fadeeva / Лекция 5
.docТема 5.
Круглый металлический волновод
1. Вывод формул для поля
П
Рис.18
(1)
где, как обычно, . Представим функцию w0 в виде w0= R(r) Φ(φ). Разделяя переменные в уравнении (1) 1, получаем
(2) (3)
где , C и D -произвольные постоянные.
При r→0 функция Неймана стремится к бесконечности, а составляющие Еmz и Нтz должны быть ограничены. Поэтому нужно считать D = 0. При этом имеем
. (4 )
В случае Е-волн w(r, φ, z) = Ez(r, φ, z), а поперечные составляющие векторов поля выражаются через продольные формулами (9.19) и (9.20). Вводя обозначение ВС = E0Ζ получаем
(5a)
где
(5б)
а штрих означает дифференцирование функции Бесселя по всему аргументу.
Так же как в формулах для поля в прямоугольном волноводе, индекс т в формулах (10.32а) и (10.326) имеет разный смысл. В (10.32а) он означает, что записана комплексная амплитуда рассматриваемой функции, а в (10.32б) т - определяет порядок функции Бесселя.
Входящая в (10.32б) постоянная φ0 влияет только на начало отсчета угла φ, ее изменение соответствует повороту структуры поля вокруг оси Ζ. В рамках используемой физико-математической модели постоянные EOz и φ0 определить нельзя. Для их нахождения требуются дополнительные данные об источнике, создающем поле в волноводе (о мощности бегущей волны, ориентации вектора E и т.д.).
Чтобы найти неизвестную постоянную , используем граничное условие. В рассматриваемом случае из него следует равенство
, (6)
где а - радиус волновода (см. рис.18). Подставляя выражение для из (5б) в (6), получаем
. (7)
И
Рис.19
через (см. рис.19), из (7) находим
. (8)
Параметр β вычисляется по известной формуле.
Как видно, в круглом волноводе возможно существование Е-волн различной структуры. Наименование этих волн производится в соответствии с обозначением корней уравнения (7). Например, корню v01 E соответствует волна E01, корню v12 E -волна E12, корню vmn E - волна Етп.
Зависимость структуры поля волны от угла φ определяется индексом т. Поперечное сечение волновода можно условно разделить на т секторов с одинаковой структурой поля в каждом секторе: поле волны периодично по углу φ с периодом 2π/т. Индекс m, таким образом, равен числу периодов структуры поля волны, укладывающихся на интервале [0, 2π] изменения угла φ. Равенство нулю индекса т означает, что структура поля волны обладает осевой симметрией (не зависит от угла φ).
На распределение составляющих векторов поля вдоль радиуса в интервале [0, а] влияют оба индекса m и n. При этом т определяет порядок функции Бесселя, а n - число вариаций составляющих векторов поля при изменении r от 0 до а: при n=1 составляющие векторов поля не изменяют знак (одна вариация), при n - 2 они один раз изменяют знак (две вариации) и т.д.
Каждому типу волны соответствует своя критическая длина волны, связанная с постоянной соотношением (6). В рассматриваемом случае
. (9)
Несколько первых корней функций Бесселя vmnE в порядке их возрастания и соответствующие критические длины волн, рассчитанные по формуле (9), приведены в табл.1. Низшим типом среди волн E в круглом волноводе является волна E01.
Таблица 1
Тип волны |
E01 |
E11 |
E21 |
E02 |
E31 |
E12 |
|
2,405 |
3,832 |
5,135 |
5,520 |
6,379 |
7,016 |
|
2,613 |
1,640 |
1,223 |
1,138 |
0,985 |
0,895 |
Фазовая скорость, скорость распространения энергии, длина волны в волноводе и характеристическое сопротивление рассчитываются по известным формулам
. На рис. 10.15 показана структура поля волны E01.
Рис.20
В случае Η-волн функция w = Нтz (r, φ, z), а поперечные составляющие векторов поля выражаются через Hтz. Вводя обозначение ВС = H0z, получаем
(10а)
где
(106)
Все сказанное о постоянных m, E0z и φ0 в полной мере относится и к постоянным т, H0z и φ0
Для определения поперечного волнового числа воспользуемся граничным условием = 0. Подставляя в это равенство приходим к уравнению
. (11)
Обозначая корни уравнения (11) через vmnH (см. рис. 20), находим, что
. (12)
Как видно, в круглом волноводе возможно существование Н-волн различной структуры, которые принято обозначать Нтn. Нумерация Н-волн аналогична нумерации волн Етп. Индекс т совпадает с порядком функции Бесселя, а n - с номером нуля первой производной функции Бесселя m-го порядка. Также как и в случае Ε-волн, структура поля волны Нтп периодична по углу φ с периодом 2п/т, т.е. индекс т равен числу периодов структуры поля волны Нтп, укладывающихся на интервале [0, 2π] изменения угла φ. Равенство нулю индекса т означает, что поле волны не зависит от угла φ. Индекс n равен числу вариаций составляющих векторов поля вдоль радиуса волновода.
Несколько первых корней vmnH в порядке их возрастания и соответствующие им критические длины волн, рассчитанные по формуле
λκρΗmn=2πa/ vmnH (13)
2
Рис.21
приведены в табл. 2. Низшим типом среди не только волн Н, но и всех волн в круглом волноводе, как следует из табл.1 и 2, является волна Η11- Интересно отметить, что структура поля этой волны близка к структуре поля волны Η10 в прямоугольном волноводе, также имеющей наибольшую критическую длину волны. На рис.10.17 показана структура поля волны Η01.
Параметры Н-волн β, νφ, νэ и Λ вычисляются по известным формулам.
2. Токи на стенках круглого волновода
Плотность токов на стенках круглого волновода jSm в соответствии с граничным условием определяется формулой
. (14)
Рис.22
Рис.23
И
Рис.22
Рис.23
3. Передача энергии по круглому волноводу
Основной волной круглого волновода является волна Н11, а первым высшим типом - E01. Поэтому в соответствии с данными табл.10.1 и 10.2 условие одноволновости имеет вид 2,61а< λ <3,41а, откуда
λ/3,41 < a <λ/2,61. (15)
Мощность, переносимая волной по круглому волноводу (мощность бегущей волны), рассчитывается по известной формуле. Вычисляя входящие в эту формулу интегралы, для волны Н11 получаем:
Где - длина волны Н11 в волноводе.
Коэффициент
ослабления αΜ,
соответствующий
волне Н11,
в
Рис.24
(16)
Формулы для коэффициента ослабления αΜ, соответствующие другим типам волн, могут быть получены из этой формулы, График, характеризующий зависимость коэффициента ослабления от частоты для волны Н01 в круглом волноводе, имеет существенное отличие от графиков для волн Н11 и Е01. У этих волн коэффициент αΜ неограниченно возрастает при и . Указанные особенности поведения αΜ объясняются так же, как в случае прямоугольного волновода. Поведение коэффициента ослабления волны Н01 в круглом волноводе при увеличении частоты имеет иной характер, а именно коэффициент αΜ для этой волны монотонно убывает с ростом частоты. Эта особенность объясняется тем, что у волны Н01 в круглом волноводе вектор плотности поверхностного тока проводимости не имеет продольной составляющей (jSmz = 0). Отличная от нуля составляющая jSmφ возбуждается продольной составляющей напряженности магнитного поля Hmz(a, φ, z). При повышении частоты в волноводе с фиксированными размерами поперечного сечения структура поля любой волны приближается к структуре поля TEM-волны, у которой Ηz = 0. Следовательно, у волны Н01 при повышении частоты Нтz → О и одновременно стремится к нулю плотность поперечных токов проводимости. Но это означает, что потери должны непрерывно уменьшаться. Как показывает численный расчет, потери в круглом волноводе на волне Н01 меньше потерь в волноводе того же радиуса на волне Н11, если только а/λ>2, а существенный выигрыш достигается при а/λ≥3,...4.