции изготавливаются длиной в 2,5 и 5 м. Мон­ таж волноводов осуществляется с помощью специальных сочлене­ ний (фланцев), укрепляемых болтами (рис. 3.63). Для влагостой­

кости сростки заливаются эпоксидной смолой. Волноводные линии прокладываются в земле на хорошо выровненном основании (бе­ тон, песчаная подушка), и внутрь их нагнетается сжатый воздух или инертный газ. Глубина заколки— 1,2— 1,5 м.

-174 —

3.39. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРУГЛЫХ ВОЛНОВОДОВ

Электрические параметры волноводов (критическая частота, волновое число, затухание, скорость передачи, характеристическое сопротивление и др.) определяются путем решения основных урав­ нений Максвелла, характеризующих распространение электромаг­ нитных волн в пространстве. Уравнения электромагнитного поля выражаются в координатах, соответствующих типам волноводов: для прямоугольных волноводов — в декартовой системе, для круг­ лых — в цилиндрической системе координат.

Наибольшую перспективу для дальней связи, особенно в связи с успешным применением волны Н0І, представляют круглые вол­ новоды. Поэтому рассмотрим их в первую очередь. Напряженно­ сти волны типа È имеют составляющие: Ег, Ег и Яф, а напряжен­ ности волны типа Я — составляющие: Н2, Нг и £ф . Волновое урав­ нение для Ez в волноводе круглого сечения в цилиндрической си­ стеме координат выражается следующим образом:

где к — волновое число однородной изолирующей среды, которое определяется через параметры этой среды: /с=со У це.

Допуская, что напряженность электрического ноля изменяется вдоль оси г по закону Ez= E ze~yz, получим для второй чдстной производной по г:

где кс — волновое число передающей системы — волновода, рав­ ное кс= V уг+ к2.

—175 —

Из дифференциальных уравнений Максвелла следует

где Zjx= У ц/е — волновое сопротивление диэлектрика, наполняю­ щего волновод. Для воздуха ZA= 376,6 Ом; /0 — критическая ча­

стота, равная ксІ2п У це.

Соответственно критическая длина волны

Для определения коэффициента распространения воспользуемся граничным условием: при г = а напряженность £ ф = 0. Тогда из первого ур-ния (3.106) вытекает равенство / 0(кса )= 0, которое да­

- 176 -

ет бесконечное число корней: 3,8; 7,0; 10,0 и т. д., а в общем ви­ д е — роп. По этим данным можно рассчитать волновое число пере­ дающей системы кс=Роп/а.

У

Пользуясь ур-нием (3.102), можно определить затухание волн типов ТМ и ТЕ в идеальном волноводе. Для этого представим ур-ние (3.102) в несколько ином виде

Из ур-ния (3.109) следует, что при f< f0 аФО, так как

v= a = A j / l- ( ir ) 2.

а при f> f0 а — 0, так как

Эти данные свидетельствуют о том, что волновод ведет себя как фильтр верхних частот. Критическая частота — это нижняя предельная частота.

Фазовая скорость, групповая скорость и коэффициент фазы при передаче по волноводам для частот выше критической (f>fo) определяются по формулам:

где с = 1 /’|/гце —скорость распространения электромагнитной вол­ ны в свободном пространстве (для воздуха с=3-1010 см/с).

При расчете затуханий электромагнитной волны, распростра­ няющейся по реальному волноводу, необходимо учитывать потери в стенках трубы. Рассмотрим метод учета потерь в металле для волны типа ТМоі. Для этого воспользуемся теоремой Пойнтинга

- 177 -

Из ур-ния (3.119) следует, что затухание волны типа ТЕ0ь или волны типа Нои в полосе пропускания снижается с увеличением частоты и стремится к нулю, в то время как затухание других типов волн с увеличением частоты в пределе растет.

Картина электромагнитного поля различных типов волн в круг­ лом волноводе и соответствующие расчетные формулы приведены в табл. 3.15.

При конструировании спирального волновода исходят из необ­ ходимости достижения минимального затухания волны Ноі и обес­ печения расфильтровки ее от других паразитных типов волн. Это достигается правильным выбором шага спирали h, параметров ди­ электрика и регулированием расстояния от спирали до экрана

(см. рис. 3.61).

В замкнутых жестких волноводах стенки полностью экраниру­ ют передаваемую волну и направляют ее вдоль волновода. В вол­ новодах со спиральной токонесущей поверхностью имеются пе­ риодически повторяющиеся по длине разрывы — щели, являющие­ ся причиной излучения энергии. Поэтому в спиральных волноводах лишь часть энергии передается в окружающее пространство.

Излучение зависит от шага наложения спирали, ширины щелей и выражается через коэффициент

(3.120)

где h — шаг спирали;

а — внутренний радиус волновода.

Чем реже намотана спираль, тем больше ширина щелей и, ес­ тественно, больше сказывается эффект излучения энергии в окру­ жающее пространство.

Излучение энергии сопровождается дополнительными потерями на излучение. Поэтому в спиральных волноводах общие потери могут быть оценены как сумма потерь в металлической стенке вол­ новода ссм и потерь на щелевое излучение ап:

В сплошных жестких волноводах имеются лишь потери в ме­ талле ам. Коэффициент затухания за счет потерь на излучение в гибких волноводах определяется из уравнения

где 2дш= і/^цш/еш — волновое сопротивление шланга;

Zn= Y ц/ е— волновое сопротивление диэлектрика внут­

ри волновода; - а—внутренний радиус волновода;

tg <р = /г/('2яа) — параметр спиральности.

— 179 —

— 180 —

П р и м е ч а н и е , а - р а д и у с В о л н о б о д а ,

Из приведенной формулы расчета аи следует, что потери су­ щественно вырастают с увеличением шага спирали h. Так, при из­ менении h с 1 до 2 мм затухание возрастает с 3,5 до 17,4 дБ/м. С увеличением частоты эффект излучения падает. Причем при ма­ лых шагах спиральности (7і-ѵ0) потери на излучение незначитель­ ны, и все определяется потерями в металле. С увеличением h удельная значимость а и возрастает, и при больших шагах спи­ ральности потери на излучение становятся превалирующими.

Пример 3.3. Определить электрические параметры медного цилиндрического волновода диаметром D = 5 см на частоте, в 4 раза большей критической при передаче поперечно-электрической волны Н0і.

Критическая частота

а2,5

а— радиус волновода (2,5 см).

Критическая длина волны

Если принять перекрываемое, аппаратурой затухание в 5 Нп, то длина транс­ ляционного участка составит

а0,078

Фазовая скорость

і М т

Грушгавая скоростьopoci

- 181 -