Основные типы длинных линий. Колебательные системы с распределенными параметрами (10-11 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 10

В круглом волноводе с радиусом Rволны обладают теми же свойствами и обозначаются так же, как и волны в прямоугольном волноводе. Однако индексы т и п, характеризующие структуру поля в поперечном сечении волновода, для круглого волновода трактуются несколько иначе, чем для прямоугольного. Индекс т (т = 0, 1, 2, ...) в круглом волноводе определяет зависимость структуры поля моды от угла φ. Он указывает число равных секто­ров с повторяющейся структурой поля, на которые разбивается окружность поперечного сечения волновода (см. рис. 10.11, б). Та­ким образом, поле моды периодично по углу φ с периодом 2π/т. Если т = 0, то поле моды не зависит от угла φ, обладая осевой симметрией. Индекс п (п = 1, 2, 3, ...) равен числу вариаций поля, укладывающихся вдоль радиуса волновода.

Критические длины волн для различных колебательных мод в круглом волноводе рассчитываются с использованием функций Бесселя и их производных. Низшим типом волны в круглом волноводе является магнитная мода Н₁₁. На рис. 10.12 показана струк­тура поля в плоскостях поперечного и продольного сечения кругло­го волновода для различных мод. Для моды Н₁₁λ_кр = 3,41 R, где R — радиус волновода. Ближайшей к ней по критической длине волны является электрическая мода Е₀₁ (см. рис. 10.12, в), для которой λ_кр = 2,62 R. Основные параметры волн в круглом волноводе рас­считываются по тем же формулам (10.4) —(10.6), что и для прямо­угольного волновода.

На рис. 10.12 знаки х и • указывают точки входа и выхода сило­вых линий вектора Е, перпендикулярных плоскости рисунка.

Рис. 10.12. Структура поля в круглом волноводе:

а, в, г — в поперечном сечении для мод Н₁₁, Е₀₁, Н₀₁; б — в продольном сечении для моды Н₁₁

Мода Н₁₁в круглом волноводе по структуре похожа на моду Н₁₀ в прямоугольном волноводе. Одномодовый режим в круглом волноводе возможен при условии 2,61R < λ < 3,41R. Недостатком структуры поля моды Н₁₁ является ее неустойчивость относитель­но вращения вокруг оси волновода. При наличии каких-либо неод-нородностей или нарушений формы поперечного сечения круг­лого волновода структура поля как единое целое поворачивается вокруг оси волновода. Это приводит к изменению пространствен­ной ориентации поперечных компонентов векторов Е, Н  и, как следствие, к уменьшению величины сигнала на входе приемни­ка, подключенного к волноводной линии передачи, так как вход приемника согласован с пространственной структурой поля в вол­новоде. Вследствие этого мода Н₁₁ в круглом волноводе редко ис­пользуется для передачи радиосигналов.

Для устранения отмеченного недостатка вместо круглого волно­вода используется эллиптический волновод (см. рис. 10.6, в), на котором основной тип волны подобен по структуре поля волне Н₁₁ в круглом волноводе, но благодаря специальной форме попереч­ного сечения волновода ориентация поперечных компонентов век­торов Ё и Н остается устойчивой по отношению к допустимым неоднородностям поверхности волновода. Для питания антенн из­готавливаются гибкие гофрированные эллиптические волноводы.

Поле моды Е₀₁ в круглом волноводе обладает осевой симмет­рией (см. рис. 10.12, б). Благодаря этому они используются во вра­щающихся сочленениях СВЧ-тракта.

В круглом волноводе интересным для практического использова­ния свойством обладает поле магнитной моды Н₀₁ (см. рис. 10.12, в). У него на стенках волновода отлична от нуля только продольная компонента магнитного поля Н_zкоторая стремится к нулю при λ_в/R→0. Следовательно, с повышением частоты магнитное поле у стенок становится незначительным, соответственно уменьшают­ся наводимые им поверхностные токи на стенках и падают теп­ловые потери. Благодаря этому мода Н₀₁ обладает наименьшим затуханием в круглом волноводе. Так, в волноводе с R = 25 мм при f > 11 ГГц коэффициент затухания составляет менее 10 дБ/км. Однако использование этой моды для передачи энергии затруд­нительно, так как она не является низшим типом колебаний. Вместе с модой Н₀₁ в круглом волноводе одновременно могут возбуж­даться моды Н₁₁, Е₀₁, Е₁₁ и Н₂₁. Реально существующие неодно­родности формы и внутренней поверхности волновода могут при­водить к преобразованию указанных мод друг в друга (обмену между ними энергией), искажению сигналов и увеличению потерь энер­гии. Поэтому для обеспечения условий распространения в круг­лом волноводе только моды Н₀₁необходимо применять специаль­ные конструктивные меры, затрудняющие устойчивое распрост­ранение в волноводе всех других более низших мод.

Потери в металлических волноводах. В реальных полых металли­ческих волноводах волны при распространении испытывают зату­хание. Существуют три причины потерь энергии волн в закрытых полых волноводах: на тепло при протекании поверхностных токов по металлическим стенкам волновода; в диэлектрике, заполняю­щем внутреннее пространство волновода; в местах соединения двух отрезков волновода.

Тепловые потери вызваны протеканием токов проводимости, наводимых магнитным полем волны, по внутренней поверхности стенок волновода. В качестве материала для стенок волноводов выбирают металлы с высокой проводимостью и низкой относи­тельной магнитной проницаемостью: медь, алюминий, латунь. Если одним из основных требований является достижение малых по­терь, то внутреннюю поверхность волновода покрывают тонким слоем серебра или золота. Золото к тому же обладает высокой кор­розионной стойкостью и обеспечивает долгий срок службы вол­новодов в сложных эксплуатационных условиях. Иногда корпус волновода изготавливают из диэлектрика (пластмассы), покры­вая внутреннюю поверхность стенок слоем высокопроводящего металла, толщина которого в рабочем диапазоне частот волново­да должна в 3... 5 раз превышать толщину скин-слоя. Если к конст­рукции волновода предъявляются требования высокой стабиль­ности размеров, то для их корпусов используются материалы с низким температурным коэффициентом теплового расширения, такие, как ковар или инвар. Разумеется, и в этом случае внутрен­няя поверхность волновода покрывается слоем высокопроводя­щего металла.