5. Передача энергии по прямоугольному волноводу

В случае волны Н10 получаем

(26)

где E0=(ωμa/π)Η0z - амплитудное значение напряженности электрического поля волны Н10. При выводе формулы (26) учтено, что ωμ=kZc. При стандартных размерах волновода (a0,75λ, b0,5а), подставляя предельное значение E0=30 kB/см, находим, что предельная мощность волны Н10 равна Pпред Η10= 125λ² кВт, где длина волны выражена в сантиметрах. Например, при λ = 30 см предельная мощность Pпред Η10=112 МВт. Соответственно допустимая мощность Pдоп Η10 = 28 МВт. Как видно, в дециметровом диапазоне по прямоугольному волноводу стандартного сечения можно передавать весьма значительную мощность. Однако по мере повышения частоты допустимая мощность быстро уменьшается и при λ = 1 см не превышает 30...45 кВт.

Если размеры волновода увеличены настолько, что в части или во всем рабочем диапазоне волновод оказывается в многоволновом режиме, то необходимо принять специальные меры для предотвращения распространения всех типов волн, кроме Н10 (см. 13.2).

Ограничимся вычислением αm для волны Н10 имеем

(27)

А

Рис 17

налогично выводятся формулы для коэффициентов ослабления, соответствующих другим типам волн. Расчеты показывают, что наименьшие потери в пр. волноводе имеют место при передаче энергии волной Н10. На рис. 17 показаны графики зависимости коэффициента ослабления αm (в дБ/км) от частоты для волн Н10, E11 и Н20 в случае медного волновода при а = 51 мм и b = 25 мм. Как видно из приведенных графиков, потери энергии в волно воде резко возрастают при приближении частоты к критической. Это свойство, характерное для всех металлических волноводов, легко объясняется на основе концепции парциальных волн. Действительно, у Е- и H-волн парциальные волны распространяются по ломаным линиям, многократно отражаясь от поверхности металлических стенок. На частотах, близких к критической, угол падения парциальных волн на металлическую поверхность мало отличается от нулевого . Но чем ближе угол падения к нулю, тем большее число отражений испытывают парциальные волны при своем движении на некотором отрезке линии. При каждом отражении часть энергии электромагнитной волны теряется из-за неидеальной проводимости металла (появляется преломленная волна). Поэтому потери в проводниках, линии, перенос энергии по которым осуществляется Е- и Η-волнами, растут по мере приближения к критической частоте. Вслед за резким падением затухания при удалении от критической частоты снова начинается его монотонное возрастание, вызванное увеличением поверхностного сопротивления металла Rs с ростом частоты.

Отметим, что, как следует из формулы (27), в коротковолновой части сантиметрового диапазона потери в стандартных волноводах весьма велики. Например, при λ = λ0=0,01 м в стандартном волноводе с медными стенками дБ/м, т.е. при длине линии всего 10 м потери энергии будут составлять 5,5 дБ (более 70 % входящей мощности). Объясняется это тем, что при заданной мощности уменьшение поперечных размеров волновода сопровождается возрастанием плотности поверхностного тока проводимости в его стенках и соответственно возрастают потери. Поэтому 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 стандартным.