9.3. Волноводы с нерегулярностями. Предельная мощность

ВСТРЕЧНЫЙ И ПОПУТНЫЙ ПОТОКИ

Нерегулярностью в направляющей системе называют всякое из; менение формы или размеров ее поперечного сечения и параметров заполняющего ее диэлектрика, наличие металлических или диэлектрических тел и т. п. Некоторые нерегулярности носят случайный характер (деформации стенок волновода, несовершенство их обработки), другие являются необходимыми для функционирования волноводных трактов (изгибы волновода, сочленения волноводных секций, переходы на другое сечение, элементы связи и т. д.).

Нерегулярности нарушают структуру поля волновода; вследствие этого возможно появление волн, отраженных от нерегулярностей; преобразование волн, т. е. передача части мощности распространяющейся волны волне другого типа; увеличение напряженности поля в отдельных областях по сравнению с напряженностью регулярного волновода.

Рассматривая передачу сообщений по направляющим системам, полезным сигналом считают ту основную группу волн с определенным спектром частот, на которую случайные нерегулярности практически «евоздействовали (за исключением некоторогоизменения их амплитуды и фазы). Отражения и преобразования волн на нерегулярностях создают дополнительные потоки волн, которые отстают от полезного сигнала (или опережают его) и являются помехой для приема сообщения. Помехи, созданные большим числом произвольно расположенных нерегулярностей, носят случайный характер и изучаются статистическими методами. Различают следующие мешающие потоки волн.

Встречный поток — сумма волн, отраженных от нерегулярностей. Эти волны приводят к рассогласованию на входе волновода.

Попутный поток, обусловленный отражениями. Отраженная от нерегулярности волна частично вновь отражается (рис. 9.13). Эта двукратно отраженная волна отстает от основной на время (и — групповая скорость); ее уровень относительно основной волны равен где коэффициенты отражения от нерегулярностей. Сумма волн, отраженных два, четыре и более раз от всех нерегулярностей в волноводе, создает множество запаздывающих паразитных сигналов и называется попутным потоком за счет отражений.

Попутный поток, обусловленный преобразованием типов волн. Эта составляющая попутного потока появляется только в многомодовых волноводах. На нерегулярности H (рис. 9.14) передаваемая волна (например, Н) частично преобразуется в другую (пусть Е), на нерегулярности происходит частично обратное преобразование волны

Рис. 9.13

Рис. 9.14

Таким образом, часть сигнала на участке I передается с иной групповой скоростью и приходит к концу волновода с относительной задержкой если помеха опережает основной сигнал. Относительная величина паразитного сигнала равна где коэффициенты преобразования типов волн на нерегулярностях. Сумма волн такого рода образует попутный поток за счет преобразования типов волн.

При определении интенсивностей попутных потоков принимаются во внимание также фазовые соотношения между отдельными слагаемыми, определяемые фазовыми скоростями волн и фазами коэффициентов

ПРЕДЕЛЬНАЯ И ДОПУСТИМАЯ МОЩНОСТИ

Электрический пробой. В тех случаях, когда волновод используется в передающих устройствах, он должен быть рассчитан на определенную мощность. Ограничивающими факторами могут являться чрезмерный нагрев волновода и электрический пробой. При приемлемых на практике значениях коэффициента затухания температура стенок полого волновода, определяемая средней мощностью сигнала, обычно не превосходит допустимых величин, так как обеспечивается интенсивное охлаждение его стенок. Ограничение мощности из-за возможности пробоя существенно при передаче импульсных сигналов высокого уровня.

Назовем предельной Рпред мощность сигнала в максимуме, при которой в волноводе еще не возникает электрический пробой, при условии, что волновод согласован с нагрузкой (режим бегущей волны) и в нем отсутствуют нерегулярности рассчитывается по напряженности пробоя в той области волновода, где напряженность электрического поля максимальна.

Допустимая мощность Ядоп определяется с учетом согласования волновода и возможности увеличения напряженности

поля на нерегулярностях. Отраженная от нагрузки волна уносит часть мощности, поэтому полезная мощность волновода равна разности мощностей падающей и отраженной волн (см. 8.9):

где нормированные значения напряжения и тока в пучностях.

Из этого выражения следует, что полезная мощность при заданном пропорциональна Поэтому допустимая мощность

где коэффициент, который учитывает действие нерегулярностей, создающих местное увеличение поля, а также некоторую начальную ионизацию газа, понижающую напряженность пробоя.

В расчетах принимают Общий коэффициент запаса считают равным Допустимая мощность в 3—5 раз меньше предельной из-за увеличения напряженности поля. в ряде областей волновода за счет неполного согласования с нагрузкой и существования нерегулярностей. При амплитудной модуляции значение Ядоп, как и Япред. должно соответствовать пиковой мощности (в максимуме огибающей).

Расчет предельной мощности. Пробой возникает в той области, где напряженность поля максимальна. Для волн, имеющих продольную компоненту электрического поля, следует учесть, что и Е сдвинуты по фазе на 90°, и поэтому не превосходит максимального значения одной из указанных компонент. Предельная мощность соответствует Связь между мощностью и напряженностью поля устанавливается выражением (8.25) и формулами для структуры поля нужной волны.

Напряженность поля пробоя зависит от температуры, давления и состава газа, заполняющего волновод, а также от частоты колебаний. Если волновод заполнен воздухом при нормальных давлении и температуре, то Минимум в сантиметровом диапазоне соответствует для большинства газов абсолютному давлению порядка такие давления используются в газоразрядных антенных переключателях.

Для повышения мощности передачи можно работать с высоким вакуумом или, наоборот, высоким давлением. В технике, как правило, повышают давление внутри волновода. К этому методу особенно часто прибегают в аппаратуре, работающей на больших высотах, где атмосферное давление незначительно. Для давлений выше 0,1 атмосферного в любом газе примерно пропорционально давлению.

Поле пробоя в воздухе можно увеличить добавлением газов, содержащих галоиды (арктон, фреон, элегаз Нужно, однако, иметь в виду, что при разложении эти газы дают вредные продукты, вызывающие коррозию.

Предельная мощность основной волны прямоугольного волновода. У волны типа имеется только одна составляющая электрического поля которая достигает максимума при Переходя от эффективных значений поля к максимальным и положив , получаем Очевидно, предельная мощность равна отношению пред к нормированному коэффициенту :