|
|
Эти потери растут с частотой; напр., для полиэтилена (в'= 2,5; tg 6=2-10-*) в В. д. круглого сечения радиуса 1 см затухание дипольной волны равно 0,4 дБ/м на частоте 15 ГГц, 0,6 дБ/м на частоте 20 ГГц и 0,9 дБ/м на частоте 30 ГГц. Во-вторых, к затуханию приводит рассеяние волноводной моды на неоднородностях (мелких шероховатостях, плавных изгибах границ и т. п.). Этот процесс фактически сводится к трансформации «рабочей» волны в другие моды, в т. ч. и в нелокализованные, т. е. в т. н. утекающие волны, фазовые скорости к-рых больше скорости света в окружающей В. д. среде, они способны терять энергию по типу черенковского излучения, Поэтому при разработке технологии изготовления В. д. особые требования предъявляют к получению однородных диэлектрич, нитей, стер-Жней и т. п,; современные В. д. оптич. диапазона (световоды) способны передавать сигналы на расстояния в неск. десятков км.
Лит.: Шевченко В. В., Плавные переходы в открытых волноводах, М., 196?; Взятышев В, Ф.т Диэлектрические волноводы, M.t 1970; Нефедов Е. И,, Ф и а л к о в-ский А. Т., Полосковые линии передачи, 2 изд., М., 1980; У н г е р X.- Г,, Пленарные и волоконные оптические волноводы, пер. с англ., М., 1980, М. А. Миллер, А. И. Смирнов. ВОЛНОВОД МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ≈ цилиндрнч. или изогнутая труба, внутри к-рой могут распространяться эл.-магн. волны. Чаще всего используют В. м. прямоугольных и круговых сечений (прямоугольные и круглые волноводы). Возможность существования волн внутри металлич. трубы была теоретически установлена Рэлеем (Дж. У. Стреттом) (Rayleigh, J. W. Strutt) ещ╦ в кон. 19 в. Широкое развитие волноводной техники связано с освоением сантиметрового диапазона воля в кон. 30-х гг. 20 в. В настоящее время В. м. применяют также и для волк дециметрового и миллиметрового диапазонов. Механизм распространения волн в В. м, обусловлен их многократным отражением от стенок. Пусть плоская волна падает в вакууме на идеальную отражающую металлическую плоскость а:≈0 (рис. 1К прич╦м электрическое поле Е волны параллельно этой плоскости. Суперпозиция падающей и отраж╦нной
между металлич. плоскостями:
^cnnd-1 (с
ско
308
Рис. 1. Падение плоской однородной волны на идеально отражающую поверхность x≈Q; заштрихованная область ≈ изменение амплитуды поля Еу вдоль оси Ох; в узлах этого поля можно помещать идеально проводящий лист, не внося искажений.
волн образует плоскую неоднородную волну, бегущую вдоль оси Оз, и стоячую волну вдоль оси Ох : exp(i<j)t≈ik£z)sin(kxx). Здесь kx и и* ≈ проекции волнового вектора k на оси (Хе и Ог, ш ≈ частота волны. Узлы стоячей волны (плоскости, на к-рых Ey=ty
расположены на расстояниях x ≈ nnkx (n=0,1,2,3. . .), В них можно помещать идеально проводящие тонкие металлич. листы, не искажая поле. Подобными листами можно ограничить систему с боков, перпендикулярно линиям Еу. Т. о. удается построить распределение эл.-магн. поля для волны, распространяющейся внутри трубы прямоугольного сечения (прямоугольный В. м.). Построение поля пут╦м многократного отражения плоских волн от стенок, поясняющее механизм его распространения в В. м., наз. концепцией Бриллюэна.
Распространение волн в В. м. возможно только при наклонном падении волны на стенки В. м. (а≈ =arctg(fez/ft^)^0. При нормальном падении (<х=0),/ег=0) поле переста╦т зависеть от z и волна оказывается как бы запертой между двумя плоскостями. В результате в В. м. образуются нормальные колебания, частоты к-рых о)└ определяются числом полуволн гс, укладывающихся
рость света в вакууме, d ≈ расстояние между плоскостями). Эти частоты наз, критическими ч а-. с т о т а м и В. м. Ниж. критич. частота <окр=ле^1 соответствует и=1. Внутри В. м. могут распространяться во ли i,i только с частотами ш>шкр, или Х<Якр~ ~2d. Длина волны в В, м. (периодичность поля вдоль
оси Ог): Л=Щ ≈ (Я/Янр)2]~'/г. При Х<А.кр Л>Ь, при X≈ у^кр Л≈ *-оо. Это означает, что при Х= A,kp поле в В. м, имеет не волновой, а колсбат. характер. При ^>Якр волна в В. м, затухает,
Поэтому для передачи сигналов длинноволнового диапазона В. м. оказываются слишком громоздкими: их применяют обычно для Я<10 ≈ 20 см, В технике СВЧ используют каналы разл. сечений (рис. 2). Обычно к В. м. относят только каналы с односвязными сечениями; каналы с двух- или многосвязньши сечениями относят к линиям передачи^ хотя они являются разно-
нигтостями В м видностями о, м.
Волноводцые моды (вол-новодные волны). В В. м.
могут возбуждаться разл. типы волн, отличающиеся структурой эл.-магн. поля и частотой (моды). Волновод-вые моды находят из решения Максвелла уравнений при соответствующих граничных условиях (для идеальных проводников равенство нулю тангенциальной составляющей электрич. поля). Поперечная структура полей в В, м, определяется скалярной ф-цией ф{т, y}t удовлетворяющей ур-нию идеальной мембраны с закрепл╦нными (cpls^O) или свободными (0ф/дп|$≈ 0, п ≈ нормаль к границе S) краями в зависимости от типа поляризации эл.-магн, поля. Задача о собств. колебаниях мембраны имеет бесконечное, но сч╦тное множество решений, соответствующих дискретному набору деист-вительных собств. частот. Каждое из этих собств, коле. баний соответствует либо нормальной волне, распространяющейся вдоль В. м., либо экспоненциально убывающей или нарастающей колебат. модам.
Рис. 2. Формы поперечного сечения нек-рых металлических волноводов.
Рве. 3. Структура поля волны Г£10 в прямоугольном волноводе; сплошные линии ≈ силовые линии электрического поля, пунктирные ≈ магнитного поля.
Для прямоугольного В. м. с длиной сторон а и & спектр собств. частот определяется выражением: юпт=
≈ с[(пп/а)2-\\- (тея/&)2]1/Ч где пит ≈ числа стоячих полуволн, укладывающихся вдоль а и Ь, Чем больше т и л, тем сложнее поле в В. м. Наименьшее юкр соответ-ствует »=1, от≈0, если Ь<а, или /г=0, т=1» если а<& (мембрана со свободными краями; именно для этой моды была проиллюстрирована выше концепция Бриллюэна). При этом поле Е поляризовано в плоскостях z=const.
N. ≈ ≈
Рис. 4. Структура поля волны ТЕ,, в прямоугольном волноводе.
Рис. 5. Структура поля полны в прямоугольном волноводе.
Эти волны наз. ГЕ-волнами (от англ, transverse ≈ поперечный) или //-волнами. Простейшие моды прямоугольного В, м.≈ волны ТЕи (рис. 3) и ТЕ ц (рис. 4). Задача о мембране с закрепл╦нными краями порождает волны типа ТМпт (или Е└т), Здесь и n=^0, и т^О, т. к. силовые линии магн. поляне могут упираться в
")
}
