Металлический волновод. 
Введение в радиоэлектронику

Металлический волновод представляет собой полую металлическую трубу круглого или прямоугольного сечения (см. рис. 7.4а). Электромагнитные волны могут распространяться по волноводу, отражаясь от его стенок. В результате интерференции отраженных под определенными углами волн образуются устойчивые направляемые волновые структуры с синусоидальным или близким к нему распределением поля в поперечном сечении. Такие волновые структуры называются типами волн или модами (от англ. mode). В кабеле эти моды оказались бы мешающими, паразитными. В волноводе же при отсутствии центрального провода одна из этих мод волновода может быть использована для передачи сигнала. Путь движения волны показан на рис. 7.46. Волна падает на узкую боковую стенку волно- 140

вода под углом ф относительно нормали и зеркально отражается.

Рис. 7.4. Металлический волновод:

а — геометрия, б — траектории распространения волн Воспользуемся принципом Гюйгенса и построим пару волновых плоскостей. На рис 7.46 их положение показано штриховыми линиями. В прямоугольном треугольнике АВС катет.

Волновод симметричен относительно продольной оси. Следовательно, колебания в точках В и С также должны удовлетворять каким-то требованиям симметрии. Таких требований всего два: электромагнитные поля в этих точках либо симметричны, либо антисимметричны относительно продольной оси волновода. Следовательно, в точках В и С поля должны иметь равные амплитуды, но могут отличаться знаком. Это означает, что на отрезке А В должно укладываться целое число полуволн, т. е.

Если поперечный размер волновода ^а задан, то, учитывая, что косинус не может быть больше 1, приходим к выводу, что длина волны электромагнитного поля, распространяющегося в волноводе, должна быть короче некоторой величины, равной.

Эту длину волны называют критической длиной волны. Существование критической длины волны и необходимость выполнения условия.

Является одним из важнейших свойств волновода. Целые значения числа т определяют тип волны или моду волновода.

Если зафиксировать значение т и увеличивать длину волны, то траектория движения будет становиться все круче и круче. Наконец, волна начнет метаться между стенками, не перенося энергии вдоль продольной оси волновода^[1]. Эта ситуация как раз и соответствует критической длине волны.

Волны могут отражаться и от горизонтальных стенок волновода, потому в общем случае конфигурация поля в волноводе имеет сложный вид. В специальных дисциплинах вам более подробно расскажут о тапах волн в металлических волноводах.

Одна из мод имеет максимальное значение А,"_п. Такая мода называется основным типом волны. Основной тип волны может распространяться в волноводе в отсутствии других (высших) типов волн. Поэтому, чтобы избежать вредного влияния интерференции, в волноводных линиях передачи используют только основной тип колебаний (так называемый одномодовый режим).

Металлические волноводы получили широкое применение в качестве линий передачи сантиметровых и миллиметровых волн. Центры полос одномодовых режимов работы наиболее распространенных стандартных волноводов соответствуют X = 10 см, 3 см и 8 мм. Металлические волноводы на более короткие волны (6, 4, 3 мм) выпускаются в ограниченном количестве.

При уменьшении длины волны приходится уменьшать поперечные размеры волновода. Это усложняет технологию изготовления волноводов. Кроме того увеличиваются потери мощности волны в стенках. Поэтому для волн с длинами порядка миллиметра и короче волноводы применяются лишь на очень коротких расстояниях. О причинах увеличения потерь вы узнаете при изучении специальных дисциплин.

• [1] Электромагнитное поле будет присутствовать во всем пространстве волновода, однако перенос энергии отсутствует.