5.2. О воздействии нерегулярностей на рабочую волну

Электрические измерения, при которых определяются потери энергии рабочей волны в линии, показывают, что общие потери всегда несколько больше, а иногда существенно больше, чем омические. В процессе распространения по волноводу волна частично превращается

в нежелательные, паразитные, Волны. Причинами, вызывающими потери на преобразование, являются деформации стенок и изгибы оси.

Поэтому важно исследовать геометрию внутренней поверхности многоволновых волноводов. Изменение диаметра труб определяется с помощью тщательных измерений, производимых механическими приборами типа нутромера; точность таких измерений не очень велика, причем диаметры определяются выборочно в отдельных сечениях трубы.

Рис. 2.2. Пульсация эллиптичности и изменение угла скрутки?

Для измерения эллиптичности удобно использовать микроволновое устройство [2.11]. Типичные зависимости разности диаметров и угла скрутки от полученные при измерениях стальной трубы с медным слоем, приведены на рис. 2.2. Кривизну оси проще всего определять, находя отклонение оси волновода от прямой линии, например оптикомеханическими устройствами. Для малых прогибов этот способ удобен и

успешно применяется при измерениях размеров отдельных волноводных секций. Только в случае протяженной волноводной линии, когда суммарное отклонение оси становится настолько большим, что световой луч не проходит сквозь трубу, отражаясь от стенок, этот метод оказывается непригодным. Таким образом, геометрию трубы можно определить.

Теперь требуется выяснить, как деформация стенок волновода влияет на качество передачи рабочей волны. Прежде всего необходимо связать геометрические и электромагнитные характеристики волновода. Деформации стенок и изгиб оси вызывают преобразование волн. В слабонерегулярном волноводе волны становятся связанными.

Амплитуды колебаний в волноводе определяются системой уравнений, которая получена непосредственно из уравнения Максвелла в работе [0.3]:

Система (5.13) отличается от (3.3) только тем, что коэффициенты связи и постоянные распространения связанных волн в слабонерегулярном волноводе становятся функциями продольной координаты. Общий смысл коэффициентов связи объяснен в п. 3.1. Будем полагать, что связь слабая, т. е.

Кроме того, при рассмотрении не будем учитывать резонансных явлений, происходящих с волнами в условиях, близких к критическим.

Предположим также, что в волноводе снято вырождение между волнами. Коэффициенты связи малы не только по сравнению с фазовой постоянной (5.14), но и по сравнению с разностью фазовых постоянных связанных волн, т. е. связанность волн невелика:

Иными словами, изменение амплитуд связанных волн на длине волновода, равной длине волны биений, очень мало. Ограничение (5.15) на величину коэффициентов связи и расфазировку хорошо выполняется в волноводах с диэлектрической пленкой или спиральных волноводах.

Однако даже при предположениях (5.14), (5.15) записать решение системы (5.13) в общем виде не удается. Приходится ограничиваться решением, которое дает теория возмущений.

Общие соображения, относящиеся к процессам преобразования волн в многоволновых волноводах, можно проиллюстрировать на примере круглых волноводов и распространяющейся в них волны Ям.

Одно из общих положений, которое следует из перечисленных допущений, состоит в том, что при использовании метода малых возмущений можно воздействие на рабочую волну каждого вида деформаций рассматривать отдельно, а затем результаты воздействий суммировать.

Изучение распространения волны в волноводах с малыми и плавными нерегулярностями можно начать с рассмотрения прямолинейного волновода. Вначале предположим, что в зависимости от изменяется только диаметр волновода. Затем исследуем влияние на волну эллиптичности стенки и, наконец, кривизны оси. Последовательное изучение влияния нерегулярностей оправдано тем, что нерегулярности каждого вида воздействуют на волну почти независимо. Если каждая нерегулярность вносит малое возмущение в падающую волну, то результирующее воздействие суммы нерегулярностей равно сумме воздействий. Это означает, в частности, что влияние пульсации диаметра волновода на волну не изменяется, если волновод является не точно круглым, а слегка эллиптичным. Наоборот, при исследовании влияния эллиптичности не следует учитывать малые изменения диаметра. Подобные допущения хорошо подтверждаются практикой работы с многоволновыми волноводами. Кроме того, при принятых ограничениях задача значительно упрощается, а результаты, полученные при этом, становятся легко обозримыми и объяснимыми физически.

Однако следует учитывать, что простое сложение малых эффектов справедливо лишь в том случае, если они действительно малы, т. е. если рассматривается участок волновода, на длине которого мощность рабочей волны из-за преобразования в нежелательные волны уменьшается незначительно. Более длинные линии можно представлять как последовательное соединение коротких, для которых еще возможно применение метода малых возмущений.