3.3. Примеры устройств с полным переходом мощности от одной волны к другой

Для иллюстрации сказанного рассмотрим пример дифракционного преобразователя с полной передачей энергии. Он представляет собой фильтр, отводящий из прямоугольного многоволнового волновода волну (рис. 1.9). Волновод, в котором распространяется волна связан с двумя другими прямоугольными волноводами узкими стенками, выполненными в виде тонких пластинок (толщина 0,17 мм) из плотного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью Энергия передается на длине волны Поперечный размер широкой стенки среднего волновода равен широкие стенки боковых волноводов равны т. е. приблизительно в три раза меньше, чем Волна связана в основном с волнами в боковых волноводах, так как выбор размеров обеспечивает равенство их фазовых скоростей. Распределенная связь

обеспечивается за счет просачивания электромагнитного поля сквозь диэлектрическую стенку. Энергия переходит из среднего волновода в боковые до тех пор, пока энергия волны полностью не превратится в энергию волны дополнительных волноводов. Длина участка связи, обеспечивающего фильтрацию равна При большей длине происходит обратный переход Волны боковых волноводов поглощаются в согласованных нагрузках, которыми оканчиваются узкие волноводы. Потери волны в этом фильтре-ответвителе равны тогда как потери волны в среднем волноводе составляют всего

Рис. 1.9. Фильтр-ответвитель волны синфазная (б) и противофазная (в) ветви.

Последнее обеспечивается за счет слабой связи волны с боковыми волноводами: ее фазовая скорость сильно отличается от скорости любой волны бокового волновода.

Приведем другое описание того же процесса. В начале участка связи возбуждаются две нормальные волны системы из трех волноводов. Сумма полей этих волн дает поле волны среднего волновода. Нормальные волны имеют фазовые скорости, несколько отличающиеся друг от друга. Одну из них иногда называют синфазной (рис. 1.9,6), другую — противофазной (рис. 1.9,в). На расстоянии от начала участка связи, куда обе волны приходят с разностью фаз, равной , поля нормальных волн в среднем волноводе вычитаются, и суммарное поле становится равным нулю. Вся энергия

оказывается сосредоточенной в дополнительных волноводах, где поля нормальных волн складываются. Нетрудно видеть, что оба способа рассмотрения, использующие как связанные волны, так и пространственные биения нормальных волн, одинаково хорошо описывают данный процесс. Заметим, что хотя в фильтре три физических канала, идентичность двух боковых волноводов позволила исследовать взаимодействие только двух связанных волн или биения двух нормальных.

Рис. 1.10. Перестраиваемый ответвитель

Еще раз подчеркнем, что характеризуют связанные волны и отличаются от постоянных распространения несвязанных волн на величины порядка с. Поскольку связь считается слабой, т. е. условие (3.4) выполненным, иногда этим пренебрегают. Однако для фильтров-ответвителей равенство фазовых постоянных весьма существенно. Трудность создания преобразователей с полной передачей энергии заключается в том, что очень сложно учесть влияние механизма связи на постоянные распространения. Поэтому приходится корректировать фазовые постоянные связанных волноводов и опытным путем подбирать длину участка связи.

Один из связанных трактов удобно сделать одноволновым и изменять его размеры, чтобы поочередно приравнивать фазовую скорость к фазовым скоростям разных волн многоволнового волновода. На рис. 1.10 изображен один из возможных вариантов такого ответвителя [1.10] Круглый волновод связан системой отверстий с -волноводом, образованным при погружении в прямоугольный волновод металлической пластины. Глубина погружения пластины меняется и, следовательно, изменяется фазовая скорость волны -волновода. При этом она совпадает поочередно с фазовыми скоростями волн круглого волновода, так что при очередном совпадении осуществляется связь преимущественно с одной волной. Такие ответвители позволяют определить модовый состав поля в многоволновом волноводе.

В рамках теории колебаний, описывающей волновые и колебательные процессы с единой точки зрения, уравнения связанных волн исследуются, например, в задаче о связанных маятниках [1.11]. Отличие состоит лишь в том, что обмен энергией между маятниками происходит во времени (временные биения нормальных колебаний), тогда как в волноводах биения являются пространственными. Таким образом, частота колебаний маятника аналогична фазовой постоянной волны, время — продольной координате.

Следует отметить, что уравнения связанных волн (связанных «линий») используются для описания явлений различной физической природы. Подробное исследование системы (3.5) при условии, что связь не зависит от и не вносит дополнительных потерь, вместе с приложениями к теории направленных ответвителей приведено в фундаментальной работе [1.8]. Связь электронного пучка с замедляющими структурами в лампах бегущей и обратной волны и параметрические связанные линии, в которых коэффициент связи меняется со временем, рассмотрены в [1.12]. Явление фарадеева вращения плоскости поляризации волны в круглом волноводе, вдоль оси которого расположен тонкий ферритовый стержень, намагниченный в продольном направлении, может быть истолковано как с точки зрения связи между волнами, так и на основе пространственных биений нормальных волн [1. 13].

Волны многоволнового волновода можно рассматривать как линии передачи, но только совмещенные в одном пространстве. Связь между ними может осуществляться, например, за счет регулярной деформации стенок. Так, для передачи волны иногда вместо круглого используют слегка эллиптичный волновод. Нормальные волны эллиптичного волновода, ориентированные по большой и малой осям эллипса, передаются неискаженными. Деформация стенок связывает волны скрещенных поляризаций, вырожденные в не деформированном, круглом, волноводе. Объясним, как это происходит.

Поскольку в волноводе распространяются всего две нормальные волны с разными фазовыми скоростями, он аналогичен оптической среде с двойным лучепреломлением. Представим себе длинную диэлектрическую ленту, повернутую под углом к вертикали

(рис. 1.11). Если возбудить в таком диэлектрическом волноводе линейно поляризованные волны с электрическим вектором, направленным параллельно или перпендикулярно пластине, то такие волны будут распространяться без искажения с фазовой скоростью или (нормальные волны). Если же в начале волновода возбудить вертикально поляризованную волну с единичной амплитудой, то при распространении поле вертикальной поляризации будет преобразовываться в поле горизонтальной поляризации и обратно аналогично тому, как это происходит в связанных волноводах с неравными фазовыми скоростями. Вертикально и горизонтально поляризованные волны являются связанными.

Рис. 1.11. Диэлектрическая лента — модель среды с двойным лучепреломлением.

Вертикально поляризованная волна может быть представлена в виде двух нормальных волн с амплитудами на расстоянии от начала волновода они имеют вид При этом амплитуды вертикально и горизонтально поляризованных волн записываются в следующем виде:

Уравнения (3.25) получены без использования системы уравнений связанных волн. Сравнение (3.25) и (3.11) дает все необходимые параметры связанных волн, в том числе и коэффициенты связи между ними (коэффициент связи — мнимый):

Таким образом, процессы преобразования волн, происходящие в среде с двойным лучепреломлением, могут быть описаны в терминах связанных волн, и, наоборот, связь между волнами очень наглядно моделируется средой с двойным лучепреломлением. Заметим, что в обоих случаях коэффициенты связи в системах без потерь являются мнимыми. Используемый здесь метод, в котором по решению определяются коэффициенты связи, широко применяется в теории связанных волн.

При рассмотрении волны в слабоэллиптичном волноводе удобно воспользоваться решением задачи о среде с двойным лучепреломлением. Пусть на вход эллиптичного участка волновода падает волна не ориентированная по большой или малой оси эллипса. Эту волну можно представить в виде суммы двух нормальных волн, каждая из которых распространяется со своей фазовой скоростью. При этом часть энергии падающей волны постепенно переходит к волне, поле которой в сечении волновода повернуто на 90°, т. е. происходит деполяризация. Эта часть энергии равна

и является наибольшей:

когда разность набега фаз двух нормальных волн, равна Как всегда, в этом соотношении представляет собой половину волны биений.

Полный переход в волну скрещенной поляризации осуществляется при условии На входе имеются две нормальные волны с равными амплитудами. При распространении одна из волн несколько запаздывает. На расстоянии от начала эллиптичного участка запаздывание становится таким, при котором векторная сумма нормальных волн поворачивается на 90° по отношению к падающей волне

Другими словами, существует связь между волнами вертикальной и горизонтальной поляризации. Полный переход в волну окрещенной поляризации происходит только в том случае, если связанные волны вырождены, т. е. равенство справедливо и в деформированном волноводе. Очевидно, что такими свойствами обладают волны, ориентированные по линиям, делящим пополам прямой угол между большой и малой осями эллипса. Это

следует и из Соотношений (3.26). Таким образом, энергию из волны одной поляризации можно передать в волну скрещенной поляризации. Если же эллиптичный участок ограничить длиной то получится волна с круговой поляризацией — вся структура поля в поперечном сечении будет вращаться так, что концы векторов будут описывать круги.

Любая другая ориентация волны Ни на входе эллиптичного волновода приводит лишь к частичному переходу ее энергии в энергию волны скрещенной поляризации. Наконец, если падающая волна совпадает по структуре поля с одной из нормальных волн, она не деформируется, т. е. не возникает скрещенной поляризации. Именно так можно полностью устранить взаимное влияние ортогональных волн .