Глава 1. РЕГУЛЯРНЫЕ МНОГОВОЛНОВЫЕ ВОЛНОВОДЫ И ВОЛНОВОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Причины интереса к многоволновым волноводам

В последнее время значительно повысился интерес к волноводам, в которых на данной частоте может (распространяться не одна, а очень много волн разных типов. При этом изучалось несколько проблем. Во-первых, к ним можно отнести необходимость снижения потерь мощности при передаче сигналов от генератора к антенне и от антенны к приемнику. При увеличении поперечных размеров волновода уменьшается рассеяние мощности, которая идет на нагревание стенок волновода. Однако одновременно тракт становится многоволновым. Здесь следует отметить, что реальный волновод является не строго прямолинейным, его ось слегка изогнута и что форма стенок волновода всюду несколько отличается от идеальной цилиндрической. На этих нерегулярностях волна, на которой передается энергия, может в какой-то, обычно незначительной, степени перерождаться, т. е. преобразовываться в другие волны. Иными словами, возникает новая проблема, не присущая одноволновой технике: проблема учета и снижения потерь на преобразование в волны высших порядков, а также учета искажений сигналов из-за частичного перехода основной волны в другие волны и обратно.

Во-вторых, в последние 10—15 лет в ряде промышленно развитых стран мира — СССР, США, Японии, Англии, широко исследовались возможности, которые открывает перед дальней связью симметричная магнитная волна типа в круглом волноводе [1.3]. Переход

к миллиметровым волнам настолько расширяет полосу частот передачи, что волноводные линии связи должны обладать чрезвычайно большой пропускной способностью, значительно большей, чем у кабельных и релейных линий. Так, в миллиметровом диапазоне по одному волноводу несложно пропустить колебания в полосе частот 20-25 ГГц (5-8 мм). Если учесть, что для передачи одного телефонного разговора требуется полоса всего 4 кГц, то становится ясным, что по одному волноводу можно передавать сотни тысяч телефонных разговоров и десятки телевизионных программ. Волна обладает замечательной особенностью, которая привлекла ученых еще в 30-е годы. В отличие от обычных прямоугольных волноводов и коаксиальных линий, в которых омические потери растут с увеличением частоты, в крылом волноводе с волной затухание уменьшается с ростом частоты. Однако использовать это свойство оказалось далеко не просто.

Волновод с волной является принципиально многоволновым. Любые нерегулярности, отклонения от прямолинейности или случайные деформации стенок приводят к преобразованию волны в волны, черпающие свою энергию из энергии волны и поэтому часто называемые паразитными. Снова возникает проблема устойчивости волны в условиях многоволнового распространения.

Наконец, в-третьих, существует указанная П. Л. Капицей проблема передачи больших мощностей по волноводам [1.4]. Круглые волноводы с волной способны, по-видимому, передавать мощности, вырабатываемые крупными электростанциями. Как известно, при любой передаче электромагнитной энергии ее поток распространяется в пространстве, в частности по внутренней полости волновода. Поток мощности внутри волновода не может быть как угодно большим: его ограничивает электрическая прочность воздуха [1.5]. Если напряженность электрического поля превышает некоторую максимальную величину, то в воздухе возникает разряд. Энергоемкость волноводов увеличивается с ростом площади поперечного сечения. С помощью больших труб принципиально возможно передавать миллионы киловатт, причем с учетом малого затухания волны можно обеспечить дальность передачи до нескольких сотен километров.

Преимущества волноводов перед проводными линиями очевидны: отсутствует утечка энергии в форме коронного разряда; нет опасности попадания молнии, обрыва или замыкания; намного проще решается вопрос об изоляции (подземная волноводная линия). Сможет ли быть реализована способность круглых волноводов передавать большие мощности, покажет будущее. Передача мощности также является многоволновым процессом. Некоторым упрощением данной проблемы по сравнению с проблемой дальней связи является отсутствие требования широкополосности, так как мощность может передаваться на одной фиксированной частоте. Однако по-прежнему важно обеспечивать устойчивость рабочей волны, которая испытывает разрушающее влияние случайных нерегулярностей стенок волновода.

1.2. Некоторые предварительные соображения

Рассмотрим основные свойства многоволновых волноводов, в которых нерегулярности отсутствуют, т. е. идеальных волноводов. Реальный волновод, как уже отмечалось, всегда нерегулярный.

Рис. 1.1. Круглый волновод: а — волна б - волна

Регулярным будем называть прямолинейный волновод, все свойства которого не меняются вдоль оси. Будем рассматривать в основном круглый волновод, поперечное сечение которого представляет собой круг радиусом а (рис. 1.1). Оплошной линией на рис. 1.1, а обозначено электрическое поле волны наиболее перспективной волны круглого волновода. Приводимые в книге результаты применимы к любому

многоволновому тракту, в частности к круглым волноводам с волной или к прямоугольным волноводам с волной

Рабочей волной будем называть волну, на которой ведется передача. Ею может быть или волна или волна в круглом волноводе, или волна в прямоугольном. Все остальные, волны, кроме рабочей, обычно называют нежелательными или паразитными.

Как правило, будем считать, что передача ведется на фиксированной частоте которой соответствует волновое число в пустоте

где длина волны в свободном пространстве. Зависимость полей от времени примем в виде где

— циклическая частота. Волновое число связано с частотой соотношением

где — скорость света.

Рис. 1.2. Прямоугольный волновод, волна

Задача о передаче энергии электромагнитной волны формулируется следующим образом. Требуется, чтобы на некотором расстоянии от начала волноводного тракта уменьшение мощности рабочей волны, формируемой тем или иным способом на входе волноводного тракта, было минимальным.

В регулярном волноводе рабочая волна распространяется без изменений, без искажений, только уменьшается переносимая мощность. Это уменьшение происходит потому, что из-за конечной проводимости материала стенок часть потока проникает в стенки и теряется на их нагревание. Мощность уменьшается по экспоненциальному закону:

где постоянная затухания.

В многоволновых волноводах показатель экспоненты тем меньше, чем больше размеры поперечного сечения волновода. На этой известной зависимости основан переход к волноводам увеличенного сечения.

Так, постоянная затухания волны уменьшается с увеличением радиуса как т. е. очень быстро (подробнее об омических потерях см. § 2). Для наглядности запишем зависимость коэффициента затухания этой волны от частоты и размеров волновода:

где (материал стенок — медь); длина волны А, и радиус а в см.

Рис. 1.3. Зависимость постоянной затухания от частоты: а — для волн, отличных от ; б - для волн

Зависимость (1.5) характерна только для волны типа Потери для других типов волн уменьшаются пропорционально увеличению поперечного размера волновода в первой степени. Кроме того, и это очень существенно, для волн, отличных от с уменьшением X потери не уменьшаются монотонно, а на высоких частотах даже увеличиваются (рис. 1.3).

В радиоинженерной практике потери мощности обычно выражают в децибелах на единицу длины:

где

Для сравнения приведем цифры, характеризующие потери в стандартных прямоугольных волноводах и

в многоволновых волноводах с волной На длине волны потери в прямоугольном волноводе с размерами составляют примерно а в круглом волноводе радиусом всего Для дальней связи можно использовать трубы радиусом в которых на длине волны омические потери лишь несколько превышают Для дальней энергопередачи предлагается использовать трубы радиусом в которых омическое затухание на длине волны 3 см составляет около

Итак, шюговолновые волноводы могут использоваться как соединительные тракты на миллиметровых или сантиметровых волнах для передачи с меньшими потерями, чем стандартные волноводы, затем как тракты в линиях дальней связи и, наконец, как мощные фидеры.