3. Токи на стенках прямоугольного волновода

Каждому типу волны, распространяющейся в волноводе, соответствует определенная структура токов проводимости на его стенках. В случае идеально проводящих стенок токи проводимости являются поверхностными, а комплексная амплитуда их плотности

Jsm вычисляется по формуле

j_sm=[n₀,Hm]|_r, (23)

где Г- контур поперечного сечения волновода, проходящий по внутренней стороне стенок, а орт нормали n0 равен x0 при x = 0, - x0 при x = а, у0 при у = 0 и -у0 при у= b. Например, в случае волны Н10 на нижней (у = 0) стенке текут и продольные, и поперечные токи с плотностями

j_smz(x, z) = -iß_l0 (a/π)H₀z sin (πx/a) exp (-iß_l0z)l

j_smx (х, z) = Н_0z cos (π x/а) exp (-iß_l0z),

соответственно, а на боковой (х = 0) стенке имеются только по­перечные токи с плотностью

j_smy (z) = Н_0z exp (-iß_l0z)

Рис 15

Рис 16

Cтруктура линий вектора js на стенках волновода для волны Н10 показаны на рис. 15. В случае волны Е11 по стенкам волновода текут только продольные токи (рис. 16).

4. Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода из условия одноволновой передачи

Как было показано выше, в прямоугольном волноводе возможно существование бесконечного числа типов волн, отличающихся друг от друга структурой электрического и магнитного полей, критическими частотами, фазовой скоростью и другими параметрами. Однако при конструировании линий передачи обычно принимают все меры к тому, чтобы энергия переносилась каким-либо одним типом волны. Объясняется это тем, что различным типам волн соответствуют различные групповые скорости. Поэтому при передаче сигнала несколькими типами волн один и тот же сигнал приходит в точку приема в виде нескольких смещенных во времени сигналов, что приводит к его искажению и увеличению уровня шумов. Характер искажений зависит от способа модуляции, вида и скорости передаваемой информации

Передачу энергии одним типом волны наиболее просто обеспечить, если в качестве этого типа использовать основную волну, имеющую наибольшую λκρ. Для этого достаточно так выбрать поперечные размеры линии, чтобы на любой частоте рабочего диапазона длина волны электромагнитных колебаний не превышала критической длины основной волны (λκρ(1)), но была больше критической длины волны первого высшего типа1 (λκρ(2))-Такой режим называют одноволновым. Полосу частот, в пределах которой сохраняется одноволновый режим, обычно характеризуют коэффициентом широкополосности

ξ= λκρ(1) / λκρ(2). (24)

Основная волна прямоугольного волновода - Н10, ее λκρ = λκρH10 = 2a. Распространение этой волны возможно при λ<2а или а>λ/2. Чтобы другие типы волн не могли распространяться, достаточно потребовать, чтобы не могли распространяться волны Н10 и H01. Для этого должны выполняться неравенства λ > λκρΗ20 и λ > λκρΗ01 или λ>а и λ>2b. Таким образом, одноволновый режим в прямоугольном волноводе выполняется при

λ/2 <а< λ и b< λ/2. (25)

Обычно принимают а0,75 λ0 и b0,5a, где λ0 - средняя длина волны рабочего диапазона. Для такого волновода коэффициент широкополосности ξ = λκρΗ10 / λκρH20 = 2.

Для обеспечения одноволнового режима во всем используемом диапазоне длин волн λmin<λ<λ необходимо, чтобы выполнялись неравенства λmax/2<a<λmin и b< λmin /2.

Частотный диапазон использования прямоугольных волноводов, охватывающий частоты от 400 МГц до 140 ГГц, в соответствии с рекомендацией Международной электротехнической комиссии разбит на 28 поддиапазонов, частично перекрывающих друг друга, и для каждого поддиапазона рекомендованы стандартные размеры волновода. На частотах порядка 500 МГц и ниже прямоугольные волноводы применяются редко из-за значительных габаритов и массы. Например, отрезок волновода из алюминия длиной 1 м при размерах поперечного сечения 457x228,5 мм (λ0 = 60см) и с толщиной стенок 3 мм имеет массу около 11 кг, а медный того же сечения и с той же толщиной стенок - около 36 кг.