3.4. Условия, при которых передача мощности затруднена. Связанность и фильтрация

Наиболее часто волновод очень близок к круглому, а волна поляризована произвольно по отношению к направлению большой оси. При этом необходимо определить, какие требования следует предъявлять к среде, чтобы переход энергии из одной волны к волне, с ней связанной, был наименьшим. Например, для волны Ни нужно определить условия уменьшения перехода в волну скрещенной поляризации. Указанные требования можно определить при анализе решения (3.11).

Рассмотрим подробнее условия, мешающие полной передаче энергии из одной волны в другую, т. е. условия, устраняющие заметное преобразование типов волн.

Прежде всего, следует уменьшить связь между волнами. Для этого необходимо уменьшать деформацию стенок, т. е. максимально приближать геометрию волновода к оптимальной. Однако при этом существует предел, обусловленный технологическими причинами. Всегда остается незначительная связь между волнами. А даже при очень слабой связи возможно полное сосредоточение энергии в нежелательной волне, если связанные волны вырождены, т. е. их фазовые постоянные равны.

В теории колебаний вводится понятие связанности [1.11]. Связанность определяется как отношение коэффициента связи к разности парциальных частот, причем парциальным колебанием называется качание

одного из связанных маятников, когда другой закреплен. Если парциальные частоты равны и запущен один из маятников, то через некоторое время, зависящее от коэффициента связи, энергия его колебаний полностью перейдет ко второму маятнику и первый маятник остановится. Затем происходит обратный переход. Это явление называется биением связанных синхронных колебательных систем. По аналогии введем параметр, определяемый как отношение модуля коэффициента связи к полуразности фазовых постоянных, т. е.

и назовем его связанностью волн. Вырожденные связанные волны, так же как и вырожденные связанные парциальные колебания, сильно взаимодействуют друг с другом именно вследствие синхронизма. Связанность при этом велика, формально она равна бесконечности.

Если же связанность велика, а связь мала, то передача энергии, например, между двумя связанными маятниками происходит очень медленно и в течение незначительного времени наблюдения заметной передачи не произойдет. Аналогично при слабой связи вырожденных волн расстояние, на котором осуществляется полная передача энергии, может оказаться очень большим по сравнению с реальной длиной тракта, поэтому связью можно будет пренебречь и считать волны независимыми.

Для уменьшения преобразования волн нужно уменьшить связанность, т. е. при данном, коэффициенте связи как можно больше увеличить разность фазовых постоянных связанных волн. Если вырождение между волнами снято, то уменьшение энергии, переносимой рабочей волной (3.23) (потери на преобразование), не превышает

Снятие фазового вырождения может оказаться недостаточным, если связанность остается настолько высокой, что периодически значительная часть энергии сосредотачивается в нежелательной волне. Этого можно избежать, обеспечив значительное превышение разности коэффициентов затухания над коэффициентом связи, т. е. хорошую фильтрацию. Ее можно

характеризовать безразмерным отношением полуразности постоянных затухания к коэффициенту связи. Величина

обратная фильтрации, должна быть мала.

В этом случае эффективной передачи энергии не происходит, даже если волны близки к вырождению. В терминах связанных колебаний аналогичная ситуация означает следующее: трение. В подвесах маятников настолько велико, что энергия, переданная за период от одного маятника к другому, меньше, чем энергия; рассеянная на нагревание трущихся частей. Через связь передается какая-то доля энергии первого маятника, но она не приводит к сильному раскачиванию второго. В терминах связанных волн это можно объяснить так: часть энергии, которая переходит из одной связанной волны в другую, поглощается омическим сопротивлением. В результате, как это следует из (3.19), энергия нежелательной, паразитной волны практически не увеличивается и равна

Одновременно на величину увеличивается постоянная затухания рабочей волны.

Итак, чтобы затруднить переход энергии из одной волны в другую, следует прежде всего стремиться ликвидировать связь между волнами. Если это не удается, снять фазовое вырождение с тем, чтобы уменьшить связанность волн, а также увеличить фильтрацию.