Металлические и диэлектрические радиоволноводы

Обновлено: 21.09.2024

металлич. трубы и диэлектрич. стержни или каналы, в к-рых распространяются радиоволны. Механизм их распространения в Р. обусловлен многократным отражением эл.-магн. волн от его стенок. Пусть плоская волна падает в вакууме на идеальную отражающую металлич. wкр, или l l,

при l®lкр L®?. Это означает, что при l=lкр поле в Р. имеет не волновой, а колебат. хар-р. При l>lкр волна в Р. затухает.

Для длинных волн Р. слишком громоздки. Поэтому они применяются только для l?10—20 см. В технике СВЧ используются каналы разл. сечений (рис. 2). Обычно к Р. относят только каналы с односвязными сечениями; каналы с двух- или многосвязными сечениями рассматриваются в теории длинных линий (см. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ). Но концепция Бриллюэна пригодна в любом из этих случаев.

Волновые моды. В Р. могут возбуждаться разл. типы волн, отличающиеся структурой эл.-магн. поля и частотой (моды). Волноводные моды находятся на основании решения Максвелла уравнений при соответствующих граничных условиях (для идеальных проводников равенство нулю тангенциальной составляющей электрич. поля). Поперечная структура полей в Р. определяется скалярной ф-цией j(x, у), удовлетворяющей ур-нию мембраны с закреплёнными (j=0) или свободными (дj/дn=0, n — нормаль к границе) краями в зависимости от типа поляризации эл.-магн. поля. Задача о собств. колебаниях мембраны имеет бесконечное, но счётное множество решений, соответствующих дискретному набору действительных собств. частот. Каждое из этих собств. колебаний соответствует либо нормальной волне, распространяющейся вдоль Р., либо экспоненциально убывающей или нарастающей колебат. модам. Для прямоугольного Р. спектр собств. частот

где m и n — числа стоячих полуволн, укладывающихся вдоль а и 6. Чем больше т и n, тем сложнее поле в Р.

Рис, 3. Структура поля волны ТЕ10 в прямоугольном волноводе; сплошные линии — силовые линии электрич. поля, пунктирные — магн. поля.

Наименьшее wкр соответствует n=1, m=0, если bмембрана со свободными краями); именно для этой моды проиллюстрирована концепция Бриллюэна (см. выше). При этом поле E поляризовано в плоскости z=const. Эти волны наз. ТE-волнами (от англ. transverse — поперечный) или Н-волнами. Простейшие моды прямоугольного Р.— волны TE10 (рис. 3) и ТЕ11 (рис. 4). Мембранная задача с закреплёнными краями порождает волны типа ТМnm (или Еnm). Здесь n?0 и m?0, т. к. силовые линии магн. поля не могут упираться в идеально проводящие стенки (они всегда замыкаются сами на себя). Простейшая волна этого типа — ТМ11 (рис. 5). С увеличением размера Р. число мод растёт. При этом поперечное сечение Р. разбивается на ячейки, каждая из к-рых как бы представляет собой элем. Р. с одной из простейших мод — типа ТЕ10, ТЕ11 или ТМ11.

Аналогично можно построить распределение полей в Р. любого поперечного сечения. На рис. 6—9 показаны структуры полей для мод внутри Р. круглого сечения. Простейшей является мода ТЕ11 (рис. 9), к-рая топологически соответствует волне TE10 в прямоугольном волноводе.

Все волноводные моды быстрые, их фазовая скорость v> с (точнее, больше скорости однородной плоской волны в среде, заполняющей Р.) и всегда нелинейно зависит от частоты w, причём дv/дw

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

Полезное

Смотреть что такое "РАДИОВОЛНОВОДЫ" в других словарях:

Фидер — (англ. feeder, от feed – питать) 1) в радиотехнике и технике СВЧ линия передачи, передающая линия, электрическое устройство, по которому осуществляется направленное распространение (канализация) электромагнитных колебаний (волн) от… … Большая советская энциклопедия

ВОЛНОВОД — устройство или канал в неоднородной среде, вдоль к рого могут распространяться направленные волны. Различают экранированные В., образованные зеркально отражающими стенками (металлич. радиоволноводы и мн. типы акустич. волноводов), а также системы … Физическая энциклопедия

Радиоволновод — линия передачи СВЧ, описываемая телеграфным уравнением, служащая для передачи радиоизлучения. Соединитель волноводный. Для соединения участков прямоугольного волноводного тракта … Википедия

НОРМАЛЬНЫЕ ВОЛНЫ — (собственные волны), бегущие гармонические волны в линейной динамич. системе с пост. параметрами, в к рой можно пренебречь поглощением и рассеянием энергии. Н. в. явл. обобщением понятия нормальных колебаний на открытые области пр ва и… … Физическая энциклопедия

радиоволновод — полая металлическая труба или диэлектрический стержень, внутри которых вдоль оси распространяются радиоволны в результате многократных отражений от внутренних стенок и интерференции отражённых волн. Распространение волн в радиоволноводе возможно… … Энциклопедический словарь

волновод — Термин волновод Термин на английском waveguide Синонимы Аббревиатуры Связанные термины волокно фотонно кристаллическое Определение Диэлектрический канал, применяемый для передачи электромагнитной энергии и ограниченный боковой поверхностью (или… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ — в электросвязи и радиотехнике цепь (линия), предназнач. для неискажённой передачи (с малыми потерями) электромагн. энергии на расстояние. При рассмотрении физ. процессов Л. п. представляют как систему с распредел. постоянными (параметрами) (см.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Волноводы — Радиоволновод линия передачи СВЧ, описываемая телеграфным уравнением, служащая для передачи радиоизлучения. Соединитель волноводный. Для соединения участков прямоугольного волноводного тракта Классическая электродинамика … Википедия

Фидер (радиотехника) — У этого термина существуют и другие значения, см. Фидер. Фидер (англ. feeder от feed питать) передающая линия, устройство, по которому осуществляется направленное распространение электромагнитных волн от источника к потребителю (например, к… … Википедия

ВОЛНОВОД — ВОЛНОВОД, устройство, канал, вдоль которых могут распространяться волны акустические (в акустическом волноводе), электромагнитные (в радиоволноводах, световодах), сейсмические (в природных средах) и т.д. Акустические волноводы обычно представляют … Современная энциклопедия

Краткие сведения о направляющих системах СВЧ-энергии

Передача электромагнитной энергии или информации может быть осуществлена направляемыми ("связанными”) или расходящимися ("свободными") электромагнитными волнами.

Связанные или направляемые волны распространяются вдоль направляющих поверхностей, которые представляют собой границы раздела сред с различными параметрами, т. е. вдоль линии передачи электромагнитной энергии.

Расходящимися электромагнитными волнами являются волны, которые распространяются в средах (воздухе, космосе и др.), например, волны, излучаемые радиостанциями, радиолокационными, радионавигационными системами.

Принципиальным отличием расходящихся электромагнитных волн от направляемых является наличие обратно пропорциональной зависимости амплитуды напряженности поля от расстояния.Следовательно, в тех случаях, когда такое уменьшение амплитуды поля недопустимо, передача электромагнитной энергии должна осуществляться направляемыми волнами.

Для передачи электромагнитной энергии направляемыми волнами используются специальные направляющие системы (линии передачи). К ним относятся:

-двух – и многопроводные линии;

-коаксиальные, полосковые и микрополосковые линии;

-металлические и диэлектрические волноводы различных сечений и заполнений;

-волоконно-оптические линии и др.

Подробнее устройство высокочастотных линий передачи, их режимы работы, достоинства и недостатки, области применения будут рассмотрены в дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».

Как правило, в радиоэлектронных средствах, которые работают в диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн, используются волноводные направляющие системы, т. е. волноводы (радиоволноводы). В дальнейшем их и будем рассматривать.

Волноводом, в общем смысле этого слова, называют систему, направляющую поток электромагнитной энергии по заданному пути от источника к потребителю. Обычный волновод (радиоволновод) представляет собой диэлектрический канал, например, воздушный, ограниченный боковыми проводящими поверхностями.

Интересно отметить, что в диапазоне 5—12 см затухание волны в металлическом волноводе составляет примерно 0,01 дБ на 1м длины, что приблизительно соответствует 1/2000 % мощности.

Волновод, который заполнен средой с неизменными вдоль системы свойствами и у которого размеры поперечного сечения вдоль прямой оси не меняются, называется регулярным. В общем случае поперечное сечение волновода может изменяться вдоль волновода, а его "ось" представлять произвольную пространственную кривую. Такой волновод называют нерегулярным. Практические волноводные системы являются по существу нерегулярными системами. Регулярность нарушается по разным причинам как конструктивным, так и функциональным.

Волновод, заполненный средой, свойства которой в поперечном сечении волновода остаются неизменными, называется однородным волноводом. Если свойства среды, не изменяясь вдоль волновода, изменяются в его поперечном сечении, то такой волновод называется неоднородным.

Регулярный волновод называется изотропным, если среда, заполняющая волновод, изотропна как по электрическим, так и по магнитным свойствам. В противном случае волновод называется анизотропным.

В дальнейшем будем рассматривать регулярные однородные изотропные волноводы. Наибольшее распространение в сверхвысокочастотной (СВЧ) технике получили волноводы с прямоугольным и круглым сечениями (рис.4.1). Их поперечные размеры соизмеримы с длиной волны передаваемых электромагнитных волн.

Преимущества и недостатки волноводов легко выявляются при сравнении металлического волновода с коаксиальной линией. Потери в волноводе меньше, а передаваема мощность больше, благодаря отсутствию в нем внутреннего провода. Кроме того, в волноводе нет потерь на излучение, он обладает большей механической
прочностью.

Рисунок 4.1 –Прямоугольный и круглый волноводы

Основные недостатки волноводов сводятся к следующим. Это наличие критической длины волны при заданном поперечном сечении волновода, возможность распространения волн нежелательных типов и сложность производства современных волноводов. Так, для уменьшения потерь ЭМВ внутренняя поверхность стенок волновода должна быть тщательно отполирована и покрыта хорошо проводящим металлом (обычно стенки серебрят или окрашивают специальной краской).

Металлические волноводы применяют во всем диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн. На дециметровых и тем более на метровых волнах применение их в качестве линии передачи нецелесообразно из-за значительного увеличения размеров поперечного сечения.

Несмотря на многообразие геометрических форм регулярных волноводов, подход к изучению волновых процессов в них может быть единым.

Волноводы

Классификация направляемых электромагнитных волн и направляющих систем .

Передачу энергии по длинной линии можно рассматривать так же как и распространение электромагнитных волн по направляющим системам, которыми, кроме двухпроводных линий, могут быть металлические, диэлектрические и полупроводниковые поверхности, трубки, стержни и т.д. Электромагнитные волны в направляющих системах движутся вдоль граничных поверхностей . Направляемые волны, подобно плоской электромагнитной волне, распространяются только в каком – то заданном направлении. Они делятся на поперечные, электрические, магнитные и смешанные. Названия определяются ориентацией векторов напряженности электрического Е и магнитного Н полей распространяющейся волны.

Поперечными, или волнами типа Т (от англ. transversal – поперечный), называются волны, у которых в направлении распространения энергии отсутствуют составляющие векторов Е и Н, то есть эти векторы лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения энергии.

Электрическими, или волнами типа Е называются волны, у которых вектор Е имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Н – только поперечные.

Магнитными, или волнами типа Н называются волны, у которых вектор Н имеет и поперечные и продольную составляющие, а вектор Е – только поперечные.

Смешанными, или гибридными типа НЕ или ЕН называются волны, у которых векторы Е и Н имеют как поперечные, так и продольные составляющие.

Для пояснения этого используем следующий пример. Пусть в некоторой направляющей системе энергия распространяется вдоль ось декартовой системы координат. Тогда оси , будут поперечными, так как они лежат в плоскости, перпендикулярной оси . В этом случае будем иметь: для волн Т ; для волн Е , ; для волн Н , ; для смешанных , .

Все направляющие системы делятся на два широких класса: открытого и закрытого типов. В линиях передачи открытого типа переносимая энергия распределена во всем окружающем линию пространстве. Чаще всего конструкции линий этого типа выполняют так, чтобы большая часть энергии электромагнитного поля была сосредоточена в непосредственной близости от линии. Примером линии открытого типа являются симметричные кабели. Эти линии подвержены влиянию среды и окружающих предметов, то есть в них практически всегда наблюдаются потери на излучения.

В линиях передачи закрытого типа вся передаваемая энергия сосредоточена в пределах объема, экранированного от окружающей среды металлической оболочкой той или иной формы. Из линий закрытого типа широко используются коаксиальные кабели. Линия этого типа является двухпроводной экранированной, а поэтому потери на излучение в ней отсутствуют.

По мере увеличения частоты электромагнитной энергии в коаксиальных линиях передачи растут потери в диэлектрике, поэтому они применяются до частот не более 1-3 ГГц. Если в коаксиальной линии убрать внутренний проводник, то не будет необходимости в жестком диэлектрике, который обеспечивает соосность проводника и экрана. Потери резко упадут. Но ток проводимости по одному проводу (металлической трубке – экрану) проходить не будет. На низких частотах передача электрической энергии при этом отсутствует. Однако при определенных условиях электромагнитные волны могут распространяться по полым металлическим трубам различной формы поперечного сечения, которые называются волноводами.

Процесс передачи энергии по волноводам эквивалентен радиопередаче, но здесь распространяется волна не во все стороны, а лишь в заданном направлении.

Физические процессы в волноводах.

Электромагнитное поле в волноводе. Рассмотрим двухпроводную линию , нагруженную на сопротивление, равное волновому.

Пояснение принципа образования волновода.

В такой линии наблюдается режим бегущей волны. Для того чтобы закрепить провода и в воздухе, используем четвертьволновые короткозамкнутые шлейфы, расположенные на произвольных расстояниях друг от друга. Так как входное сопротивление таких шлейфов теоретически бесконечно, то 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, которая называется прямоугольным волноводом.

Металлические волноводы: а) – прямоугольный; б) – круглый.

Таким же образом можно перейти от двухпроводной линии к круглому волноводу. Только в этом случае металлическим изоляторам следует придать не прямоугольную, а круглую форму.

Режим работы волновода в сильной степени отличается от режима работы двухпроводной линии с согласованной нагрузкой. 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.

Структура поля в поперечном сечении волновода:

а) – волны типа ; б) – волны типа .

Густота силовых линий здесь характеризует напряженность (интенсивность) поля.

Критическая длина волны в волноводе.

Если изменить рабочую длину волны так, что размер широкой стенки волновода станет меньше , то 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. Поэтому, существует определенная длина волны , которая называется критической, при превышении которой распространение энергии вдоль волновода невозможно. Следовательно, для передачи энергии по волноводу требуется, чтобы рабочая длина волны , была меньше критической:

Критическая длина волны зависит от размеров волновода. Для прямоугольного волновода , то есть:

Типы волн в волноводе.

В волноводе могут существовать различные типы волн, отличающиеся структурой силовых линий, которые называются модами волновода. Для нахождения выражений, описывающих векторы поля Е и Н в волноводе, необходимо решить систему уравнений Максвелла с учетом геометрии конструкции. Полученная конкретная структура поля указывается индексами и , то есть волны обозначаются как , , , и т.д.

Число равно числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль широкой стенки волновода , число – числу полуволн изменения интенсивности поля, укладывающихся вдоль узкой стенки волновода . Для круглого волновода индекс характеризует число волн поля по периметру, а – полуволн по диаметру.

Структура силовых линий вектора Н для волн типа и показана на рисунке.

Магнитное поле в продольном сечении волновода:

Структура поля волны типа в поперечном сечении прямоугольного волновода.

Зная тип волны, можно качественно построить картину поля в сечениях волновода и без применения формул для векторов поля Е и Н.

Волны различных типов отличаются не только структурой силовых линий. Различными у них являются и критические длины волны. Например, в прямоугольном волноводе:

Тип волны, критическая длина которой является наибольшей из всех возможных типов волн, называется основным типом волны, или основной волной (модой) данного волновода.

Применение волноводов.

Волноводы используются в различных радиотехнических устройствах в качестве фидеров, колебательных систем, называемых объемными резонаторами, фильтров, линий связи и т.д.

Фидеры. На частотах выше 1 ГГц для передачи электроэнергии от радиопередатчика к антенне или от антенны к приемнику в качестве фидера повсеместно используются волноводы. Поскольку фидер должен иметь малые собственные потери, внутренние стенки волновода тщательно шлифуются и покрываются слоем серебра. Этим и отсутствием изоляторов внутри волновода достигаются потери, значительно меньшие, чем в коаксиальных фидерах.

По волноводному фидеру можно передавать значительно большую энергию, чем по коаксиальному фидеру тех же размеров.

Волноводные линии связи. Возможность работы на высоких частотах (десятки гигагерц), большая широкополосность (сотни мегагерц), малое затухание явились предпосылками для использования металлических волноводов в качестве линий связи в сверхширокополосных многоканальных системах. Однако были построены только экспериментальные линии, так как экономически они оказались невыгодными. Более широкое применение нашли световодные волноводы.

Объемные резонаторы. Колебательная система может быть построена на базе волноводов прямоугольной и круглой формы.

Для перестройки волноводных резонаторов одна из короткозамыкающих волновод пластин выполняется в виде подвижного поршня. Возбуждение резонаторов и отвод энергии от них осуществляется так же, как и в волноводах, – с помощью штыря, рамки или отверстия связи.

Отличительной особенностью объемных резонаторов является высокая добротность, а следовательно, высокая фильтрующая способность их, как колебательных систем, и высокая стабильность резонансных частот. Величина добротности, в зависимости от конструкции, диапазона частот, тщательности обработки внутренней поверхности резонатора, колеблется от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч.

Основным недостатком объемных резонаторов является наличие множества резонансных частот.

Радиоволновод

Радиоволновод — линия передачи СВЧ, описываемая телеграфным уравнением, служащая для передачи радиоизлучения.

Содержание

Описание

Боковая поверхность канала радиволновода является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая или магнитная проницаемости и электропроводность. Эта поверхность может иметь произвольную форму, применяются цилиндрические радиоволноводы, а также радиоволноводы с разнообразными сечениями (прямоугольные, круглые, Н- и П-образные и пр.).

К радиоволноводам, обычно относят только такие, у которых канал имеет односвязное сечение. Остальные рассматриваются в теории длинных линий.

Оба конца волновода заканчиваются металлическими фланцами с отверстиями для крепления фланцев друг к другу. В боковых стенках фланцев обычно делают четвертьволновые канавки или контактные прокладки [1] , необходимые для уменьшения уровня просачивания мощности через место стыков.

Из отрезков волноводов изготавливают различные элементы - тройники в Е или Н плоскостях, прямоугольные или плавные изгибы, двойные мосты, ответвители мощности.

Свойства

Главная особенность радиоволновода заключается в том, что в нем могут распространяться электромагнитные волны, длина волны которых меньше или сравнима с характерным поперечным размером волновода. Это обуславливает применение радиоволноводов главным образом в области сверхвысоких частот.

В волноводах могут возбуждаться различные типы (моды) электромагнитных волн Н₁₀, Е₁₁ и др. Мода с наинизшей граничной частотой (наибольшей длиной волны, которая ещё может распространяться по волноводу с данным размером) называется основным типом колебаний. Для прямоугольного волновода такой модой является H₁₀, а для круглого - H₁₁. Возможно подавление нежелательных типов волн. Возбуждение различных типов волн используется в облучателях антенн.

Характеристики волноводов

КСВ (от 1 до бесконечности)
КБВ (от 0 до 1)
Затухание электромагнитной волны (обычно десятые доли дБ)
Диапазон используемых частот
Уровень передаваемой мощности
Напряжение пробоя в волноводе

Настройка волноводов

Для обеспечения необходимых параметров в волноводах или волноводных трактах проводится их настройка. Настройка КСВ проводится:

настроечными штырями (металлическими или диэлектрическими), расположенными в широкой стенке волноводов
металлическими диафрагмами
механической деформацией по широкой стенке (ударами молотком по широкой стенке волновода)

Преимущества и недостатки

Преимущества

Основным преимуществом металлических радиволноводов по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями является малость потерь на СВЧ.

Почти полное отсутствие потерь на излучение энергии в окружающую среду;
При одинаковых размерах радиоволновода и, например, двухпроводной линии поверхность волновода, по которой текут токи всегда больше, чем у двухпроводной линии. Следовательно, плотности токов, а следовательно, и потери на джоулево тепло в радиоволноводе меньше.
Легкость монтажа

Недостатки

Наличие нижнего предела пропускаемых частот;
Громоздкость конструкции на дециметровых и более длинных волнах;
Необходимость большой точности изготовления и специальной обработки внутренней поверхности стенок;

Применение

Волноводы служат для передачи энергии в СВЧ трактах (например, от передатчика к антенне). Такой тракт обычно состоит из различных (по форме и размерам) радиволноводов, угловых изгибов и пр. Для сочленения радиоволноводов разных поперечных сечений применяются плавные волноводные переходы с переменным сечением (например, рупорный переход).

Стенки волноводов могут быть гибкими - изготовлены из резины или гофрированной поверхности. Внутренние стенки волноводов должны быть металлизированы. В космической технике внутренние стенки волноводов покрывают серебром.

Интересные факты

Круглые отверстия диаметром менее десятой части волны в волноводе - не излучают и используются в космической технике для дегазации волноводов (удаления воздуха в волноводах). Дегазация волноводов в открытом космосе, после запуска космического аппарата, проводится до одной недели. При недостаточной дегазации в космосе воможны электрические пробои в волноводах.

Длинные и узкие отверстия в волноводах поперек волноводов хорошо излучают. Волноводы с такими отверстиями используются в качестве щелевых антенн.

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Радиоволновод" в других словарях:

радиоволновод — радиоволновод … Орфографический словарь-справочник

РАДИОВОЛНОВОД — полая металлическая труба или диэлектрический стержень, внутри которых вдоль оси распространяются радиоволны в результате многократных отражений от внутренних стенок и интерференции отраженных волн. Распространение волн в радиоволноводе возможно … Большой Энциклопедический словарь

радиоволновод — сущ., кол во синонимов: 1 • волновод (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Радиоволновод — диэлектрический канал (направляющая система) для распространения радиоволн (См. Радиоволны). Боковая поверхность канала является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая ε или магнитная μ… … Большая советская энциклопедия

радиоволновод — устройство для передачи энергии электромагнитных волн, концентрируемых в определённых сечениях среды распространения за счёт многократных отражений и интерференции на границах волновода. Границами волновода служат зоны изменения электромагнитных… … Энциклопедия техники

РАДИОВОЛНОВОД — канал для распространения радиоволн, характеризующийся тем, что его поперечные размеры соизмеримы с длинами передаваемых волн. Различают трубчатые металлич. Р. круглого, прямоугольного, П или Н образного и др. сечений; диэлектрич. Р. в виде… … Большой энциклопедический политехнический словарь

радиоволновод — радиоволнов од, а … Русский орфографический словарь

радиоволновод — радиоволново/д, а … Слитно. Раздельно. Через дефис.

радиоволновод — радио/волн/о/вод/ … Морфемно-орфографический словарь

диэлектрический канал (направляющая система) для распространения радиоволн (См. Радиоволны). Боковая поверхность канала является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая ε или магнитная μ проницаемости и электропроводность σ. Боковая поверхность может иметь произвольную форму, но наиболее широко применяются цилиндрические Р., в частности цилиндрические металлические полости, заполненные воздухом или каким-либо газом. Поперечное сечение металлического Р. бывает прямоугольным, круглым, П- и Н-образным и т.п. (рис. 1). Обычно к Р. относят только каналы с односвязным сечением; распространение радиоволн в каналах с дву- и многосвязными сечениями рассматривается в теории длинных линий (См. Длинная линия) (например, двухпроводная коаксиальная линия; рис. 1, д).

Можно показать, что внутри Р. вдоль его оси распространяется волновое поле, которое является результатом многократного отражения волн от внутренних стенок Р. и интерференции отражённых волн. Это определяет главную особенность Р., которая состоит в том, что распространение волн в них возможно только в том случае, если поперечные размеры Р. сравнимы с длиной волны λ или больше λ. Например, для λ = 30 см больший размер а сечения прямоугольного Р. около 20—25 см. Это обусловливает применение Р. главным образом в области сверхвысоких частот (См. Сверхвысокие частоты).

Р. служат направляющими системами в радиолокационных и др. станциях для передачи энергии от передатчика в передающую антенну (См. Антенна), от приёмной антенны к Радиоприёмнику. Направляющая система на СВЧ имеет вид волноводного тракта, состоящего из отрезков Р., различных по форме и размерам поперечных сечений; угловых изгибов; вращающихся соединений и многих др. волноводных узлов (рис. 2). Для сочленения Р. разных поперечных сечений применяются плавные волноводные переходы с переменным сечением (например, рупорный переход 2, рис. 2).

Основным преимуществом металлических Р. по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями является малость потерь на СВЧ; это обусловлено практическим отсутствием излучения энергии в окружающее пространство и тем, что при одинаковых внешних размерах Р. и, например, двухпроводной линии поверхность Р., по которой текут электрические токи (при распространении волны), всегда больше, чем поверхность проводников двухпроводной линии. Так как глубина проникновения токов определяется Скин-эффектом, то плотности токов, а следовательно, и потери на джоулево тепло в Р. меньше, чем в линии. Недостатки Р.: наличие нижнего предела пропускаемых частот (см. ниже); громоздкость конструкции на дециметровых и более длинных волнах; необходимость большой точности изготовления и специальной обработки внутренней поверхности стенок; сложность монтажа.

Поскольку поперечные размеры Р. сравнимы с λ, то задача о распространении и возбуждении в них электромагнитного поля решается на основе интегрирования Максвелла уравнений (См. Максвелла уравнения) при заданных граничных условиях и источниках поля. Методы решения этих задач составляют содержание теории Р. В случае прямоугольного Р. (рис. 3) для любой из проекций f электрического Е и магнитного Н полей теория приводит к волновому уравнению:

где k = 2π/λ = ω/с — волновое число, ω — частота колебаний, с — скорость света. Решение этого уравнения для бесконечно длинного прямоугольного Р. приводит к следующим выражениям для комплексных амплитуд (См. Комплексная амплитуда) проекций векторов Е и Н:

Здесь а и b — размеры поперечного сечения прямоугольного Р., m и n — любые положительные целые числа, A_x, A_y A_z, B_x, B_y, B_z — постоянные определяемые условиями возбуждения Р. Постоянная распространения γ, определённая из (2) и (1), равна:

Наличие тригонометрических множителей в (2) говорит об образовании стоячих волн (См. Стоячие волны) в направлениях, перпендикулярных стенкам Р. Касательные составляющие электрического поля на стенках имеют узлы, а нормальные — пучности. Числа m и n определяют число полуволн, укладывающихся соответственно вдоль размеров а и b. Чем больше m и n, тем сложнее поле в сечении Р.

В Р. волновое поле является суммой полей бесконечного множества типов волн. Все типы волн подразделяются на три класса: ТЕ (или Н)-волны, ТМ (или Е)-волны и ТЕМ-волны; Т означает поперечность (трансверсальность). Каждый тип волн имеет свою структуру поля: в ТЕ-волнах электрическое поле сводится лишь к поперечным составляющим, но магнитное поле имеет и продольную, и поперечную составляющие; ТМ-волны имеют только поперечные составляющие магнитного поля; продольную составляющую имеет лишь электрическое поле; ТЕМ-волны вообще не имеют продольных составляющих поля и могут существовать только в многосвязных Р. Волны с различными m и n записываются в виде TMmn и TEmn (или Emn, Hmn). Волны с наименьшими индексами m и n называются простейшими. В случае ТМ-волн (H_z = 0) простейшей волной является волна ТМ₁₁ (рис. 4).

Волны TM₁₀ и TM₀₁ неосуществимы, т.к. магнитные силовые линии должны быть замкнутыми. Более сложные волны возникают, если увеличить поперечные размеры Р. или частоту колебаний так, чтобы вдоль размеров а и b укладывалась более чем одна полуволна. При этом поперечное сечение Р., подобно колеблющейся мембране, оказывается разбитым на ячейки, тождественные по структуре поперечному сечению волны ТМ₁₁ (рис. 5).

В случае ТЕ-волн (Е₃₂ = 0) возможно существование волн при m = 0, n ≠ 0 или n = 0, m ≠ 0, т.к. линии электрического поля могут быть прямыми, начинающимися на противоположных стенках Р. (рис. 6, 7). Из волн TE₁₀ и ТЕ₁₁ как из ячеек, составляются все сложные типы ТЕ-волн (рис. 8).

Множитель е -γz определяет изменения амплитуды и фазы волны при распространении её вдоль оси Р. При отсутствии потерь должна быть чисто мнимой величиной: γ = iα, т. е.

которое означает, что Р. пропускает без затухания только колебания с частотой выше некоторой граничной частоты ω_гр ; ей соответствует критическая длина волны λ_кр. Граничная частота ω_гр тем выше, чем меньше а и b, т. е. размеры Р. При заданной рабочей частоте ω нужны тем большие размеры Р. а и b, чем больше m и n, т. е. чем сложнее волна.

т. е. всегда больше скорости света и зависит от частоты колебаний. Это означает, что в Р. имеет место Дисперсия волн, вносящая искажения в передаваемые сигналы тем больше, чем шире спектр их частот.

Затухание волны в Р. описывается вещественной частью комплексной постоянной распространения γ = β + iα и объясняется в реальных Р. потерями в стенках и в заполняющем Р. диэлектрике. В «идеальных» (без потерь) Р., если ω λ _кр, рассчитанной для Р. без потерь.

Для передачи сантиметровых и миллиметровых волн могут служить диэлектрические Р., где поверхностью раздела, направляющей волну, служит внутренняя поверхность диэлектрического стержня. Диэлектрические Р. чувствительны к внешним воздействиям и имеют дополнительные потери, связанные с просачиванием энергии за пределы Р., что затрудняет их практическое применение.

Р. с поверхностной волной представляют собой металлическую ленту или цилиндрический проводник, на которых располагаются ребристая структура или диэлектрическое покрытие (рис. 13). Вдоль такого Р. могут распространяться волны различных типов, например TM₁₀. Энергия поля сосредоточена в окружающем пространстве: радиус поля (расстояние, на котором поле ещё ощутимо) зависит от ширины ленты и её проводимости и быстро уменьшается с укорочением λ. Р. с поверхностной волной обладают меньшим затуханием, чем металлические Р., проще по конструкции и позволяют передавать большие мощности в широком диапазоне частот. Недостатки этих Р. связаны с тем, что поле поверхностной волны окружает Р. снаружи: различные неоднородности (деформации Р., крепления, соединения, окружающие предметы) приводят к излучению, т. е. к потерям энергии. Несмотря на это, Р. с поверхностной волной применяются как направляющие системы и как излучающие элементы в антеннах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн.

Применяются 3 способа возбуждения поля в Р.: линейным проводником с током (штырём), витком и через отверстие в боковой стенке или торце Р. Штырь располагают параллельно электрическим силовым линиям, плоскость витка — перпендикулярно магнитным силовым линиям. Щель или отверстие прорезают в металлической поверхности по ходу магнитных силовых линий на этой поверхности. При этом для большей связи элементы возбуждения располагают в пучностях электрического или магнитного поля (рис. 14).

Согласование отрезков Р. друг с другом и с нагрузкой осуществляется с помощью т. н. согласующих элементов (рис. 15) в виде комбинаций пассивных штырей, индуктивных или емкостных диафрагм, а также в виде плавных переходов с переменным сечением. Недостатком большинства согласующих устройств является их малая диапазонность: согласование удаётся обеспечить, как правило, в полосе частот 1—2% и только в некоторых случаях около 10—20% от ω.

Практическое значение имеет вопрос о передаче по Р. больших мощностей. Р. с размерами сечения, соответствующими распространению волн только первого типа, может пропустить мощность лишь порядка 3—4 Мвт. Если же размеры сечения Р. при заданной длине волн взять большими, то в нём будут распространяться и высшие типы волн.

Лит.: Введенский Б. А., Аренберг А. Г., Радиоволноводы, ч. 1, М. — Л., 1946: Кисунько Г. В., Электродинамика полых систем, Л., 1949; Вайнштейн Л. А., Дифракция электромагнитных и звуковых волн на открытом конце волновода, М., 1953; Казначеев Ю. И., Широкополосная дальняя связь по волноводам, М., 1959; Коган Н. Л., Машковцев Б. М., Цибизов К. Н., Сложные волноводные системы, Л., 1963; Теория линий передачи сверхвысоких частот, пер. с англ., под ред. А. И. Шпунтова, ч. 1—2, М., 1951; Гуревич А. Г., Полые резонаторы и волноводы. Введение в теорию, М., 1952; Левин Л., Современная теория волноводов, пер. с англ., М., 1954; Ширман Я. Д., Радиоволною воды и объемные резонаторы, М., 1959; Вайнштеин Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957; Каценеленбаум Б. З., Высокочастотная электродинамика, М., 1966; Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1, 1970: Харвей А. Ф., Техника сверхвысоких частот, М., 1968; Фельдштейн А. Л. и др., Справочник по элементам волноводной техники, М., 1967.

Рис. Формы поперечного сечения некоторых волноводов (а, б, в, г) и коаксиальной двухпроводной линии (д).

Рис. 2. Схема волноводного тракта: 1 — генератор СВЧ; 2 — рупорный переход; 3, 6 — отрезки прямоугольных волноводов; 4 — угловой изгиб; 5 — вращающееся соединение; 7 — рупорная антенна.

Читайте также: