§ 97. Сантиметровые волны и их распространение в волноводах

В обширном диапазоне ультракоротких волн ( см) волны, имеющие длину в несколько сантиметров, возникающие при частоте колебаний порядка тысяч мегагерц, занимают особое положение по своим свойствам и областям применения. Их используют в радиолокации, в радиорелейных линиях и вообще в остронаправленной, «лучевой» радиосвязи в пределах видимости антенны (например, для управления ракетами, для передачи телевизионной программы от «телепередвижки» на центральную телевизионную станцию и т. п.).

При частотах колебаний в тысячи мегагерц обычные ламповые генераторы и усилители непригодны, так как при таких высоких частотах даже небольшие сторонние («паразитные») емкости создают короткое замыкание для высокочастотных токов и, кроме того, сказывается (в особенности при наличии нескольких сеток в лампе) инерционность электронного потока в лампе. Более того, вследствие чрезмерной индуктивности деталей обыкновенных радиоприемников все они в их обычном виде непригодны к использованию в усилителях и генераторах колебаний частотой в несколько тысяч мегагерц. Действительно,

например для частоты для колебаний с длиной волны 10 см, резонансный контур (стр. 483) при емкости всего в 1 см должен иметь индуктивность 2,54 см, что в десятки раз меньше индуктивности одного витка толстого провода.

Однако такой резонансный контур, и притом с чрезвычайно высокой добротностью, осуществляется предельно просто - в виде полого резонатора, образованного замкнутой металлической оболочкой. Металлическая оболочка совершенно экранирует высокочастотное поле, создаваемое в полости резонатора, от влияния внешних полей и практически полностью устраняет потери на излучение; вследствие большой электропроводности сплошной металлической оболочки потери от токов в ней ничтожны; диэлектрические потери в воздухе, заполняющем полость, также ничтожны, поэтому добротность полого резонатора в сотни раз превышает добротность обычных резонансных контуров и имеет порядок нескольких десятков тысяч.

Рис. 452. Сопоставление картин поля в коаксиальной, сплющенной коаксиальной и трехполостной линиях.

Для соединения с антенной усилителей и генераторов волн длиной более 8—10 см часто пользуются коаксиальными фидерами (металлическими трубами со стержневым проводником). При меньшей длине волны коаксиальные фидеры создают ощутительные потери, и их применяют только в случаях, когда необходимо, чтобы аппаратура была возможно более компактной. Электрические свойства любого фидера, в частности коаксиального, в высокой мере зависят от его длины и поперечных размеров. Необходимый для фидера (в отличие от антенн и резонансного контура) режим бегущей волны и лучшее согласование с нагрузкой (стр. 506) обеспечивают, выбирая длину фидера так, чтобы она составляла нечетное число четвертей длины волны (в связи с этим коаксиальный фидер часто называют также резонансной линией).

Потери в коаксиальной линии минимальны, когда радиус внешней экранирующей металлической оболочки в 3,7 раза превышает радиус стержневого проводника; вместе с тем, вследствие возрастания сопротивления, вызываемого скин-эффектом, стержневой проводник должен иметь значительный радиус сечения. Однако при слишком большом поперечном сечении фидер становится непригодным: в нем возбуждаются колебания с совершенно иным строением поля,

чем поле основных электромагнитных колебаний (описанных в §§ 89—91), и потери энергии в фидере резко возрастают. Это происходит, когда длина окружности для среднего радиуса проводящих оболочек фидера становится равной длине передаваемой волны (или превышает ее). Такую длину волны называют критической длиной волны.

Разновидностью коаксиальной линии являются так называемые трехполостные линии. Это — как бы надрезанные и сплющенные коаксиальные фидеры: две тонкие медные заземляемые полоски (верхняя и нижняя) заменяют экранирующую оболочку коаксиальной линии, а внутренняя, более узкая серебряная полоска заменяет стержневой проводник (рис. 452). Два слоя диэлектрика (например, полистирена или волокнистого стекла, связанного тефлоном), разъединяющие полоски фольги, имеют в сумме толщину не больше половины критической длины волны; ту же величину не должна превышать и ширина внешних металлических полосок. Расчетные исследования поля, эксперименты, проведенные многочисленными научными учреждениями, и практика показали, что трехполостные линии для длин волн более 10 см по добротности не уступают коаксиальным фидерам; вместе с тем, они во многих случаях удобнее (в особенности для электрического соединения отдельных узлов аппаратуры, для изготовления электрических фильтров в виде скрученных в спираль полос и для применения метода печатных схем; стр. 543). «Полосковие линии» наиболее широко применяют при изготовлении самых миниатюрных приемников сантиметровых волн.

Для передачи с наименьшими потерями колебаний большой мощности, в особенности при длинах волн меньше служат волноводы, представляющие собой каналы прямоугольного сечения (реже цилиндрические) с высокоэлектропроводными (медными или серебряными) стенками. По волноводу энергия колебаний передается волнами, у которых в отличие от основных электромагнитных волн один из векторов напряженности полей ( или не перпендикулярен к направлению распространения, т. е. к оси волновода. Если по направлению распространения имеется не равная нулю составляющая вектора напряженности электрического поля, волну называют -волнощ если же не равна нулю аналогичная составляющая вектора волну называют -волной.

Анализ, произведенный посредством применения уравнений Максвелла, показывает, что волны, не имеющие продольной составляющей поля, т. е. основные волны, не могут распространяться в волноводе. Этим определяется главное отличие волновода от двухпроводной (§ 90) и коаксиальной линий, а также и от трехполостной линии. Второе отличие заключается в том, что скорости распространения возможных в волноводе волн, т. е. волн, имеющих продольную составляющую поля -волн и -волн), различны для волн разной длины. Скорость, с которой происходит перенос энергии колебаний в волноводе (групповая

скорость волн), определяется формулой:

где — диэлектрическая постоянная среды, заполняющей волновод, -длина волны; физический смысл константы ясен из строения формулы: при величина, стоящая под знаком радикала, становится отрицательной, т. е. скорость переноса энергии — мнимой; это означает, что перенос энергии в волноводе может производиться только такими волнами, длина которых меньше некоторой критической длины волны определяемой размерами и формой поперечного сечения волновода и типом волн.

Рис. 453. (см. скан) Мгновенная картина поля -волн низшего порядка. Наверху — продольные разрезы волновода, внизу — картина поля в поперечном сечении (для середины изображенных продольных разрезов). Пунктирными линиями изображено магнитное поле, сплошными — электрическое. Точки—линии, идущие на нас, кружки — от нас.

Для прямоугольного волновода, имеющего большую сторону сечения а и меньшую критическая длина волны для всех возможных в этом волноводе типов волн определяется соотношением

где целые числа, характеризующие так называемый порядок волн: они указывают, сколько полуволн укладывается по широкой и узкой частям

поперечного сечения волновода. Принято числа тип применять в качестве индексов для обозначения возможных в волноводе волн (-волны и -волны). Различным сочетаниям наименьших значений целых чисел тип соответствует, как пояснено ниже на примерах, неодинаковое строение поля волны.

Для волн с продольной составляющей магнитного поля наименьшим значением одного из чисел или является нуль, т. е. в волноводе возможно распространение волн Но для волн с продольной составляющей электрического поля ни одно из чисел не может быть равно нулю; это означает, что наинизшими по своему порядку -волнами являются волны

Чем меньше порядок волны, т.е., как ясно из выражения (21), чем больше длина волн, способных переносить энергию в волноводе, тем меньше затухание этих волн. Волны высоких порядков быстро затухают и поэтому не представляют практического интереса.

Как правило, для передачи энергии посредством волновода в нем возбуждают волны так как они являются волнами наинизшего возможного порядка и их затухание минимально. Согласно формуле (21) их критическая длина т. е. вдоль широкой стороны волновода укладывается половина волны. Строение поля этих волн, а также волн Ни показано на рис. 453. Вследствие высокой электропроводности стенок волновода силовые линии электрического поля всюду подходят перпендикулярно к внутренней поверхности стенок (если они не замкнуты вокруг переменного магнитного поля). В стенках волновода возникают токи, направленные противоположно в симметричных участках стенок. Рис. 453 отражает характерную особенность поля -волн: линии магнитного поля все время остаются перпендикулярными к узкой стенке волновода, а электрического — к широкой (и, как и во всех -волнах, к продольной оси волновода). В поле -волн ни одна компонента полей (кроме, конечно, продольной компоненты -поля) не равна нулю.

Рис. 454. Мгновенная картина -волн наинизшего порядка. (Обозначения те же, что и на рис. 453.)

На рис. 454 показано поле -волн. Если представить себе, что здесь линии сил электрического поля замкнуты линиями тока вдоль проводящих стенок, и сравнить поле -волн с полем в зоне, прилегающей к вибратору Герца (рис. 383 на стр. 496 и рис. 397 на стр. 509), то нетрудно заметить, что эти поля имеют одинаковое строение. Поэтому -волны называют также волнами дипольного излучения. Поле -волн второго порядка аналогично полю так называемого квадрупольного излученир, т. е. излучения, производимого сочетанием двух тесно расположенных диполей с равными по величине, но противоположно направленными или взаимно-перпендикулярными токами.

Аналогично картина -волн первого порядка в основных чертах воспроизводит строение поля в зоне излучающего магнитного диполя — витка

с током; -волны второго порядка соответствуют излучению «магнитного квадруполя».

Чтобы перенос энергии в волноводе производился волнами типа широкое сечение волновода а, как уже упоминалось, должно превышать половину длины волны. Но оно должно оставаться хотя бы на 1% меньше целой длины волны, так как иначе, кроме волн впередаче энергии примут участие более затухающие волны [для которых по формуле Когда нужно исключить также и волны и принято, как это часто делают, то согласно формуле (21) широкое сечение волновода а должно быть приблизительно на 11% меньше длины волны в волноводе.

Расчетная длина волн в волноводе и длина волн X, создаваемых генератором в открытом пространстве, находятся в простом соотношении, которое определяется тем, что период колебаний в волноводе должен, понятно, совпадать с периодом генерируемых колебаний Следовательно,

Рис. 455. Параболическая антенна с генератором сантиметровых волн.

В отличие от конца двухпроводной или коаксиальной линии, которые не создают излучения без антенны, настроенной на режим стоячих волн, из открытого конца волновода происходит непосредственное излучение бегущих волн. Но, чтобы излучение это было достаточно эффективным, нагрузка открытого конца волновода как излучателя должна быть равна (§ 90) волновому сопротивлению волноводаг). Поэтому и для реализации остронаправленного излучения открытый конец волновода оснащают антенной: в виде рупора прямоугольного сечения, или в виде металлического параболического зеркала (диаметром около или щелевой, спиральной и т. п. Генераторы сантиметровых волн передвижных передатчиков часто располагают в герметизированном баке

непосредственно за антенной, как это показано, например, на рис. 455. На этом рисунке видно, что открытый конец волновода помещен в фокусе рефлектора.

Литые металлические зеркала—антенны больших радиотелескопов, рассчитанных на прием сантиметровых волн имеют диаметр причем внутренняя поверхность их отличается от идеального параболоида не более чем на