Типы волн в волноводах кратко

Обновлено: 02.07.2024

Развитие современной радиотехники и радиолокации, телекоммуникаций связано с освоением все более коротких радиоволн.

С применением сантиметровых и миллиметровых волн возникла необходимость в новых способах передачи, или, как говорят, канализации энергии этих волн внутри самой аппаратуры (например, от источника колебаний к антенне или от приемной антенны к смесителю). Старые способы канализации с помощью проводных линий оказались мало пригодными. Их место заняли волноводы.

Для чего нужны волноводы

Уже при переходе к волнам метрового, а тем более дециметрового диапазона выявляется непригодность открытых двухпроводных линий для канализации электромагнитной энергии: длина волны становится сравнимой с расстоянием между проводами линий и поэтому значительная часть энергии излучается линией, не доходя по назначению.

Для предотвращения излучения энергии на таких волнах обычно применяют коаксиальные линии, у которых одним проводом служит центральная жила, а другим — окружающая ее цилиндрическая оболочка. Пространство между ними заполнено изолирующим материалом либо сплошь, либо в виде отдельных шайб или стаканчиков, поддерживающих центральную жилу. При дальнейшем укорочении волны и такие линии становятся все менее пригодными для канализации энергии. Происходит это, во-первых, потому, что с повышением частоты токи, текущие по проводникам, распределяются во все более тонком слое, расположенном у поверхности проводников. (Это явление называется поверхностным эффектом.) Поэтому эффективное сечение проводников (та часть сечения, по которой текут токи) с ростом частоты уменьшается и их сопротивление на единицу длины возрастает и все большая часть энергии тратится на нагревание проводников.

Во-вторых, с ростом частоты быстро увеличиваются потери в изолирующем материале — все большая доля энергии тратится на его нагревание. Все это приводит к резкому возрастанию затухания волн, распространяющихся в линии. Например, даже в очень хорошей коаксиальной линии мощность волны длиной 10 см затухает вдвое при длине этой линии в 5 м.

В-третьих, при передаче больших напряжений сверхвысокой частоты в линиях могут возникнуть пробои изолятора, выводящие всю установку из строя.

При передаче энергии сверхвысокой частоты с помощью волноводов перечисленные недостатки в значительной мере устраняются.

Волноводом называется полая труба с хорошо проводящими стенками. Она изготовляется обычно из меди или латуни (рис. 1). Внутренняя поверхность волновода покрывается тонким слоем серебра, обладающего еще более высокой проводимостью. В особо ответственных конструкциях, когда есть опасность окисления стенок, применяется золочение их. Пространство внутри волновода заполняется сухим воздухом и защищается от влаги, чем значительно снижается опасность пробоя. В волноводе нет центральной жилы и поддерживающих ее изоляторов, поэтому затухание волны в нем значительно меньше, чем в коаксиальной линии. Например, волна длиной 10 см в медном волноводе затухает на длине 1 м всего на 1%.

Какие волны распространяются в волноводах

Обычные радиоволны, излучаемые антеннами, поперечны, т. е. колебания их электрических и магнитных полей совершаются в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Вдоль двухпроводной линии, выполненной из хорошего проводника, когда по ней текут переменные токи, также распространяются поперечные волны. Рассмотрим распространение таких волн в линии, выполненной в виде двух медных шин.

Такая картина будет иметь место, если дополнить верхнюю и нижнюю шины двухпроводной линии замыкающими боковыми медными стенками. При этом мы получим прямоугольный волновод. В таком волноводе электрическое поле окажется параллельным, а магнитное поле перпендикулярным боковым стенкам, т. е. условия распространения не будут выполнены и волна в волновод не пройдет.

Аналогичная картина возникает, когда на металлическую стенку падает электромагнитная волна (рис. 4,а).

В отличие от электрических полей магнитные поля падающей и отраженной волн направлены под углом друг к другу. Поэтому они нигде друг друга полностью не уничтожают. Суммарное магнитное поле разбивается на отдельные замкнутые ячейки (рис. 4, г), причем замкнутые магнитные силовые линии не пересекают плоскости нулевого электрического поля, а касательны к ним.

Следовательно, если с любыми двумя плоскостями нулевого электрического поля совместить две металлические стенки (рис. 4,д), то условия распространения энергии между этими плоскостями не изменятся: электрическое и магнитное поля на стенках направлены так, что стенки не мешают распространению. Электромагнитная энергия будет распространяться подобно лучу света, последовательно отражающемуся от двух параллельных зеркал (рис. 4, е).

Вернемся теперь к волноводу. Распространение электромагнитной волны внутри волновода можно обеспечить, если его боковые стенки расположить на вполне определенных расстояниях, а именно в плоскостях нулевого электрического поля (0—О, 2—2). Эта волна будет представлять собой результат сложения последовательных отражений обычной поперечной волны от боковых стенок (рис 4, е).

В рассматриваемом случае электрическое поле всегда перпендикулярно, а магнитное — всегда касательно к верхней и нижней стенкам, независимо от расстояния между ними.

Чем же отличается волна, распространяющаяся внутри волновода, от обычной поперечной волны? Волна, получившаяся в результате сложения поперечных волн, отражающихся от боковых стенок, перестала быть строго поперечной: поперечность сохранило только электрическое поле; магнитное же поле имеет составляющую вдоль направления распространения (рис. 5,6). Такая волна называется магнитной (Н-волной - произносится «аш-волной) или поперечноэлектрической. Наличие продольного магнитного поля у Н-волны обусловлено тем, что при распространении такой волны по боковым стенкам волновода текут поперечные токи (рис. 5, с). Эти токи максимальны там, где в данный момент на верхней и нижней стенках отсутствуют заряды и токи, а значит и электрическое и магнитное поля. Вместе с тем на верхней и нижней стенках в каждом сечении расположены всегда заряды противоположных знаков. Поэтому электрическое поле у Н-волны и остается поперечным.

При отражении от боковых стенок волновода поперечной электромагнитной волны, у которой параллельно стенкам колеблется не электрическое, а магнитное поле, в волноводе получается другой тип волн. В отличие от предыдущего случая на верхней и нижней стенках перпендикулярным окажется магнитное поле, что недопустимо. Поэтому необходимо, кроме того, рассмотреть отражение другой поперечной волны от верхней и нижней стенок. Эти стенки нужно расположить так, чтобы магнитные силовые линии, которые в результате отражений также станут замкнутыми, касались этих стенок.

В простейшем случае мы получим волну, картина поля которой приведена на рис. 6. Особенность волн этого типа состоит в том, что у нее имеется продольная составляющая электрического поля. Эти волны называются электрическими (Е-волнами) или поперечномагнитными. Наличие продольного электрического поля обусловлено тем, что при распространении волн этого типа в каждом сечении располагаются заряды одного знака (рис. 6), т. е. электрические силовые линии вытягиваются вдоль волновода. Вместе с тем по внутренней поверхности стенок текут только продольные токи; поэтому магнитное поле остается поперечным.

Если отражающие стенки помещены не в ближайших допустимых плоскостях, а в более удаленных, то получаются магнитные и электрические волны других типов с более сложным распределением электрического и магнитного полей. Однако здесь существует простая закономерность: более сложные распределения получаются из более простых путем повторения простых распределений вдоль ширины и высоты сечения прямоугольного волновода. Различные типы волн принято поэтому обозначать буквами Е или Н (обозначающими соответственно электрическую или магнитную волну) с добавлением цифр. Первая из этих цифр показывает число повторений простейшей картины поля по ширине, а вторая по высоте сечения волновода. Рассмотренная ранее магнитная волна (рис. 5) называется Н₁₀, а электрическая (рис. 6) - Е₁₁.

Примеры волн более высоких порядков, а именно волны Н₂₀ и Е₂₁ приведены на рис. 7. Отметим, что в прямоугольном волноводе могут распространяться волны типов Н_mn и Е_mn, где m и n — целые числа, но волны типа Е₁₀ или E₀₁ не могут существовать, так как их магнитное поле было бы перпендикулярно какой-либо паре стенок, а это невозможно. Волна типа Н₁₁ получается так же, как и волна E₁₁, т. е. путем отражения двух волн.

Любую волну, которая может распространяться внутри волновода, можно представить как наложение различных типов Е- и Н-волн.

В волноводах круглого сечения также распространяются волны, у которых обязательно имеются продольные составляющие электрического и магнитного полей. Картины поля для некоторых типов этих волн приведены на рис. 8 Здесь также показано, как волны прямоугольных волноводов постепенно превращаются в волны волноводов с круглым сечением при изменении сечения из прямоугольного в круглое. Для волн этого типа через m принято обозначать число повторений картины поля при обходе вдоль периметра сечения, а через n — вдоль радиуса.

Скорость и затухание волн

Итак радиоволны, распространяющиеся в волноводах, в отличие от обычных волн не являются строго поперечными. Однако этим не исчерпываются особенности распространения электромагнитной энергии в волноводах.

Посмотрим, с какой скоростью распространяются волны в волноводе. Для этого вернемся к рис. 4, из которого видно, что картина поля повторяется вдоль волновода реже, чем в наклонно падающей поперечной волне. Это значит, что при одной и той же частоте колебаний длина волны в волноводе всегда больше, чем в свободном пространстве. Но из этого следует, что скорость волны в волноводе всегда больше: ведь за один период колебания картина поля смещается как раз на длину волны, а раз эта длина стала больше, то волна распространяется быстрее. Эта скорость называется фазовой — с такой скоростью перемещается по волноводу фаза или картина поля.

Но у волны есть и другая скорость — скорость движения энергии. В свободном пространстве эта скорость обычно совпадает с фазовой и равна скорости света, но в волноводе они различны по следующим причинам. Распространение волны в волноводе, как мы видели, происходит в результате последовательных отражений от стенок наклонно падающей поперечной волны; энергия падающей волны движется со скоростью света вдоль луча, последовательно отражающегося от стенок. В то же время вдоль волновода энергия распространяется с меньшей скоростью и тем меньшей, чем круче падает на стенку луч.

Как же зависят обе скорости (фазовая и скорость движения энергии) от частоты колебаний или, иначе говоря, от длины волны, распространяющейся в свободном пространстве?

Если на одном конце волновода поддерживаются колебания напряжения с частотой f(Гц) так, что электрическое поле колеблется параллельно боковым стенкам (волна Н10), то на стенки волновода падают волны, длина которых λ=(c/f), где с — скорость света.

В волноводе заданной ширины "а" сможет распространяться (в простейшем случае) лишь волна, падающая на боковые стенки под углом ?, при котором выполняется условие, что расстояние между боковыми стенками "а" в точности равно расстоянию между плоскостями нулевого электрического поля, т. е.

Очевидно, если длина волны λ возрастает (частота колебаний понижается), угол φ растет: луч падает все круче и отражения происходят все чаще.

Когда половина длины волны сделается равной ширине волновода, угол станет равным 90° и волна будет падать на стенку отвесно. При этом энергия будет колебаться между стенками, но вдоль волновода распространяться не будет. При дальнейшем понижении частоты колебаний волна в волновод не пройдет. Это произойдет потому, что ни при каком угле падения плоскости нулевого электрического поля не будут совпадать с боковыми стенками.

Пример с волной Н₁₀ иллюстрирует общий закон: внутри волновода заданных размеров могут распространяться лишь волны, колеблющиеся с частотой выше некоторой критической. Соответствующая этой частоте длина волны в свободном пространстве называется критической λ_кр. Все волны длиннее λ_кр в волноводе распространяться не могут.

Для волноводов с различными сечениями и для волн разных типов существуют свои критические длины волн (критические частоты). Чем выше порядок волны (больше m и n), тем меньше критическая длина волны. Самая низкая критическая частота — у волны Н₁₀ (λ_кр = 2a); для волн других типов критические длины меньше. Для волны Н₂₀ критическая длина λ_кр = а, т. е. вдвое короче, чем для волны Н₁₀. Таким образом, волновод является идеальным фильтром низких частот: колебания с частотами ниже критической он не пропускает.

Теперь выясним зависимость скорости распространения волны от частоты. Чем ближе частота к критической, тем меньше скорость движения энергии волны вдоль волновода. Когда частота равна критической, скорость движения энергии равна нулю; при частотах ниже критической энергия в волноводе совсем не распространяется.

Вместе с тем, чем ближе частота к критической, тем круче падает луч на стенки, тем более растянута вдоль волновода картина поля, тем длиннее волна в волноводе, тем больше и фазовая скорость. При критической частоте она бесконечно велика.

В заключение выясним вопрос о величине затухания волны, распространяющейся в волноводе, стенки которого имеют высокую (но не бесконечно большую) проводимость. При каждом отражении от стенок падающей наклонно поперечной волны некоторая часть энергии поглощается стенкой и тратится на ее нагревание. Поэтому, чем ближе частота колебаний к критической, т. е. чем чаще происходят отражения, тем сильнее затухает распространяющаяся в волноводе волна.

При передаче энергии заданной частоты через волновод заданного сечения выгоднее выбирать типы волн с более низкой критической частотой; обычно пользуются волнами типов Н₁₀ и Е₁₁, имеющими наибольшие критические длины. Так как критическая длина возрастает с увеличением размеров сечения волновода, то стараются по возможности увеличить эти размеры. Чем выше частота передаваемых колебаний, тем меньшими могут быть размеры волновода.

Для передачи колебаний с частотой f=10 000 мГц (λ = 3 см) обычно применяют прямоугольные волноводы шириной в 2,3 см и высотой в 1 см. Для колебаний с частотой f = 3000 мГц (λ=10 см) эти размеры оказываются недостаточными, так как самая большая критическая длина (для волны Н₁₀) у этого волновода составляет всего 4,6 см. Поэтому для волны длиной 10 см применяют волноводы с сечением 7,2 х 3,4 см. Для волны в 50 см потребовался бы волновод шириной около 40 см. Следовательно, применение волноводов при частотах ниже 2000-3000 мГц уже становится неудобным, но на этих частотах еще удовлетворительно работают коаксиальные линии.

Казалось бы, что при повышении частот вплоть др сотен тысяч мегагерц и дальше потери в волноводах заданного сечения становятся все меньше. Однако с ростом частоты возрастает сопротивление стенок волновода из-за поверхностного эффекта и потери при каждом отражении возрастают так сильно, что это перекрывает уменьшение числа отражений с ростом частоты: затухание начинает возрастать с ростом частоты. Для волновода данных размеров всегда существует волна, распространяющаяся с наименьшими потерями.

В настоящей статье мы ознакомились в общих чертах с особенностями распространения радиоволн в волноводах. Изложенные выше результаты основаны на выводах строгой теории волноводов, в развитии которой большую poль сыграли работы советских ученых Л. И. Мандельштама, Б. А. Введенского, А. Г. Аренберга, С. М. Рытова, П. Е. Краснушкина, Н. Н. Малова, А. В. Татаринова и других.

Эта статья о волноводах в целом. Для использования в радио- и микроволновой технике см. Волновод (радиочастота). Для акустических волноводов см. Волновод (акустика). Для оптических волноводов см. Волновод (оптика).

А волновод это структура, которая направляет волны, такие как электромагнитные волны или же звук, с минимальными потерями энергии за счет ограничения передачи энергии в одном направлении. Без физического ограничения волновода амплитуды волн уменьшаются согласно закон обратных квадратов поскольку они расширяются в трехмерное пространство.

Существуют разные типы волноводов для разных типов волн. Оригинальный и самый распространенный [1] значение - полая проводящая металлическая труба, используемая для передачи высоких частот радиоволны, особенно микроволны. Диэлектрические волноводы используются на более высоких радиочастотах, а прозрачные диэлектрические волноводы и оптические волокна служат волноводами для света. В акустика, воздуховоды и рога используются в качестве волноводов для звука в музыкальных инструментах и музыкальные колонки, а металлические стержни специальной формы проводят ультразвуковые волны в ультразвуковая обработка.

Геометрия волновода отражает его функцию; В дополнение к более распространенным типам, которые направляют волну в одном измерении, существуют двумерные пластинчатые волноводы, которые ограничивают волны в двух измерениях. Частота проходящей волны также определяет размер волновода: каждый волновод имеет длина волны отсечки определяется своими размерами и не проводит волны большей длины; ан оптоволокно что направляет свет не будет передавать микроволны которые имеют гораздо большую длину волны. Некоторые естественные структуры также могут действовать как волноводы. В ГНФАР канал слой в океане может направлять звук китовая песня через огромные расстояния. [2] Любая форма поперечного сечения волновода может поддерживать электромагнитные волны. Неправильные формы трудно анализировать. Обычно используются волноводы прямоугольной и круглой формы.

Содержание

Принцип

В открытом космосе волны распространяются во всех направлениях как сферические волны. Мощность волны падает с расстоянием р от источника как квадрат расстояния (закон обратных квадратов). Волновод ограничивает распространение волны в одном измерении, так что в идеальных условиях волна не теряет мощности при распространении. отражение у стенок волны ограничены внутренней частью волновода.

Использует

Использование волноводов для передачи сигналов было известно еще до появления этого термина. Явление звуковых волн, проходящих через натянутый провод, было известно давно, как и звук через полую трубу, такую как пещера или медицинские стетоскоп. Другое использование волноводов - передача мощности между компонентами системы, такими как радио, радары или оптические устройства. Волноводы - фундаментальный принцип волноводные испытания (GWT), один из многих методов неразрушающая оценка.

Оптические волокна передают свет и сигналы на большие расстояния с низким затуханием и широким используемым диапазоном длин волн.
В микроволновая печь волновод передает мощность от магнетрон, где образуются волны, в варочную камеру.
В радаре волновод передает радиочастотную энергию к антенне и от нее, где сопротивление должны быть согласованы для эффективной передачи энергии (см. ниже).
Прямоугольные и круглые волноводы обычно используются для подключения источников параболических антенн к их электронике, будь то малошумящие приемники или усилители / передатчики мощности.
Волноводы используются в научных инструментах для измерения оптических, акустических и упругих свойств материалов и объектов. Волновод можно соприкасать с образцом (как в медицинское УЗИ), и в этом случае волновод обеспечивает сохранение мощности испытательной волны, или образец может быть помещен внутрь волновода (как при измерении диэлектрической проницаемости [3] ), чтобы можно было тестировать более мелкие объекты и повышать точность. это особый тип волновода, который очень часто используется.

История

Изучение диэлектрических волноводов (таких как оптические волокна, см. Ниже) началось еще в 1920-х годах несколькими людьми, самыми известными из которых являются Рэлей, Зоммерфельд и Дебай. [7] Оптическое волокно стало привлекать особое внимание в 1960-х годах из-за его важности для индустрии связи.

Развитие радиосвязи первоначально происходило на более низких частотах, потому что их легче было распространять на большие расстояния. Длинные волны делали эти частоты непригодными для использования в полых металлических волноводах из-за того, что требовались трубы непрактично большого диаметра. Следовательно, исследования полых металлических волноводов застопорились, и работа лорда Рэлея была на время забыта, и другим пришлось заново открывать ее. Практические исследования, возобновленные в 1930-х гг. Джордж К. Саутворт в Bell Labs и Уилмер Л. Барроу в Массачусетский технологический институт. Саутворт сначала взял теорию из статей о волнах в диэлектрических стержнях, потому что работы лорда Рэлея были ему неизвестны. Это несколько ввело его в заблуждение; некоторые из его экспериментов потерпели неудачу, потому что он не знал о феномене частота среза волновода уже найден в работе лорда Рэлея. Серьезной теоретической работой занимались Джон Р. Карсон и Салли П. Мид. Эта работа привела к открытию, что для TE₀₁ В кольцевом волноводе потери падают с частотой, и одно время это был серьезный соперник для формата для дальней связи. [8]

Важность радар в Вторая Мировая Война дала большой импульс исследованиям волноводов, по крайней мере, на Союзник сторона. В магнетрон, разработанная в 1940 г. Джон Рэндалл и Гарри Бут в Университете Бирмингема в Соединенном Королевстве, обеспечил хороший источник энергии и сделал возможным использование микроволновых радаров. Важнейший центр исследований США находился в Радиационная лаборатория (Rad Lab) в Массачусетский технологический институт но многие другие принимали участие в США и Великобритании, например, Учреждение телекоммуникационных исследований. Руководителем группы фундаментального развития Rad Lab был Эдвард Миллс Перселл. Его исследователи включали Джулиан Швингер, Натан Маркувиц, Кэрол Грей Монтгомери и Роберт Х. Дике. Большая часть работы Rad Lab была сосредоточена на поиске модели с сосредоточенными элементами волноводных структур, так что компоненты в волноводе могут быть проанализированы с помощью стандартной теории схем. Ганс Бете также некоторое время проработал в Rad Lab, но там он разработал свою теорию малой апертуры, которая оказалась важной для фильтры резонатора волновода, впервые разработанная в Rad Lab. Немецкая сторона, с другой стороны, в значительной степени игнорировала потенциал волноводов в радарах до самого конца войны. Настолько, что когда части радара сбитого британского самолета были отправлены в Сименс и Гальске для анализа, даже если они были признаны микроволновыми компонентами, их назначение не удалось определить.

В то время в Германии очень пренебрегали микроволновыми технологиями. Обычно считалось, что это бесполезно для радиоэлектронной борьбы, и тем, кто хотел провести исследовательскую работу в этой области, не разрешалось это делать.

Немецким ученым даже разрешили продолжать публично публиковать свои исследования в этой области, потому что они не считались важными. [9]

Сразу после Второй мировой войны волновод стал предпочтительной технологией в области СВЧ. Однако есть некоторые проблемы; он громоздкий, дорогой в производстве, а эффект частоты среза затрудняет производство широкополосных устройств. Ребристый волновод может увеличить полосу пропускания за пределы октавы, но лучшим решением является использование технологии, работающей в ТЕМ режим (то есть не волновод), такой как коаксиальный проводники, так как TEM не имеют частоты среза. Также может использоваться экранированный прямоугольный проводник, который имеет определенные производственные преимущества по сравнению с коаксиальным кабелем и может рассматриваться как предшественник планарных технологий (полоса и микрополоска). Тем не менее, планарные технологии начали набирать обороты с появлением печатных схем. Эти методы значительно дешевле, чем волноводные, и в значительной степени заняли свое место в большинстве диапазонов. Тем не менее, волновод по-прежнему пользуется популярностью в более высоких микроволновых диапазонах. Группа Ku вверх. [10]

Характеристики

Режимы распространения и частоты среза

А режим распространения в волноводе - это одно из решений волновых уравнений, или, другими словами, форма волны. [7] Из-за ограничений граничные условия, существуют только ограниченные частоты и формы для волновой функции, которая может распространяться в волноводе. Самая низкая частота, на которой может распространяться определенная мода, - это частота среза этого режима. Режим с самой низкой частотой отсечки является основной модой волновода, а его частота отсечки - частотой отсечки волновода.

Согласование импеданса

В теория цепей, то сопротивление является обобщением электрическое сопротивление в случае переменный ток, и измеряется в Ом ( Ω < displaystyle Omega>). [7] Волновод в теории цепей описывается линия передачи имеющий длину и характеристическое сопротивление. Другими словами, импеданс показывает отношение напряжения к току компонента схемы (в данном случае волновода) во время распространения волны. Это описание волновода изначально предназначалось для переменного тока, но оно также подходит для электромагнитных и звуковых волн, так как волна и свойства материала (например, давление, плотность, диэлектрическая постоянная) правильно преобразованы в электрические термины (Текущий и импеданс, например).

Согласование импеданса важно, когда компоненты электрической цепи подключены (например, волновод к антенне): отношение импеданса определяет, какая часть волны передается вперед, а какая отражается. При подключении волновода к антенне обычно требуется полная передача, поэтому стараются согласовать их импедансы.

Несовпадение импеданса создает отраженную волну, которая, добавленная к приходящим волнам, создает стоячую волну. Несоответствие импеданса также можно количественно оценить с помощью коэффициент стоячей волны (КСВ или КСВ для напряжения), который связан с отношением импеданса и коэффициентом отражения посредством: V S W р = | V | м а Икс | V | м я п = 1 + | Γ | 1 − | Γ | < displaystyle mathrm = < frac <| V | _ < rm >> <| V | _ < rm >>> = < frac >> , куда | V | м я п / м а Икс < displaystyle left | V right | _ < rm >> - минимальное и максимальное значения напряжения абсолютная величина, а VSWR - это коэффициент стоячей волны по напряжению, значение которого 1 означает полное пропускание без отражения и, следовательно, без стоячей волны, в то время как очень большие значения означают высокое отражение и характер стоячей волны.

Электромагнитные волноводы

Радиочастотные волноводы

Волноводы могут быть сконструированы так, чтобы переносить волны через широкую часть электромагнитный спектр, но особенно полезны в микроволновая печь и оптический частотные диапазоны. В зависимости от частоты они могут быть построены либо из проводящий или же диэлектрик материалы. Волноводы используются для передачи обоих мощность и коммуникационные сигналы.

В этом военном радаре микроволновое излучение передается между источником и отражателем по волноводу. На рисунке показано, что микроволны покидают коробку в режиме круговой симметрии (позволяя антенне вращаться), затем они преобразуются в линейный режим и проходят через гибкий столик. Затем их поляризация поворачивается по закрученной ступени, и, наконец, они облучают параболическую антенну.

Оптические волноводы

Волноводы, используемые на оптических частотах, обычно представляют собой диэлектрические волноводы, структуры, в которых диэлектрик материал с высоким диэлектрическая проницаемость, и, следовательно, высокий показатель преломления, окружен материалом с более низкой диэлектрической проницаемостью. Структура направляет оптические волны полное внутреннее отражение. Примером оптического волновода является оптоволокно.

Также используются другие типы оптических волноводов, в том числе фотонно-кристаллическое волокно, который направляет волны с помощью любого из нескольких различных механизмов. Направляющие в виде полой трубы с сильно отражающей внутренней поверхностью также использовались в качестве световые трубы для освещения. Внутренние поверхности могут быть из полированного металла или могут быть покрыты многослойной пленкой, которая направляет свет через Отражение Брэгга (это частный случай фотонно-кристаллического световода). Можно также использовать небольшие призмы вокруг трубы, которые отражают свет за счет полного внутреннего отражения [2]- такое ограничение неизбежно несовершенно, поскольку полное внутреннее отражение никогда не может по-настоящему направлять свет в пределах ниже-индексный сердечник (в случае призмы часть света просачивается по углам призмы).

Акустические волноводы

An акустический волновод физическая структура для направления звуковых волн. Канал для распространения звука также ведет себя как линия передачи. Канал содержит некоторую среду, например воздух, которая способствует распространению звука.

Математические волноводы

Волноводы - интересный объект исследования со строго математической точки зрения. Волновод (или трубка) определяется как тип граничного условия в волновом уравнении, при котором волновая функция должна быть равна нулю на границе и что допустимая область конечна во всех измерениях, кроме одного (бесконечно длинный цилиндр является примером .) Из этих общих условий можно получить большое количество интересных результатов. Оказывается, что любая трубка с выпуклостью (где ширина трубки увеличивается) допускает по крайней мере одно связанное состояние, которое существует внутри модовых промежутков. Частоты всех связанных состояний можно определить по короткому по времени импульсу. Это можно показать с помощью вариационных принципов. Интересный результат Джеффри Голдстоун и Роберт Джаффе [13] состоит в том, что любая трубка постоянной ширины с закруткой допускает связанное состояние.

Звуковой синтез

Звуковой синтез использует цифровые линии задержки в качестве вычислительных элементов для моделирования распространение волн в тюбиках духовые инструменты и вибрирующие струны из струнные инструменты.

Волновод – полая или заполненная диэлектриком металлическая труба, в которой осуществляется направленное движение электромагнитного поля. В волноводе практически отсутствуют потери излучения. Потери проводимости в металле из-за отсутствия по сравнению с коаксиалом внутреннего провода, в волноводе меньше, чем в коаксиальной линии: волновод заполненный воздухом, имеет малые диэлектрические потери.

Волноводы чаще всего используют в диапазоне СВЧ, поскольку на этих частотах в коаксиальных кабелях имеется значительное затухание электромагнитных волн (передающие спутниковые антенны). На сантиметровых волнах линию во многих случаях заменяют волноводом, представляющим собой металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна. Стенки волновода играют роль экрана, не дающего электромагнитным волнам распространяться в разные стороны и заставляющего их перемещаться только вдоль волновода.

Также, волноводы используют для передачи мощности на большие расстояния (например в передающих ТВ антеннах, расположенных на телемачте).

Полосковый волновод

Полосковый волновод представляет собой плоские передающие линии, состоящие из двух или трех очень тонких проводников, отделенных друг от друга диэлектриком. Полосковые волноводы широко используются в технологии печатного монтажа. Обычно полосковые волноводы используются для следующих целей:
1. В качестве линий передачи высокочастотной мощности в диапазонах от сотен МГц до десятков тысяч МГц;
2. Для создания простых СВЧ-фильтров нижних и высоких частот;
3. Для разветвителей мощности;
4. В качестве перехода к коаксиальным линиям или к волноводным трактам. В полосковых волноводах используют высококачественные диэлектрики – флоропласт, полистирол, проводники выполняют из меди, в некоторых случаях из серебра.

Преимущества и недостатки волноводов

По сравнению с коаксиальной линией потери энергии в волноводе меньше, так как отсутствует внутренний провод и нет никаких изоляторов. Наибольшее напряжение в волноводе получается между диаметрально противоположными точками его внутренней поверхности, если волновод имеет круглое сечение), или между противоположными стенками, если его сечение прямоугольное. Расстояние между этими точками больше, чем расстояние между проводами в коаксиальной линии, и поэтому опасность пробоя при высоких напряжениях значительно меньше.

Однако волноводы имеют свой недостаток, который ограничивает их применение. В коаксиальной или симметричной линии могут распространяться волны любой частоты, а в волноводе возможно распространение только волн, у которых частота выше некоторой определенной величины, называемой критической частотой fKp. Иначе говоря, в волноводе могут распространятьея только волны, у которых длина короче некоторой критической длины волны (ламбда)кр. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Если волновод имеет диаметр 3 см, то критическая длина волны будет примерно (ламбда) —6 см. Более длинные волны через такой волновод распространяться не могут.

Вдоль волновода всегда наблюдается некоторое затухание волны, т. е. ее энергия постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что на внутренней поверхности стенок волновода создаются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев металла. Потери энергии отсутствовали бы только в случае стенок из идеального проводника.

Волновод — искусственный или естественный канал, способный поддерживать распространяющиеся вдоль него волны, поля которых сосредоточены внутри канала или в примыкающей к нему области.

Содержание

Типы волноводов

Экранированные

Различают экранированные волноводы с хорошо отражающими стенками, к которым относят волноводы металлические, направляющие электромагнитные волны, а также коаксиальные и многожильные экранированые кабели, хотя последние обычно причисляют к линиям передачи (длинным линиям). Однако практически все типы волноводов следует рассматривать как разновидность линий передачи. К экранированым волноводам относят также волноводы акустические с достаточно жёсткими стенками.

Неэкранированные

В открытых (неэкранированных) волноводах локализация поля обычно обусловлена явлением полного внутреннего отражения от границ раздела двух сред (в волноводах диэлектрических и простейших световодах) либо от областей с плавно изменяющимися параметрами среды (например, ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звуковой канал). К открытым волноводам принадлежат и системы с поверхностными волнами, направляемыми границами раздела сред.

Свойства волноводов

Основное свойство волновода — существование в нём дискретного (при не очень сильном поглощении) набора нормальных волн (мод), распространяющихся со своими фазовыми и групповыми скоростями. Почти все моды обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты и отличаются от групповых скоростей.

В экранированном волноводе фазовые скорости обычно превышают скорость распространения плоской однородной волны в заполняющей среде (скорость света, скорость звука), эти волны называются быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Это так называемые утекающие волны. В открытых волноводах, как правило, распространяются медленные волны, амплитуды которых быстро убывают при удалении от направляющего канала.

Каждая мода характеризуется предельной частотой , называемой критической; мода может распространяться и переносить вдоль волновода поток энергии только на частотах , превышающих " width="" height="" />
. Однако в некоторых случаях (многопроводные линии передачи, полые акустические волноводы) существуют моды, для которых =0" width="" height="" />
, их называют главными или квазистатическими.

$~\omega$

При больших волновод становится сверхразмерным (поперечные размеры волновода значительно превышают длину волны): тогда в нём одновременно распространяется множество мод, которые при определённых соотношениях между амплитудами и фазами могут группироваться в лучи. Пульсируя вдоль волновода, они периодически то отражаются, то отрываются от его стенок. В местах отрыва стенки можно убрать, заменив волноводы последовательно расставленными отражателями. Такие, а также аналогичные им линзовые системы относят квазиоптическим волноводам или к квазиоптическим линиям передачи (см. Квазиоптика).

Читайте также: