2.2. Поля волноводных волн. Самофильтрация

На стенках реального волновода электрическое поле, касательное к поверхности, отлично от нуля и связано с тангенциальными компонентами магнитного поля условиями Леонтовича:

Тем не менее, обычно поля в волноводе определяются при нулевых условиях на поверхности Это связано с тем, что проводимость стенок велика, и условие (2.15) представляет собой малое возмущение граничных условий, слабо сказывающееся на структуре полей волноводных волн.

Поля магнитных волн имеют вид

где

а поля электрических волн описываются уравнениями

где

В (2.16), (2.17) использована нормировка

где при при в обозначении волны первый индекс азимутальный, второй радиальный.

Введение такой нормировки позволяет определить мощность распространяющейся волны через квадрат модуля ее амплитуды без введения дополнительных, зависящих от частоты, множителей. Действительно, в волноводе с идеальными стенками мощность волны равна

Однако в данной книге будем рассматривать не мощность волны, а отношение мощности волны в поперечном сечении к мощности рабочей волны в начале волновода, причем примем равной единице. Поэтому коэффициент при можно отбросить как несущественный:

В волноводе со стенками конечной проводимости это отношение имеет иной вид:

Однако при условии (2.7) различие между выражениями (2.19) и (2.20) незначительно.

Рассмотрим несколько подробнее структуру поля волно-водных волн. Каждая несимметричная волна имеет пять отличных от нуля компонент поля, тогда как у симметричных волн всего по три компоненты: волн волн На рис. 1.4 сплошными линиями показаны поперечные составляющие электрического поля некоторых волн, названия которых будут встречаться в книге. Это магнитные волны: следующая за. симметричная волна; и электрическая волна

Рис. 1.4. Поперечные составляющие электрического поля некоторых волн круглого волновода:

Для несимметричных волн круглого волновода существует поворотное или поляризационное вырождение. Эти волны в общем случае характеризуются зависимостью от азимутального угла в виде где начало отсчета угла структура их поперечного поля может быть произвольно

повернута относительно оси. Повернутое поле можно представить в виде суммы двух волн, у одной из которых отличная от нуля -компонента зависит от как другой — как

Симметричные магнитные волны и электрические волны имеют одинаковые фазовые скорости. Это следует из равенства Фазовое вырождение волны с волной никак не сказывается на распространении в регулярном волноводе, однако в реальном волноводе, где ось не прямолинейна, является крайне нежелательным, так как вызывает перерождение волны в волну

Рис. 1.5. Круглый волновод с диэлектрической пленкой: 1 — металл; 2 — диэлектрическая пленка.

Рис. 1.6. Спиральный волновод: 1 — спираль; 2 — диэлектрическая оболочка; 3 — металлический экран.

Поэтому волновод приходится видоизменять таким образом, чтобы устранить вырождение. Один из наиболее распространенных способов состоит в нанесении на внутреннюю металлическую поверхность волновода тонкого диэлектрического слоя (рис. 1.5) [1.6].

Рассмотрим зависимости (2.4), (2.5) затухания! распространяющихся волн [от частоты. С ростом частоты потери симметричных магнитных волн типа уменьшаются как потери несимметричных волн сначала уменьшаются, а затем растут как потери электрических волн монотонно увеличиваются примерно как На высоких частотах наблюдается большой перепад между потерями

мощности рабочей волны и потерями почти всех других волн. Это является важным свойством круглого волновода, получившим название самофильтрации. Волновод освобождается от всех волн, кроме волны Даже если в начале волновода распространяется несколько волн, в регулярном волноводе они затухают намного быстрее, чем волна К сожалению, не все волны имеют большое омическое затухание. Так, на высоких частотах малы потери и остальных, кроме симметричных магнитных волн, например

Самофильтрацию можно увеличить, если изменить структуру стенок волновода, например изготовив спиральный волновод [1.7]. (Выполняют его в виде цилиндра, намотанного из тонкой эмалированной проволоки, окруженной диэлектрической оболочкой для поглощения излучения. Спираль и диэлектрический слой помещают в металлическую трубу (рис. 1.6).