ПРЕДИСЛОВИЕ

В широкой круглой металлической трубе можно создать электромагнитное поле, которое при своем распространении будет вызывать очень малые токи в стенках и поэтому терять очень мало энергии. Например, в трубе диаметром 60 мм на длине волны 8 мм затухание, вызванное тепловыми потерями, должно быть равно всего лишь 1 дБ/км, т. е. к концу километрового участка придет примерно 80% энергии. Этот простой результат теории волноводов лежит в основе крупной научно-технической проблемы—проблемы создания широкополосного волноводного тракта. Решение этой проблемы, т. е. создание тракта с такими или несколько большими потерями, на много лет вперед обеспечит нашу страну высококачественной сетью связи, позволяющей передавать на большие расстояния грандиозные потоки информации, вероятно, достаточные для сегодня еще экзотической задачи — объемного (голографического) телевидения. Этой проблемой занимаются в настоящее время ведущие фирмы пяти-шести зарубежных стран. В течение ряда лет она раздавалась в Институте радиотехники и электроники АН СССР.

Трудность проблемы создания тракта состоит в том, что основным свойством — малыми потерями — электромагнитное поле обладает только до тех пор, пока оно сохраняет свою структуру. Решающим при этом является состояние поляризации поля — электрический вектор должен всюду иметь только азимутальную компоненту. Иными словами, рабочая волна, на которой идет передача, — это симметричная магнитная волна . Ее потери тем меньше, чем больше диаметр трубы и меньше длина волны.

В таких широких волноводах может распространяться значительное число, порядка десятков или даже сотен, волн различных типов. Волновод становится многоволновым. Если длина его достаточно, велика, то

влияние деформаций стенок сводится в основном к частичной деполяризации поля, т. е. к появлению волн других типов, к преобразованию рабочей волны в нежелательные волны. Нерегулярности волновода, т. е. деформации стенок и «скривления оси, малы и вызваны случайными причинами; они появляются, например, при изготовлении, транспортировке, сборке волноводных секций. Влиянием этих случайных нерегулярностей можно объяснить рост потерь при передаче, искажение амплитуды и фазы рабочей волны, а иногда и увеличение k. с. в. и возникновение опасностей перенапряжения. Вопрос о влиянии нерегулярностей и об измерении искажений и методах борьбы с «ими центральный во всей проблеме, и ему посвящена книга.

Особенностью этого вопроса является его комплексность. Возмущение поля, вызванное деформациями металла, рассчитывается методами волноводной электродинамики. Деформация стенок — случайный процесс, и распространение волны в длинном волноводе относится к науке о распространении в среде со случайными параметрами. Здесь все нетипично: начиная с постановки задачи (ограниченная среда), математического аппарата (система обыкновенных дифференциальных уравнений, коэффициенты которых — случайные функции) и исследуемых характеристик случайного поля на выходе линии. Наиболее трудным при изложении этого вопроса, как показывает опыт, является простейшая идея о том, что средний размер деформаций — недостаточная характеристика многоволнового волновода. Для статистического анализа таких волноводов потребовалось создание нового аппарата, объединяющего электродинамику с теорией вероятностей. Здесь неприменимы непосредственно ни методы исследования нерегулярных волноводов, ни статистический метод, разработанный для кабельных линий.

Книга состоит из шести глав. Первая глава содержит необходимые сведения о (распространении электромагнитных волн в прямолинейных многоволновых волноводах, свойства которых не зависят от продольной координаты. Кратко рассмотрены такие традиционные вопросы, как классификация волн, их фазовые постоянные и омическое затухание (0.1, 0.2]. Кроме того, разобраны различные модификации многоволновых волноводов. Для неискаженной передачи в многоволновом

волноводе существенно, чтобы скорость передаваемой волны не совпала со скоростью ни одной из остальных волн. В связи с этим был предложен круглый волновод с диэлектрической пленкой. B многоволновом волноводе представляется полезным, чтобы нежелательные волны имели большее затухание, чем рабочая волна. Это фильтрующее действие может быть усилено, если выполнить стенки волновода в виде спирали из тонкой проволоки (при передаче волны типа или прорезать в стенках тонкие щели.

Уже при изложении материала о свойствах регулярного волновода оказалось уместным рассмотреть вопрос о связи волн. Приведено решение для случая" связи, не зависящей от продольной координаты. В качестве иллюстрации разобраны процессы в ответвителях с сильной связью, а также задачи о деполяризации волны в слабоэллиптичнюм волноводе и о связи и в прямоугольном волноводе с омическими потерями. Заключает главу параграф, в котором приведены инженерные формулы для расчета основных волноводных элементов.

Вторая глава посвящена влиянию слабых нерегулярностей стенок волновода или изгибов оси на распространение рабочей волны. В ней содержатся все необходимые сведения о деформациях, коэффициентах связи, системе уравнений связанных волн и ее решении, которые готовят читателя к усвоению основной части книги. Среди деформаций выделяются малые и плавные деформации отдельных волноводных труб и скачкообразные изменения в местах их соединений, причем оба вида деформаций рассматриваются с единой точки зрения.

Основными величинами, характеризующими нерегулярности, являются коэффициенты связи, представляющие собой коэффициенты в системе дифференциальных уравнений для амплитуд волн. Приведены коэффициенты связи на деформациях стенок и изгибе оси. Система уравнений связанных волн решена методом малых возмущений; именно это решение исследуется в гл. 3. На примере периодической нерегулярности показано влияние распределения деформаций вдоль волновода на преобразование волн и проиллюстрировано основное свойство любой многоволновой линии: влияние нерегулярности определяется не только ее величиной, но и ее распределением по длине. Периодические нерегулярности,

связывающие рабочую волну с какой-либо паразитной, оказывают тем большее действие на весь процесс передачи, чем ближе период этих нерегулярностей к так называемой длине волны биений обеих волн. Приведены формулы для потерь мощности рабочей волны, вызванных неидеальными стыками. Наконец, рассмотрены некоторые особые случаи резонансного поглощения мощности рабочей волны.

Итак, во второй главе изложен материал, необходимый для построения статистической теории. Однако эта глава представляет самостоятельный интерес, поскольку в ней впервые относительно элементарно изложена электродинамика нерегулярных волноводов. Более строгая математическая разработка аппарата соответствующей теории дана в монографии [0.3].

В третьей и четвертой главах приведен статистический анализ свойств передачи тракта в зависимости от статистических свойств его «нерегулярностей. Изложены основные результаты теории нерегулярных многоволновых волноводов, свойства которых изменяются случайным образом от тракта к тракту. Исследуются статистические параметры флюктуации амплитудной и фазовой характеристик линии при перестройке частоты, при переходе от одного тракта к другому, при изменении длины линии. В коротких трактах дополнительные потери мощности рабочей волны невелики, а в протяженных волноводах потери мощности рабочей волны на преобразование в нежелательные — волны значительны. Статистическим аналогом отмеченного свойства периодических волноводов является следующий результат: из всего спектра нерегулярностей длинной линии в формировании какой-либо паразитной волны участвует только компонента, соответствующая длине волны биений. Выясняются условия устойчивого распространения рабочей волны. Полученные результаты позволяют рассчитывать реальные мнаговолновые волноводные линии.

Эти две главы составляют центральную часть книги. Сложность рассмотренных явлений обусловила большое число математических выкладок. Тем не менее, можно надеяться, что внимательный читатель сумеет разобраться в предложенной теории, если предварительно вспомнит некоторые несложные понятия теории вероятностей (например, [0.4]).

Пятая глава посвящена методам экспериментального исследования важнейших многоволновых волноводов со случайными нерегулярностями. Изложены методы измерения полных потерь рабочей волны, ее омических потерь и потерь на преобразование, а также методы измерения разности фазовых постоянных волн. Описаны соответствующие измерительные установки. Рассмотренные в этой главе методы измерения и установки, разработанные в основном авторами монографии, позволяют экспериментально исследовать все основные параметры реальных многоволновых волноводов, а также контролировать качество отдельных волноводных секций.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований опытных волноводных линий, собранных как в лабораторных условиях, так и проложенных в полевых условиях. Опыт работы авторов определил выбор результатов, иллюстрирующих и подытоживающих книгу: все данные относятся к конкретной задаче об устойчивости волны типа в волноводе со случайными деформациями стенок и изгибом оси. Подтверждены основные результаты теории. Разумеется, все основные выводы применимы к любым многоволновым волноводам со случайными нерегулярностями.

Все три автора — активные участники работ по волноводной проблеме, и в большей части книги приводятся их собственные результаты. Однако в целом рассмотренные в книге вопросы отражают современное состояние этой проблемы. Книга снабжена списком литературы, где указаны только те работы, материал которых непосредственно использован в книге. Наиболее полное представление о статьях, в настоящее время менее актуальных и поэтому не упомянутых в библиографии, можно найти, например, в [1.2, 1.24].

Книга адресована не только растущему отряду ученых и инженеров, создающих волноводные линии, но и специалистам, работающим в смежных областях. Большое число смежных областей иллюстрирует комплексность проблемы. К этим областям относятся теория связи, статистика случайных сред, высокочастотная электродинамика, измерительная техника в миллиметровом диапазоне, теория распространения радиоволн, технология изготовления труб и еще многое другое.

Разумеется, книга не исчерпывает проблемы. По мере развития работ и накопления опыта появятся,

вероятно, другие книги, быть может, с более инженерным уклоном. Возможно, появятся и новые теоретические результаты, в первую очередь, по надежности волноводного тракта в зависимости от характера модуляции. Однако сейчас, безусловно, своевременно подвести итог проделанным теоретическим и экспериментальным работам. Это первая в мировой литературе монография по трактам для волноводных линий связи.

Б. 3. КАЦЕНЕЛЕНБАУМ

ОТ АВТОРОВ

Вопросы, рассматриваемые в этой книге, относятся к проблеме передачи электромагнитных волн на большие расстояния по широкому по сравнению с длиной волны волноводу. Из теории волноводов известно, что в круглой металлической трубе можно создать поле, которое при своем распространении теряет на нагрев стенок очень мало энергии, причем тепловые потери уменьшаются с ростом частоты. Для линий дальней связи можно, по крайней мере в принципе, создать сверхширокополосный тракт. Передача по одному волноводу сотен тысяч телефонных каналов и тысяч видеофонных, организация заочных конференций, связь с информационными и вычислительными центрами — все это станет возможным в течение ближайших десятилетий. Решение задачи уже выходит за рамки лабораторий. В США намечено провести в 1973 г. испытания линии связи в полосе частот от 40 до 110 ГГц, в 1974 г. 32 км, а затем проектируется первая волноводная коммерческая линия Нью-Йорк - Вашингтон или Нью-Йорк - Филадельфия. Появились данные о проектах волноводной связи для Британских островов. В 1973 г. там начнутся испытания 30-км линии в полосе частот от 32 до 90 ГГц. Подобные работы ведутся в СССР, Японии, Франции, ФРГ, Италии.

Авторы подробно исследовали лишь один аспект волноводной проблемы — влияние случайных деформаций стенок и изгибов оси на передачу электромагнитных волн. Первую и вторую главы написал Р. Б. Ваганов, третью и четвертую — Р. Ф. Матвеев, пятую и шестую В. В. Мериакри. В написании § 4 принимал участие

В. В. Мериакри, а в написании § 23, 26 - Р. Ф. Матвеев. В связи с ограниченным объемом книги в ней не рассмотрен ряд интересных вопросов, в частности специфика прохождения коротких импульсов в волноводах со случайными нерегулярностями.

Авторы искренне благодарны профессору докт. ф.-м. наук Б. 3. Каценеленбауму за внимательное прочтение рукописи и ряд ценных указаний, а также докт. техн. наук В. И. Сушкевичу и докт. физ.-мат. наук В. П. Шестопалову за замечания и советы, учтенные при доработке рукописи.