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 < 2а 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
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.