|
| |
|
Слаботочка Книги Полученные формулы показывают, что волновое сопротивление волновода при воланах Н всегда больше, а при волнах Е всегда меньше, чем волновое сопротивление свободного пространства. Эти формулы позволяют также убедиться в том, что волновое сопротивление волновода Zb для волн Н и Е, в отличие от волнового сопротивления свободного пространства Zq для волны ТЕМ, зависит от частоты, причем если длина волны больше критической {X Якр), то Zb выражается мнимым числом. Действительно, если Х Якр, то передачи энергии от генератора к нагрузке нет, между поперечными составляющими электрического и магнитного полей появляется сдвиг по фазе на 90°, а это признак реактивного характера волнового сопротивления Zb = EJHa. Аналогия между двухпроводной линией и волноводом позволяет утверждать, что если волновод не согласован с нагрузкой, то волны отражаются от нагрузки, поэтому в продольном направлении волновода возникают стоячие волны. Очевидно, что на основе аналогии волновода и двухпроводной линии можно применить к волноводу такие понятия, как коэффициент отражения, коэффициент бегущих волн и коэффициент стоячих волн, следует лишь, переходя от волновода к эквивалентной линии, иметь в виду, что линия предполагается расположенной в середине широкой стенки волновода, где амплитуда напряжения максимальная и продольный ток имеет наибольшую плотность. Их отношением и определяется волновое сопротивление эквивалентной линии Zp. Для волны Яю это сопротивление несколько отличается от волнового сопротивления волновода Zb, рассчитанного по поперечным составляющим электрического и -магнитного полей волн типа Я,: -2а- 2-/ flV Если а = 26, то Zb = 0,79Zb. 98. Выбор типа волны и размеров поперечного сечения волновода в линиях передачи сантиметровых волн чаще всего используются прямоугольные волноводы, возбуждаемые на волне Я. При этом руководствуются следующими соображениями. В любом отрезке волновода должны распространяться волны только одного типа. При наличии двух и более типов волн они не интерферируют, и так как волноводная длина волны Яв для этих типов волн различна, то возникают изменения амплитуды колебаний в продольном направлении. Изменения усиливаются при малейшем 386 непостоянстве частоты генератора. Тем самым нарушается согласование волновода с нагрузкой и понижается мощность, поступающая в нагрузку. В волноводе наиболее просто возбуждается волна одного типа тогда, когда этот тип низший. Тогда можно установить поперечные размеры волновода такими, чтобы только для одного низшего типа волны рабочая длина X была меньше критической >.кр. Такое решение, кроме того, позволяет использовать волноводы с минимальным поперечным сечением. В прямоугольном волноводе невозможны электрические волны с нулевым индексом (oi или Е). его низшим типом волны является Я, а для круглого волновода это волна Яц. При появлении в круглом волноводе, возбуждаемом на волне Яц (см. рис. 14.5), изгибов или деформаций поля волны могут повернуться относительно оси волновода. Возникшее изменение поляризации волны нарушит согласование волновода с нагрузкой. Прямоугольные волноводы свободны от этого недостатка, так как в них поляризация тесно связана с формой поперечного сечения; например, при волне Яю силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны широким стенкам волновода. Вот почему прямоугольные волноводы являются основным типом полноводных линий передач. Возбуждаются они, как правило, на волне Яю. Перейдем к выбору размеров поперечного сечения такого волновода. Для того чтобы рабочая длина волны Х была меньше критической Хкр, размер а согласно формуле Якр = 2а должен быть больше 0,5 X. Вместе с тем, чтобы исключить ближайшие типы волн Яго и Яц, нужно установить размер а <Х (поскольку Хр = а для Яго) и 6<Х/2 (для исключения Я)- На выбор стороны а влияет также стремление уменьшить потери энергии в волноводе. До сих пор предполагалось, что внутренняя поверхность волноводов обладает идеальной проводимостью и затухание в волноводе возникает только при X > А,кр и по той же причине, что в реактивных сопротивлениях (энергия отражается). В реальных волноводах затухание наблюдается и при X < Хкр, но природа его другая: здесь электромагнитная энергия преобразуется в тепловую. Это находит отражение и в структуре полей: в связи с конечной проводимостью стенок волновода электрическое поле не строго перпендикулярно к стенкам, а имеет некоторую, хотя и очень малую, продольную составляющую. Ей соотвествует энергия, расходуемая на нагрев металлической поверхности волновода, соответственно уменьшается энергия, достигающая нагрузки. На тепловые потери рост частоты влияет двояко: усиливается поверхностный эффект, вызывающий увеличение потерь, и сокращается число отражений от узких стенок волновода (см. рис. 14.14), что снижает потери. Особенно резко возрастает затухшие, когда, понижаясь, частота / приближается к критической /кр- В таких условиях при данных размерах поперечного сечения волновода должна существовать оптимальная частота, при которой затухание минимально. Оно изменяется весьма незначительно при отклонении частоты от оптимальной в больших пределах. Благодаря этому волновод может передавать без заметных искажений (с почти постоянным затуханием) широкий спектр частот. Между оптимальной /опр и критической /кр частотами существует зависимость /опт = 13 /кр или Хопг = = . Обычно для уменьшения габаритов волновода размер а выбирают несколько меньшим: а 0,71Яопт. Это удовлетворяет требуемому неравенству 0,5Х, < а<Х. Уменьшению узкой стенки b препятствует понижение предельной мощности передаваемых волн Рдоп из-за увеличения напряженности электрического поля, которое может вызывать пробой между широкими стенками волновода. Рассмотрим этот вопрос несколько подробней. При равномерном распределении полей в сечении волновода через каждую единицу этого сечения проходила бы мощность а через все сечение - мощность тгу-аЬ, где Ет - Е ii- амплитуда напряженности электрического поля; Нт = Я -/ 2 - амплитуда поперечной составляющей напряженности магнитного поля. Так как амплитуда электрического поля распределяется вдоль стороны а волновода по синусоидальному закону, то средняя мощность в два раза меньше, а при несогласованности волновода с нагрузкой она дополнительно уменьшается в k раз: Заменим 1 согласно формуле (337) и для определения максимальной мощности Роп. допустимой для передачи по волноводу, заменим Е, пробивной напряженностью проб /проб i лоп - 4/гсв 377 i77 У Ukp j /гсв У Ukp у кр / (340) Как видно из формулы, чтобы повысить допустимую мощность Рдоп, следует по возможности увеличить поперечное сечение волновода (в частности, размер Ъ), уменьшить коэффициент стоячей волны и рабочую длину волны по сравнению с критической. При воздушном заполнении волновода, нормальном давлении и нормальной влажности воздуха предельное значение напряженности поля проб = 30 кв1см, но в расчетах рекомендуется эту величину уменьшать до 7,5 кв1см с запасом на надежность эксплуатации, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 [128] 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 |