Электромагнитные поля и волны. Часть 2 (Направляющие системы СВЧ-диапазона. Регулярные волноводы. Колебательные системы СВЧ. Общая теория цепей СВЧ), страница 7

Режимы работы линий передачи. В любой линии передачи может в общем случае существовать на рабочей частоте множество типов волн (волны Т, Е_mn ,Н_mn, НЕ_mn, ЕН_mn). Линий передачи тоже достаточно много (многопроводные, коаксиальные, волноводные и др.). В каждой линии передачи , для каждого типа волны существует критическая частота (или длина волны). Условие существования любой волны в данной линии является , то есть рабочая частота должна быть больше критической частоты. Рассмотрим режим работы линии передачи в зависимости от рабочей частоты. Тип волны, имеющий минимальную f_кр, называют основной волной или низшей, остальные волны будут высшими типами волн. В многопроводных линиях, коаксиальных, полосковых основным типом волны является Т – волна, у нее f_кр = 0, в прямоугольном волноводе основная волна Н₁₀ù, в круглом Н₁₁º. Рассмотрим области существования типов волн в зависимости от частоты (рисунок 2.2).

    

Рисунок 2.2

В зависимости от соотношения рабочей частоты f_раб и критической частоты f_кр выделяют три зоны:

I – зона, в которой   основной волны, это зона отсечки или запредельная, в ней не может существовать ни один тип волы, то есть нет бегущих волн, передача энергии невозможна;

II – зона, в которой выполняется условие существования только для основной волны данной линии. Это одноволновый режим работы линии. На практике всегда работают в этом режиме.

III – зона в которой выполняется условие существования одновременно для основной волны и нескольких высших типов волн. Зона III определяет многоволновый режим работы волноводов, ее используют для специальных целей (например, для получения многолучевых диаграмм в антенной технике). Для передачи информации многоволновый режим не используется, а используется одноволновый на основной волне. На практике граничные частоты одноволнового режима устанавливают, исходя из минимального затухания. При приближении рабочей частоты к критическим частотам затухание резко растет, поэтому диапазон рабочих частот ограничивают

вместо с/2а, а верхняя

,

вместо с/а, это для прямоугольного волновода.

Рассмотрим режимы работы линии передачи в зависимости от соотношения Z_В/Z_н. Этот вопрос также рассмотрим в разделе 8.

I.Режим полного согласования. Z_В = Z_Н. В линии устанавливается режим бегущих волн. Отраженной волны нет и Г коэффициент отражения от нагрузки равен нулю (Г = 0), коэффициент бегущей волны k _бв = 1. На практике его можно получить только на одной частоте.

II.Режим стоячих волн. На конце линии установлен режим короткого замыкания (КЗ), или холостого хода (ХХ). В любом случае происходит полное отражение от нагрузки, Г = 1, k_бв = 0.Вдоль линии устанавливается стоячая волна, в которой чередуются максимумы поля и минимумы. Этот режим можно использовать для измерительных целей.

III.Режим смешанных волн. Существуют одновременно в линии падающая и отраженная волны, в сумме они дают максимумы и минимумы. Г<1, k_бв<1. В этом режиме работают практически все реальные линии передачи. Этот режим стараются приблизить к режиму полного согласования , добиваясь примерного равенства  Z_В = Z_Н в требуемой полосе частот .

3 Регулярные волноводы

3.1 Прямоугольный волновод

Прямоугольный волновод представляет собой металлическую трубу прямоугольного сечения из меди, латуни, алюминия и их сплавов. Размер широкой стенки а, - узкой стенки b. Обычно  а > b. (Рисунок 8.1). В прямоугольном волноводе могут существовать волны классов  Н_mn и Е_mn, и не может волна типа Т.

Индексы n и m  определяют структуру поля и ее электрические характеристики, изменяются от 0 до ∞, то есть ряд чисел m=n=0,1,2,3…. Одновременно m и n равны нулю быть не могут, то есть нет волн Н₀₀ и Е₀₀. Первая волна (основная) в прямоугольном волноводе Н₁₀ (m=1,n=0),ближайшая высшая волна Н₂₀ (m=2, n=0). Обычно волноводы используют на основной волне, поэтому рассмотрим волну Н₁₀ù.

Критическая длина волны волн класса Н_mn и Е_mn определяется уравнением:

Для волны Н₁₀ m=1, n=0, и =2а, критическая частота

,

где ,