Радіохвилевід
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Радіохвилевід

Радіохвилевід, діелектричний канал (система напрямної) для поширення радіохвиль . Бічна поверхня каналу є кордоном розділу двох середовищ, під час переходу через яку різко міняються діелектричні e або магнітна m проникність і електропровідність s. Бічна поверхня може мати довільну форму, але найширше застосовуються циліндрові Р., зокрема циліндрові металеві порожнини, заповнені повітрям або яким-небудь газом. Поперечний перетин металевого Р. буває прямокутним, круглим, П- і Н-образнім і т.п. ( мал. 1 ). Зазвичай до Р. відносять лише канали з одинзв'язним перетином; поширення радіохвиль в каналах з дву- і багатозв'язковими перетинами розглядається в теорії довгих ліній (наприклад, двопровідна коаксіальна лінія; мал. 1 , д).

загрузка...

  Можна показати, що усередині Р. уздовж його осі поширюється хвилеве поле, яке є результатом багатократного віддзеркалення хвиль від внутрішніх стінок Р. і інтерференції відбитих хвиль. Це визначає головну особливість Р., який полягає в тому, що поширення хвиль в них можливо лише в тому випадку, якщо поперечні розміри Р. порівнянні з довжиною хвилі l або більше l. Наприклад, для l = 30 см більший розмір а перетини прямокутного Р. близько 20—25 див. Це обумовлює вживання Р. головним чином в області надвисоких частот .

  Р. служать направляючими системами в радіолокаціях і ін. станціях для передачі енергії від передавача в передавальну антену, від приймальні антени до радіоприймачу . система Напрямної на СВЧ(надвисокі частоти) має вигляд хвилеводного тракту, що складається з відрізань Р., різних формою і розмірам поперечних перетинів; кутових вигинів; з'єднань, що обертаються, і багатьох ін. хвилеводних вузлів ( мал. 2 ). Для зчленування Р. різних поперечних перетинів застосовуються плавні хвилеводні переходи із змінним перетином (наприклад, рупорний перехід 2, мал.(малюнок) 2 ).

  Основною перевагою металевих Р. в порівнянні з двопровідною симетричною і коаксіальною лініями є крихта втрат на СВЧ(надвисокі частоти); це обумовлено практичною відсутністю випромінювання енергії в навколишній простір і тим, що при однакових зовнішніх розмірах Р. і, наприклад, двопровідній лінії поверхня Р., по якому течуть електричні струми (при поширенні хвилі), завжди більше, ніж поверхня провідників двопровідної лінії. Оскільки глибина проникнення струмів визначається скін-ефектом, то щільність струмів, а отже, і втрати на джоуль тепло в Р. менше, ніж в лінії. Недоліки Р.: наявність нижньої межі частот, що пропускаються (див. нижчий); громіздкість конструкції на дециметрових і довших хвилях; необхідність великої точності виготовлення і спеціальної обробки внутрішньої поверхні стінок; складність монтажу.

  Оскільки поперечні розміри Р. порівнянні з l, то завдання про поширення і збудження в них електромагнітного поля вирішується на основі інтеграції Максвелла рівнянь за заданих граничних умов і джерел поля. Методи вирішення цих завдань складають вміст теорії Р. В разі прямокутного Р. ( мал. 3 ) для будь-якої з проекцій f електричного Е і магнітного Н полів теорія приводить до хвилевого рівняння:

      (1)

де до = 2p/l = w/с — хвилеве число, w — частота коливань, з — швидкість світла. Вирішення цього рівняння для нескінченно довгого прямокутного Р. приводить до наступних виразів для комплексних амплітуд проекцій векторов Е і Н:

 

 

     (2)

  Тут а і b — розміри поперечного перетину прямокутного Р., m і n — будь-які позитивні цілі числа, A x , A в A z , B x , B в , B z постійні визначувані умовами збудження Р. Постоянная поширення g, визначена з (2) і (1), рівна:

     (3)

  Наявність тригонометричних множників в (2) говорить про утворення стоячих хвиль в напрямах, перпендикулярних стінкам Р. Касательниє складові електричного поля на стінках мають вузли, а нормальні — пучності. Числа m і n визначають число півхвиль, що укладаються відповідно уздовж розмірів а і b. Чим більше m і n , тим складніше поле в перетині Р.

  В Р. хвилеве поле є сумою полів безконечної безлічі типів хвиль. Всі типи хвиль підрозділяються на три класи: ТІ (або Н ) -волни, ТМ (або Е ) - хвилі і ТИМ -волни; Т означає поперечность (трансверсальність). Кожен тип хвиль має свою структуру поля: у ТІ -волнах електричне поле зводиться лише до поперечних складових, але магнітне поле має і подовжню, і поперечну складові; ТМ -волни мають лише поперечні складові магнітного поля; подовжню складову має лише електричне поле; ТЕМ- хвилі взагалі не мають подовжніх складових поля і можуть існувати лише в багатозв'язкових Р. Волни з різними m і n записуються у вигляді Tmmn і Temn (ілі Emn , Hmn ). Хвилі з найменшими індексами m і n називаються простими. В разі ТМ -волн ( H z = 0) простою хвилею є хвиля ТМ 11 ( мал. 4 ).

  Хвилі ТМ 10 і ТМ 01 неосуществіми, т.к. магнітниє силові лінії мають бути замкнутими. Складніші хвилі виникають, якщо збільшити поперечні розміри Р. або частоту коливань так, щоб уздовж розмірів а і b укладалася більш ніж одна півхвиля. При цьому поперечний перетин Р., подібно до мембрани, що коливається, виявляється розбитим на вічка, тотожні по структурі поперечному перетину хвилі ТМ 11 ( мал. 5 ).

  В разі ТІ -волн ( Е 32 = 0) можливе існування хвиль при m = 0, n ¹ 0 або n = 0, m ¹ 0, т.к. лінії електричного поля можуть бути прямими, що починаються на протилежних стінках Р. ( мал. 6 , 7 ). З хвиль TE 10 і ТІ 11 як з вічок, складаються всі складні типи ТЕ- хвиль ( мал. 8 ).

  Множник е - gz визначає зміни амплітуди і фази хвилі при поширенні її уздовж осі Р. Прі відсутності втрат має бути чисто уявною величиною: g = i а, тобто . Це відповідає умові для частоти:

яке означає, що Р. пропускає без загасання лише вагання з частотою вище за деяку граничну частоту w гр ; їй відповідає критична довжина хвилі l кр . Гранична частота w гр тим вище, чим менше а і b, тобто розміри Р. Прі заданій робочій частоті w потрібні тим більші розміри Р. а і b , чим більше m і n , тобто чим складніше хвиля.

  Довжина хвилі в Р. Л виявляється більшим, ніж у вільному просторі:

.     (5)

  Фазова швидкість поширення хвилі в Р. рівна:

,     (5a),

тобто завжди більше швидкості світла і залежить від частоти коливань. Це означає, що в Р. має місце дисперсія хвиль, що вносить спотворення до передаваних сигналів тим більше, чим ширше спектр їх частот.

  Загасання хвилі в Р. описується речовою частиною комплексною постійною поширення g = b + i а і пояснюється в реальних Р. втратами в стінках і в діелектрику, що заповнює Р.. У «ідеальних» (без втрат) Р., якщо w < w гр , електромагнітне поле затухає без втрат енергії (за рахунок повного віддзеркалення). У Р. можна працювати лише на одному першому типові хвилі, вибравши розміри Р. певним чином (наприклад, для прямокутного Р. і хвилі H 10 ), вибравши величину а із співвідношення а < l < 2 а ). Зазвичай беруть а = 0,72 см , що дає: а = 72 мм на l = 10 см ; а = 23 мм на l = 3,2 см (див. таблиці.).

  Сукупність двох класів хвиль магнітного і електричного типів в кожному Р. утворює повну систему хвиль. Це означає, що в Р. можуть поширюватися електромагнітні поля лише таких структур, які можуть бути представлені як результат суперпозиції волі магнітного і електричного типів.

  Для Р. круглих перетинів основним рівнянням замість (1) стає Бесселя рівняння з рішеннями у вигляді циліндрових функцій. У круглому Р. також можна вибрати діаметр Р. для роботи лише на одному першому типові хвилі (див. таблиці.). Проте не завжди перший тип хвилі виявляється найбільш зручним. Наприклад, через осьову симетрію полів в хвиль ТМ 01 і TE 01 в круглому Р. ( мал. 9 , 10 ) ці хвилі застосовують в з'єднаннях, що обертаються. На мал. 11 і 12 показані структури поля хвиль ТМ 11 і ТІ 11 в круглому Р. Прімененіє хвиль з відносно малим l кр скрутно, т.к. прі забезпеченні умов поширення для них одночасно в Р. поширюватимуться і всі попередні «непотрібні» типи хвиль.

  Критичні довжини хвиль Х для прямокутних і круглих радіохвилеводів

Тип хвилі

Прямокутний хвилевід

Круглий хвилевід

Te 10

Te 20

Te 10

Te 11

Tm 01

Te 21

Tm 11

Te 01

l кр

2a

а

2b

3,41r

2,61r

2,06r

1,64r

1,64r

 

 Хвиля TE 01 в круглому Р. володіє тією винятковою властивістю, що втрати на стінках Р. безперервно зменшуються з укороченням l. Користуючись цим, можна будувати хвилеводні лінії зв'язку в діапазоні міліметрових хвиль з ретрансляційними станціями через 50—60 км. По цих лініях можна передавати до 1500 телефонних і 100 телевізійних каналів. Основна трудність полягає в забезпеченні необхідної «чистоти» поля хвилі ТІ 01 по всій лінії усуненням ін. типів хвиль, що виникають під впливом різного роду неоднородностей. У Р. з втратами поняття різкого кордону пропускання при w гр втрачає простий сенс. У Р. з втратами проходят хвилі (хоча і слабо) «за критичною хвилею» l > l кр , розрахованою для Р. без втрат.

  Для передачі сантиметрових і міліметрових хвиль можуть служити діелектричні Р., де поверхнею розділу, що направляє хвилю, служить внутрішня поверхня діелектричного стрижня. Діелектричні Р. чутливі до зовнішніх дій і мають додаткові втрати, пов'язані з просочуванням енергії за межі Р., що утрудняє їх практичне вживання.

  Р. з поверхневою хвилею є металеву стрічку або циліндровий провідник, на яких розташовуються ребриста структура або діелектричне покриття ( мал. 13 ). Уздовж такого Р. можуть поширюватися хвилі різних типів, наприклад ТМ 10 . Енергія поля зосереджена в навколишньому просторі: радіус поля (відстань, на якому полі ще відчутно) залежить від ширини стрічки і її провідності і швидко зменшується з укороченням l. Р. з поверхневою хвилею володіють меншим загасанням, чим металеві Р., простіше по конструкції і дозволяють передавати великі потужності в широкому діапазоні частот. Недоліки цих Р. пов'язані з тим, що поле поверхневої хвилі оточує Р. зовні: різні неоднорідності (деформації Р., кріплення, з'єднання, навколишні предмети) приводять до випромінювання, тобто до втрат енергії. Не дивлячись на це, Р. з поверхневою хвилею застосовуються як направляючі системи і як випромінюючі елементи в антенах дециметрових, сантиметрових і міліметрових хвиль.

  Застосовуються 3 способи збудження поля в Р.: лінійним провідником із струмом (штирем), витком і через отвір в бічній стінці або торці Р. Штирь розташовують паралельно електричним силовим лініям, плоскість витка — перпендикулярно магнітним силовим лініям. Щілина або отвір прорізають в металевій поверхні по ходу магнітних силових ліній на цій поверхні. При цьому для більшого зв'язку елементи збудження розташовують в пучностях електричне або магнітне поля ( мал. 14 ).

  Узгодження відрізань Р. один з одним і з навантаженням здійснюється з допомогою т.з. елементів ( мал. 15 ), що погоджують, у вигляді комбінацій пасивних штирів, індуктивних або ємкісних діафрагм, а також у вигляді плавних переходів із змінним перетином. Недоліком більшості пристроїв, що погоджують, є їх мала діапазонность: узгодження удається забезпечити, як правило, в смузі частот 1—2% і лише в деяких випадках близько 10—20% від w.

  Практичне значення має питання про передачу по Р. великих потужностей. Р. з розмірами перетину, відповідними поширенню хвиль лише першого типа, може пропустити потужність лише порядка 3—4 Мвт. Якщо ж розміри перетину Р. при заданій довжині хвиль узяти великими, то в нім поширюватимуться і вищі типи хвиль.

  Літ.: Введенський Би. А., Аренберг А. Р., Радіохвилеводи, ч. 1, М. — Л., 1946: Кисунько Р. Ст, Електродинаміка порожнистих систем, Л., 1949; Вайнштейн Л. А., Дифракція електромагнітних і звукових хвиль на відкритому кінці хвилеводу, М., 1953; Скарбників Ю. І., Широкосмугова телекомунікація по хвилеводах, М., 1959; Коган Н. Л., Машковцев Би. М., Цибізов До. Н., Складні хвилеводні системи, Л., 1963; Теорія ліній передачі надвисоких частот, пер.(переведення) з англ.(англійський), під ред. А. І. Шпунтова, ч. 1—2, М., 1951; Гуревіч А. Р., Порожнисті резонатори і хвилеводи. Введення в теорію, М., 1952; Льовін Л., Сучасна теорія хвилеводів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1954; Ширман Я. Д., Радіохвилею води і об'ємні резонатори, М., 1959; Вайнштєїн Л. А., Електромагнітні хвилі, М., 1957; Каценеленбаум Би. З., Високочастотна електродинаміка, М., 1966; Лебедев І. Ст, Техніка і прилади СВЧ(надвисокі частоти), 2 видавництва, т. 1, 1970: Харвей А. Ф., Техніка надвисоких частот, М., 1968; Фельдштейн А. Л. і ін., Довідник по елементах хвилеводної техніка, М., 1967.

  І. Ст Іванов.

Мал. 12. Структура поля хвилі ТЕ 11 в круглому хвилеводі.

Мал. Форми поперечного перетину деяких хвилеводів (а, би, в, г) і коаксіальної двопровідної лінії (д).

Мал. 14. Способи збудження хвилі ТЕ 10 : а — штирем; би — витком; у — отвором.

Мал. 4. Структура поля хвилі ТМ 11 в прямокутному хвилеводі.

Мал. 5. Структура поля хвилі ТМ 32 в прямокутному хвилеводі.

Мал. 13. Радіохвилевід з поверхневою хвилею: а — з ребристою поверхнею; б — з діелектричним покриттям.

Мал. 8. Структура поля хвиль ТЕ 20 (а) і ТЕ 21 (б) в прямокутному хвилеводі.

Мал. 6. Структура поля хвилі ТЕ 10 в прямокутному хвилеводі.

Мал. 11. Структура поля хвилі ТМ 11 в круглому хвилеводі.

Мал. 10. Структура поля хвилі ТМ 11 в круглому хвилеводі.

Мал. 3. Прямокутний хвилевід.

Мал. 2. Схема хвилеводного тракту: 1 — генератор СВЧ(надвисокі частоти); 2 — рупорний перехід; 3, 6 — відрізки прямокутних хвилеводів; 4 — кутовий вигин; 5 — з'єднання, що обертається; 7 — рупорна антена.

Мал. 15. Елементи, що погоджують: а — реактивний штир; би — індуктивна діафрагма; у — ємкісна діафрагма; г — плавний перехід із змінним перетином.

Мал. 9. Структура поля хвилі ТМ 01 в круглому хвилеводі.

Мал. 7. Структура поля хвилі ТЕ 11 в прямокутному хвилеводі.