для чего нужны волноводы

Назначение и устройство волноводов

Для канализации энергии электромагнитных волн между со­ставными частями аппаратуры радиостанций на коротких, метро­вых, волнах и в значительной части диапазона дециметровых волн служат симметричные и коаксиальные линии. Но на сантиметро­вых волнах и в ряде случаев на верхней части дециметрового диа­пазона от двухпроводных линий приходится отказываться из-за чрезмерных потерь на излучение (в случае симметричных конст­рукций) и в центральном проводе (в случае коаксиальных конст­рукций). В этих диапазонах более выгодны волноводы.

Преимущества волноводов перед кабелями можно видеть в следующем. Во-первых, в волноводе нет внутреннего провода и изоляторов для его поддержки; ведь именно в них происходят ос­новные потери в коаксиальной линии. Во-вторых, при одинаковых размерах волновод позволяет передавать волны большей мощно­сти, нежели кабель, без опасности пробоя, так как расстояния между противоположными точками стенок волновода больше, чем между центральным проводом и стенкой коаксиальной линии. В-третьих, волновод, в отличие от симметричной линии и подобно коаксиальной линии, имеет полную экранировку, исключающую воздействие внешних полей и потери на излучение.

Но волноводы, в отличие от симметричных или коаксиальных линий, способны пропускать волны не длиннее некоторого критиче­ского значения, определяемого формой и размерами сечения тру­бы. Для канализации волн длиннее 15—20 см размеры сечения-трубы оказались бы неприемлемо большими. Прямоугольные волноводы изготовляются обычно в виде цельнотянутых металлических труб. В качестве материала применяются немагнитные материалы с хорошей проводимостью — медные, латунные и алюминиевые. На величину потерь мощности существенное влияние оказывает качество обработки внутренней поверхности стенок волновода. Тщательная ее полировка снижает затухание на 15¸20 %. Часто внутренняя поверхность волновода покрывается золотом, серебром, палладием для предотвращения коррозии и сохранения характеристик волновода на длительный срок. Для снижения металлоемкости и массы волновода его можно изготавливать из пластмассы, а внутреннюю поверхность и соединительные фланцы металлизировать медью, серебром. Для придания гибкости прямоугольному волноводу применяются гофрированные прямоугольные секции.

Применяются волноводы как прямоугольного, так и круглого сечения.

а) прямоугольный волновод,б) круглый волновод, в) гибкий волновод

Если необходимо подвижное соединение двух частей аппаратуры с помощью волновода, то можно применить гибкую конст­рукцию волновода (рис.1.в).Такой отрезок волновода имеет сетчатые проволочные стенки, размеры ячеек которых гораздо меньше длины передаваемой волны. Могут быть также гибкие волноводы с гофрированными стенками.

Типы электромагнитных волн, распространяемых в волноводах.

Поясним на примере прямоугольного волновода простей­шим способом передачу волн и существование критической длины-волны.

Распространяющаяся в волноводе электромагнитная волна ха­рактеризуется векторами напряженности электрического (Е) и маг­нитного (Н) полей. В прямоугольной системе координат каждый из этих векторов может быть разложен на три составляющие по осям х, у, z(рис. 2, а).

Для распространения волны необходимо, чтобы одна из про­дольных составляющих (т.е. направленных вдоль оси х) вектора Е или Н была бы отлична от 0.

Поперечная волна, т.е. волна, не имеющая продольной состав­ляющей, в волноводе распространяться не может. Волны, распро­страняющиеся в волноводе, делятся на две группы: электриче­ские и магнитные.

В электрической волне вектор Е помимо поперечных составля­ющих имеет еще и продольную. При этом вектор Н не имеет про­дольной составляющей. Поэтому такую волну называют еще поперечно-магнитной. Обозначается она как Е-волна или ТН-волна (Т — первая буква английского словаtransvers— «поперечный»).

Рис.2. Прямоугольный волновод:

а) внешний вид; б) распространение волны

В магнитной волне вектор Н помимо поперечных составляющих имеет еще и продольную. При этом вектор Е не имеет продольной составляющей. Поэтому такую волну называют еще поперечно-электрической. Обозначается она как Н-волна или ТЕ-волна.

Волна любого типа, распространяющаяся в волноводе, может быть представлена в виде комбинации нескольких плоских волн, каждая из которых распространяется по зигзагообразной траекто­рии под некоторым углом θ к продольной оси волновода, попе­ременно отражаясь от его противоположных металлических сте­нок. Распространение одной такой плоской волны показано на рис.2, б. Чем больше длина волны λ, тем больше угол падения θ. При θ = 90° процесс распространения энергии вдоль волновода прерывается: волна как бы «прыгает» от одной стенки к другой, не продвигаясь вперед. Для каждого типа волны существует кри­тическое значение длины волны λ_кр. Распространение волны вдоль волновода возможно только при выполнении условия λ

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 660 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Волновод (электромагнетизм)

Набор стандартных волноводных компонентов.

Классическая электродинамика

Магнитное поле соленоида

Электричество · Магнетизм

Электростатика Закон Кулона Теорема Гаусса Электрический дипольный момент Электрический заряд Электрическая индукция Электрическое поле Электростатический потенциал Магнитостатика Закон Био — Савара — Лапласа Закон Ампера Магнитный момент Магнитное поле Магнитный поток Электродинамика Диполь Потенциалы Лиенара — Вихерта Сила Лоренца Ток смещения Униполярная индукция Уравнения Максвелла Электрический ток Электродвижущая сила Электромагнитная индукция Электромагнитное излучение Электромагнитное поле Электрическая цепь Закон Ома Законы Кирхгофа Индуктивность Радиоволновод Резонатор Электрическая ёмкость Электрическая проводимость Электрическое сопротивление Электрический импеданс Ковариантная формулировка Тензор электромагнитного поля Тензор энергии-импульса 4-ток · 4-потенциал Известные учёные Генри Кавендиш Майкл Фарадей Андре-Мари Ампер Густав Роберт Кирхгоф Джеймс Клерк (Кларк) Максвелл Генри Рудольф Герц Альберт Абрахам Майкельсон Роберт Эндрюс Милликен

См. также: Портал:Физика

В диэлектрическом волноводе работает твердый диэлектрический стержень, а не полая труба. В оптическом волокне он является диэлектриком, применение которого предназначено для работы на оптических частотах. Линии передачи, такие как микрополосковые, копланарные волноводы, полосковые или коаксиальные кабеля могут также считаться волноводами.

Электромагнитные волны в (металлической трубе) волновода можно представить как путешествие их вниз по направляющей по зигзагообразному пути, испытывая многократное отражение между противоположными стенками направляющей. Для каждого конкретного случая, вида прямоугольного волновода, можно применить базу, точный анализ, расчёт. Распространения волн в диэлектрических волноводах можно рассматривать, как прохождение волн, которые ограничиваются диэлектриком в режиме полного внутреннего отражения от его поверхности. Некоторые структуры, такие как нерадиационные диэлектрические волноводы и Goubau линии используют металлические стены и диэлектрические поверхности, ограничивающие волны.

Содержание

История

Первый волновод был предложен J. J. Thomson в 1893 году и экспериментально проверена Оливер Лодж в 1894 г.; математический анализ режимов, распространяющихся внутри полого металлического цилиндра, который был впервые исполнен Лорд Рэлей в 1897 году. (McLachan, 1947)

Принцип работы

Пример волноводов и диплексеров [2] в РЛС (радиолокационная станция) управлении воздушным движением

В зависимости от частоты, волноводы могут быть изготовлены либо из проводящих или диэлектрических материалов. Как правило, чем ниже частота, то участвует больше волновод. Например, в естественном волноводе земля формы даны размеры между проводящей ионосферой и землей, а также по окружности срединной высоты Земли, частота является резонансной величиной в 7,83 Гц. Это известно как резонанс Шумана. С другой стороны, волноводы, используемые с крайне высокой частототой (КВЧ) связь может быть меньше миллиметра в ширину.

Анализ

Представление вектора электрического поля волны циркулярно поляризованного электромагнитного излучения.

Электромагнитные волноводы анализируются путем решения уравнений Максвелла или в виде их в уменьшенном виде — анализ электромагнитного волнового уравнения с граничными условиями определяется свойствами материалов и их интерфейсов. Эти уравнения имеют множество решений, или режимов, которые являются собственными функциями уравнения системы. Каждый режим характеризуется частотой среза, ниже которого режим не может существовать в руководстве.

Волноводные режимы распространения зависят от операционной длины волны и поляризации, а также от формы и размеров проводника. В режиме продольных колебаний волновода является особая стоячая волна, рисунок волн в ограниченном объеме полости. В виде поперечных мод волноводы подразделяются на разные типы:

В полых волноводах (одножильный), применение TEM волны не представляется возможным, поскольку уравнения Максвелла дадут, что электрическое поле должно иметь ноль нулю дивергенции и ротора и равна нулю на границах, в результате чего в нулевом поле (что эквивалентно, при граничных условиях, гарантирующих только тривиальное решение). Однако, TEM волны могут распространяться в коаксиальных кабелях, потому что есть два проводника.

В режиме с низкой частотой среза они являются доминирующей формой справочника. Обычно, чтобы выбрать размер, руководствуются, что только этот режим может существовать в полосе частот работы. У прямоугольныех и круглых (полая труба) волноводах, доминирующий режимы места — режим и — режим это режимы соответственно.

Полые металлические волноводы

Прямоугольный полый волновод

Гибкий волновод J-Band radar

В микроволновой области электромагнитного спектра, волноводе, как правило, состоит из полого металлического проводника. Эти волноводы могут принимать форму единых жил, с или без диэлектрического покрытия, например, Goubau линии и спиральные волноводы. Полые волноводы должны составлять половину длины волны или больше в диаметре, чтобы поддерживать одну или более поперечных волновых мод.

Волноводы можгут быть наполнены газом под давлением для подавления дуги и предотвращения multipaction, что позволяет передачам более высокой мощности. И наоборот, от волноводов может быть потребовано, чтобы быть эвакуироваными как часть эвакуированных систем (например, систем электронного пучка).

Щелевой волновод обычно используется для радиолокационных и других подобных приложений. Структуры волновода имеют возможность локализации и поддержки энергии электромагнитной волны определенной, сравнительно узкой и с контролируемым путём.

Размеры полого металлического волновода определяются длинами волн, которые он может поддерживать, и в каких режимах. Обычно волновод работает так, что только один режим присутствует. Низшей категории моды можно в целом выбрать. Частоты ниже гида частоты среза не будет распространяются. Можно работать с волноводвми на более на режимах на порядок выше, или с несколькими режимами, но это, как правило, нецелесообразно.

Волноводы бывают почти исключительно из металла и, в основном, жесткой конструкции. Существуют определенные типы «гофротара» волноводов, которые имеют способность гнутся и гнутся, но используется только в самых необходимых случаях, поскольку они ухудшают свойства распространения. Из-за распространения энергии в основном в воздушном пространстве или пространстве внутри волновода, это одна из самых низких потерь линии передачи и это более предпочтительно для высокочастотных применений, где большинство других типов передачи структуры имеют большие потери. Из-за скин-эффекта на высоких частотах, электрический ток вдоль стены проникает, как правило, всего на несколько микрометров в металл внутренней поверхности. Так как это, где большинство резистивных потерь происходит, важно, что проводимость внутренней поверхности находиться как можно выше. По этой причине у большинства волновода внутренние поверхности с покрытием из меди, серебра или золота.

Волноводы на практике

На практике, волноводы выступают в качестве эквивалента кабелей для сверх высокой частоты (СВЧ) систем. Для таких приложений для работы волноводов требуется только один режим, распространяющийся по волноводу. У прямоугольных волноводов возможна конструкция волновода такой, что Частотный диапазон, в течение которого только один режим распространяется составляет 2:1 (т.е. соотношение верхнего края полосы до нижнего края полосы — это два). Связь между длинной волны, которая будет распространяться через прямоугольный волновод является простой. Учитывая, что W представляет собой наибольшую из двух измерений, и лямбда — это длина волны, затем лямбда = 2W.

Круглые волноводы, для максимально возможной пропускной способностью позволяют только один режим для распространения, только 1.3601:1. [3]

Поскольку прямоугольные волноводы имеют гораздо большую пропускную способность, которая может распространяться только с одним режимом; существуют стандарты для прямоугольных волноводов, но не для круглых волноводов. В общем (но не всегда), стандартные волноводы спроектированы таким образом, что:

Первое условие, чтобы разрешить его приложение вблизи границы полосы пропускания. Второе условие ограничивает дисперсию, явление, в котором скорость распространения является функцией частоты. Это также ограничивает потери на единицу длины. Третье условие — это чтобы избежать затухание волны — сцепного устройства с помощью более высокого порядка режимов. Четвертое условие — это то, что бы позволить 2:1 операцию пропускной способности. Хотя можно иметь 2:1 рабочей полосы пропускания, когда высота меньше половины ширины, по высоте ровно половину ширины, тогда максимальная мощность может распространяться внутри волновода до пробоя диэлектрика.

Ниже приведена таблица стандартов волноводов. Волновод имя WR стенды для прямоугольного волновода, а число — это внутреннее измерение ширины волновода в сотых долях дюйма (0,01 дюйма = 0.254 мм), округленное до ближайшей сотой дюйма.

* Радио Компоненты Комитета По Стандартизации † По историческим причинам снаружи, а не внутри размеры этих волноводов 2:1 (с толщиной стенки WG6-WG10: 0.08″, WG11A-WG15: 0.064″, WG16-WG17: 0.05″: WG18-WG28: 0.04″) [5] ‡ Не международный стандарт § Устаревшие

Для частот в таблице выше, главное преимущество волноводов над коаксиальными кабелями волноводов является то, что имеется поддержка распространения волны с меньшей потерей. Для низких частот волновода размеры становятся непомерно большим, и для более высоких частот размеры становятся непомерно малыми (производство толерантности становится значительной частью размера волновода).

Диэлектрические волноводы

Диэлектрический стержень и плиты волноводов используются для проведения радиоволн, в основном миллиметровых волн и выше. [6] [7] These confine the radio waves by total internal reflection from the step in refractive index due to the change in dielectric constant at the material surface. [8] At millimeter wave frequencies and above, metal is not a good conductor, so metal waveguides can have increasing attenuation. At these wavelengths dielectric waveguides can have lower losses than metal waveguides. Optical fiber is a form of dielectric waveguide used at optical wavelengths.

One difference between dielectric and metal waveguides is that at a metal surface the electromagnetic waves are tightly confined; at high frequencies the electric and magnetic fields penetrate a very short distance into the metal. In contrast, the surface of the dielectric waveguide is an interface between two dielectrics, so the fields of the wave penetrate outside the dielectric in the form of an evanescent (non-propagating) wave. [8]

Одно из различий между диэлектрической постоянной и металлическими волноводами заключается в том, что на поверхности металла электромагнитные волны жестко ограничено; на высоких частотах электрического и магнитного полей они проникают на очень коротком расстоянии в металл. В отличие от поверхностного диэлектрического волновода, который является интерфейсом между двумя диэлектриками, поля волн проникают вне диэлектрика в виде затухающих (не распространяющихся) волн. [8]

См. также

Примечания

Эта статья частично основана на материалах Федеральный Стандарт 1037C и от MIL-STD-188, и АТИС

Источник