2. Волноводы и резонаторы
Глава 8. НАПРАВЛЯЕМЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
8.1. Основные определения
Электромагнитная волна в устройствах и системах связи должна распространяться по определенному пути, не взаимодействуя без. надобности с другими волнами, и достигать пункта назначения с наименьшими потерями. Функцию ведения волны по заданному пути выполняют направляющие системы; их называют также линиями передачи и волноводами. На рис. 8.1 показаны поперечные сечения наиболее типичных направляющих систем, применяемых в-различных частотных интервалах. Электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль такой системы, называют направляемой. Поле этой волны сосредоточено в поперечном сечении ограниченных размеров; следовательно, направляемая волна неоднородна, на некотором расстоянии от оси системы ее поле очень мало, либо равно нулю. Направляемая волна не должна излучать в окружающее пространство, поэтому поток энергии в поперечном направлении в среднем за период отсутствует, Направляющая система называется регулярной, если она прямолинейна и ее поперечное сечение неизменно по длине.
По выполняемым функциям направляющие системы разбивают на две группы: фидеры и линии дальней связи. Фидеры служат для передачи электромагнитной энергии между блоками аппаратуры, находящимися на сравнительно небольшом расстоянии: внутри усилителя или счетном машины, между антенной и передатчиком или приемником. Линии дальней связи применяются для передачи электромагнитных сигналов на значительные расстояния (между населенными пунктами, городами, странами). Аналогичные функции выполняют линии радиосвязи, но в этом случае электромагнитная волна распространяется в свободном пространстве и поперечные размеры ее поля строго не ограничены.
Направляющие системы должны удовлетворять ряду технических требований. Основными из них являются следующие:
— малый коэффициент затухания, обеспечивающий высокий кпд фидера, либо достаточный уровень сигнала для качественного приема на конце участка линии связи;
— обеспечение заданной передаваемой мощности, что существенно для мощных фидеров. При этом не должен возникать электрический пробой и температурный перегрев системы;
— экономическая целесообразность, определяемая умеренными поперечными размерами, малым весом, доступными материалами, простотой конструкции и технологии производства и т. п.
Не существует универсальных направляющих систем, удовлетворяющих поставленным требованиям во всех диапазонах частот. Наоборот, освоение каждого нового участка частотного спектра неизменно сопровождается созданием новых типов направляющих систем. Основное противоречие заключается в том, что коэффициент затухания натравляющих систем большей частью растет с частотой. Создание новых систем позволяет продвинуться по шкале частот, не поднимаясь слишком высоко по шкале коэффициентов затухания.
Рис. 8.1
Рис. 8.2
Физические принципы действия направляющих систем различны. От постоянного тока до сотен мегагерц используются двухпроводные и коаксиальные линии. Структура поля в указанных системах такова, что линии электрического поля начинаются на одном проводнике, а заканчиваются на другом.
В полых металлических волноводах, работающих в высокочастотном диапазоне (от гигагерц до терагерц), плоская однородная электромагнитная волна распространяется внутри трубы зигзагами, многократно отражаясь от ее металлических стенок.
Волноводы поверхностной волны (диапазон частот от десятков мегагерц до тысяч терагерц) используют эффекты полного
отражения и возникновения поверхностной волны при наклонном падении луча на границу двух диэлектриков (см. 6.3). Как и в полых металлических волноводах, волна распространяется в них, многократно отражаясь от границы раздела.
В настоящее время интенсивно осваиваются субмиллиметровый и оптический (инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи) диапазоны. Создаются волноводы, использующие оптические принципы. Конфокальные линзовые и зеркальные системы (рис. 8.2) передают волну со структурой, близкой к однородной плоской волне ТЕМ. Неизбежное при свободном распространении расширение сечения луча компенсируется периодически расположенными собирающими линзами или зеркалами. Кожух служит лишь для механической и метеорологической защиты. Для этих же диапазонов изготавливаются волноводы поверхностной волны, выполненные из сверхпрозрачного стекла.
