Лекция 30. ВОЛНОВОДЫ. ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВОЛНОВОДАХ

2. ТИПЫ ВОЛН В ВОЛНОВОДЕ

3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ВОЛНОВОДАХ

4. ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ

1. Физические процессы в волноводах

Электромагнитное поле в волноводе. Рассмотрим двухпроводную линию AB + CD (рис.1), нагруженную на сопротивление, равное волновому. Как известно, в такой системе наблюдается режим бегущей волны. Для того чтобы закрепить провода АВ и CD в воздухе, используем четвертьволновые короткозамкнутые шлейфы, расположив их на произвольных расстояниях друг от друга. Поскольку входное сопротивление таких шлейфов теоретически бесконечно, их можно рассматривать как металлические изоляторы и они не нарушают работу исходной двухпроводной линии. Устремив число шлейфов к бесконечности, а расстояние между ними к нулю, получим конструкцию, изображенную на рис.2,а, называемую прямоугольным волноводом. Аналогичным образом можно перейти от двухпроводной линии к круглому волноводу (рис.2,б). Однако при этом металлическим изоляторам следует придать не прямоугольную, а круглую форму.

Рис.1. Пояснение принципа образования волновода.

Рис.2. Металлические волноводы: а – прямоугольный; б – круглый.

Режим работы волновода будет в сильной степени отличаться от режима работы двухпроводной линии с согласованной нагрузкой. В последней существуют только бегущие волны, распространяющиеся от генератора к нагрузке и целиком там поглощающиеся. В волноводе, кроме бегущей волны, распространяющейся в направлении оси, будут существовать стоячие волны в поперечном сечении. Эти волны образуются за счет энергии, ответвляющейся от бегущей вдоль оси волны в металлический изолятор. Пусть в четвертьволновом шлейфе распространяется электромагнитная волна. Дойдя до короткозамкнутой перемычки, эта волна отражается от нее и устремляется к лежащей напротив перемычке. Значит, в поперечном сечении волновода имеются две волны, равные по амплитуде (без учета потерь при отражении) и распространяющиеся в противоположных направлениях. В такой ситуации образуется стоячая волна. В самом деле, у поверхности короткозамкнутой перемычки существуют две волны, одна из которых подходит к перемычке, а другая – уходит. Поскольку при отражении от поверхности металла происходит сдвиг по фазе на 180°, волны приобретут этот сдвиг фаз. Следовательно, сумма падающей и отраженной волн у нижней и верхней перемычек равна нулю в любой момент, здесь образуется узел поля. В плоскости ABCD (в центре волновода) распространяющиеся в поперечном сечении волны будут синфазны и, суммируясь, дают пучность поля. Картина силовых линий электрического поля в поперечном сечении волновода будет такой, как показано на рис.3,а. Густота силовых линий здесь характеризует напряженность (интенсивность) поля.

Рис.3. Структура поля в поперечном сечении волновода:

а – волны типа Н₁₀; б – волны типа Н₂₀.

Критическая длина волны. Если изменить рабочую длину волны так, что размер широкой стенки волновода а станет меньше λ/2, передача энергии по волноводу прекратится, так как сопротивление металлических изоляторов резко уменьшится, увеличится количество ответвляющейся в них энергии, и уровень бегущей вдоль оси волны резко упадет. Следовательно, существует определенная длина волны λ_кр, называемая критической, при превышении которой распространение энергии вдоль волновода невозможно. Другими словами, для передачи энергии по волноводу требуется, чтобы рабочая длина волны λ_р была меньше критической:

λ_р < λ_кр (1)

Как вытекает из приведенных выше рассуждений, λ_кр связана с размером волновода. Для прямоугольного волновода а = 2(λ_кр /4), т. е.

λ_кр = 2а. (2)