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

Реальная поверхность внутренних стенок волновода обладает определенной шероховатостью. Если высота выступов и глубина впадин на шероховатой поверхности превышает толщину скин-слоя, то реальный путь тока возрастает и соответственно возрас­тают тепловые потери. Поэтому для снижения этих потерь предъяв­ляются высокие требования к качеству обработки внутренней по­верхности волновода. Степень чистоты обработки внутренней по­верхности стенок волновода должна быть такой, чтобы в рабочем диапазоне частот размеры неровностей на поверхности были су­щественно меньше толщины скин-слоя.

Потери в металлических стенках волновода зависят от структу­ры поля волны. Затухание мод растет с увеличением частоты, а также резко возрастает при уменьшении частоты и приближении ее к критическому значению. Первая тенденция обусловлена час­тотной зависимостью поверхностного сопротивления. Резкий рост коэффициента затухания при приближении к критической часто­те объясняется тем, что рабочая частота в этом случае приближа­ется к области отсечки, внутри которой в реальных волноводах колебания моды очень сильно затухают.

Потери энергии в диэлектрике, заполняющем волновод, обус­ловлены наличием остаточной проводимости из-за присутствия в диэлектрике примесей и переменной поляризацией диэлектрика в СВЧ-поле. В большинстве случаев при эксплуатации волноводов в качестве внутреннего заполнителя используется сухой воздух. В этой ситуации потери в диэлектрике значительно меньше, чем в ме­таллических стенках волновода, и ими можно пренебречь.

Волноводы, эксплуатирующиеся на открытом воздухе, подвер­гаются воздействию осадков, обледенению, ветровым нагрузкам.

В этих условиях внутрь волноводов через дефекты в стыковочных узлах может проникнуть влажный воздух, что приведет к суще­ственному повышению потерь энергии и снижению электричес­кой прочности конструкции волновода. В последнем случае при передаче большой мощности по волноводу может возникнуть элек­трический пробой его конструктивных элементов, что приведет к выходу волновода из строя. Для устранения этих вредных явлений внутреннее пространство волноводов заполняется сухим воздухом или инертным газом под повышенным давлением.

Потери в волноводах влияют на выбор их поперечных размеров при обеспечении работы в одномодовом режиме в заданном диапа­зоне длин волн. Теоретические границы для рабочей длины волны в одномодовом режиме в прямоугольном и круглом волноводах определяются соответственно условиями: а < λ < и  2,61R < λ <  3,41R. Верхний предел одномодового диапазона равен критиче­ской длине основного типа волны волновода. Однако при λ → λкр резко возрастает затухание волн. Поэтому для снижения потерь в рабочем диапазоне максимальное значение длины волны берут примерно на 10% меньше критической длины основного типа волны. Для прямоугольного волновода λmах = 1,8a, а для круглого λmах = 3,2R. Минимальная длина волны рабочего диапазона увели­чивается примерно на 10% по сравнению с теоретическим преде­лом для обеспечения необходимого ослабления высших типов волн. Ее значение составляет λmin = 1,1a для прямоугольного и λmin =  2,71R для круглого волноводов.

При известном рабочем диапазоне длин волн размеры широ­кой и узкой сторон прямоугольного волновода выбирают в следу­ющих пределах: λmax/l,8  ≤  a  λmin/l,l;  b= a/2.

При тех же условиях радиус круглого волновода выбирается из диапазона λmах /3,2 ≤ R λmin/2,71.

Для всех освоенных диапазонов волн в настоящее время суще­ствуют стандарты на размеры прямоугольных и круглых волново­дов.

Полые металлические волноводы находят применение на час­тотах от 1 до 100 ГГц. В отдельных случаях они применяются и на частотах до 250 ГГц, но в этом диапазоне с ними успешно конку­рируют диэлектрические волноводы.

Допустимые мощности в полых металлических волноводах. До­пустимая мощность, пропускаемая линией передачи, зависит от режима ее работы, особенностей конструкции, качества изготов­ления ее элементов, условий эксплуатации и других факторов. Для любых линий передачи допустимая мощность ограничивается элек­трическим пробоем или перегревом проводников и изоляторов линии. При работе в импульсном режиме с высокой скважностью более опасен электрический пробой, а при передаче больших мощ­ностей в непрерывном режиме более вероятна опасность теплового разрушения линии. Для полых металлических волноводов чаще возникает проблема электрического пробоя в импульсном режи­ме, так как в этом режиме мощность от источников СВЧ-энергии может значительно превышать предельную мощность стандарт­ных волноводов.

Предельной мощностью называется мощность, при которой в режиме бегущей волны напряженность электрического поля в линии достигает критического значения Екр, вызывающего элек­трический пробой. Для воздуха Екр= 30 кВ/см. В границах диапазо­на одномодового режима работы предельная мощность волновода прямо пропорциональна площади его поперечного сечения и воз­растает с увеличением частоты.

Электрическая прочность волновода определяется его участком с наименьшим значением критической напряженности Екр поля. Для повышения электрической прочности волноводов следует улуч­шать качество обработки их внутренней поверхности, не допускать наличия во внутренней области конструктивных неоднородностей, острых выступов и углов на участках с максимальным значением электрического поля, герметизировать волноводы, не допуская попадания в них пыли, грязи и влаги, заполнять волноводы возду­хом и инертным газом под повышенным давлением. Заполнение волновода диэлектриком, как правило, не повышает его электри­ческой прочности из-за уменьшения размеров поперечного сече­ния и высокой вероятности наличия внутри объема диэлектрика неоднородностей, снижающих его электрическую прочность.

10.5. Диэлектрические линии