22.3.2. Потери, вызванные явлением преобразования видов волн

Если волновод не обладает точной осевой симметрией, строго прямыми стенками и постоянным по длине поперечным сечением, то искажения поля, вызванные вышеуказанными неоднородностями, приводят к появлению волн другого вида, кроме основного первоначального, возбужденного в волноводе. В результате этого происходит некоторое перераспределение энергии между основной и паразитными волнами, что эквивалентно увеличению затухания полезного вида волн. Более того, паразитные виды волн характеризуются разными значениями фазовых коэффициентов, что приводит к искажению сигнала.

Из рассмотрения явления преобразования одного вида волн в другие [70, 87, 251] следует, что наличие небольшой постоянной эллиптичности не оказывает серьезного влияния [28, 100]. На

практике, однако, любой круглый волновод состоит из коротких отрезков эллиптических волноводов, оси которых ориентированы случайным образом. Это приводит к появлению еще более значительного вида потерь, величина которых была подсчитана при некоторых допущениях [126]. Ступенчатые соединения приводят к явлению рассеяния [141, 148, 233, 255, 272, 278, 280], в то время как плавные переходы [240, 302] между волноводами различных диаметров являются причиной возникновения потерь, вызванных преобразованием в энергию волн видов Если эти паразитные виды волн начнут резонировать в замкнутом объеме, то такие потери могут оказаться большими. Помехи, обусловленные появлением волн видов и являются особенно важными. Принципиальной особенностью такого типа рассеяния является то, что энергия рассеивается в прямом направлении [310].

При анализе явлений преобразования видов волн Миллер [123] полагал, что после того, как волна вида пройдет через первую неоднородность, некоторая доля энергии переходит в энергию волны какого-нибудь паразитного вида, который обозначим через Когда сумма двух колебаний проходит через вторую неоднородность, имеет место следующее преобразование, в результате чего сложное колебание будет состоять в основном из колебаний волны двух малых составляющих паразитных видов и круговой электрической волны вида с еще меньшей амплитудой, появляющейся при обратном переходе энергии из волны вида в энергию волн другого вида.

Если две одинаковые симметричные неоднородности расположить на надлежащем расстоянии друг от друга, то составляющие взаимно компенсируются, в то время как при другом расстоянии между неоднородностями будет максимальная передача энергии другим видам волн. Последствия от обратного преобразования других видов волн в волну являются менее опасными по сравнению со случаем, когда переход энергии носит случайный характер. Серьезная проблема, связанная с искажениями, возникает при любом когерентном обратном преобразовании в случае несоблюдения нужных фазовых соотношений.

Для типичного круглого прямого волновода [123] коэффициент потерь обусловленных преобразованием энергии в колебания других видов, примерно в два раза меньше коэффициента определяемого омическими и тепловыми потерями в проводнике. С другой стороны, типичные значения отношения т. е. величины омических потерь паразитных видов волн, к величине омических потерь волны вида лежат в пределах от 2 до 100. На рис. 22.7 представлена зависимость от длины линии отношения энергии истинного сигнала к энергии сигнала волны вида появляющейся при обратном переходе колебаний других типов в при различных значениях отношения потерь. Из рассмотрения рис. 22.7 следует, что при больших длинах и малых значениях отношения потерь величина энергии волн, образующихся

при обратном преобразовании, оказывается сравнимой с величиной энергии истинного сигнала, а иногда даже превосходит ее. Таким образом, для обеспечения удовлетворительной передачи энергии на большие расстояния необходимо работать при значениях величины отношения потерь 500 или более.

Рис. 22.7. Улучшение, обусловленное фильтрацией некоторых видов волн. Представлена зависимость отношения энергии истинного сигнала к энергии сигнала появляющегося при обратном преобразовании колебаний других видов волн в волну вида от длины линии, выраженной в величине омических потерь. Коэффициент преобразования «0,5. Числа на графике определяют величину отношения потерь эту величину можио сделать достаточно большой при использовании фильтров, настроенных на определенные виды волн. На вставках изображено конструктивное выполнение двух типов фильтров. (См. [123].)

Нужную величину коэффициента затухания можно получить, используя очень хорошо проводящую поверхность по круговому и менее проводящую по продольному направлениям для токов, текущих по стенкам волновода. Один из практических методов получения таких условий заключается во введении в волновод фильтров, настроенных на определенный вид волны [158, 192]. Подобные фильтры целесообразнее всего располагать на таких интервалах, чтобы ослабление сигнала между ними не превышало величины 0,1 дб. На вставках рис. 22.7 показано два примера. На одной из них изображены продолъйые поглощающие пластинки и аксиально расположенные металлические вкладыши [59, 90, 144, 254, 275];

в обоих случаях ослабление паразитных видов волн будет много больше ослабления волны вида

Общепринятый метод подавления определенных видов волн состоит в том, что стенки волновода выполняются в виде изолирующего кожуха, внутри которого устанавливается спиральный проводник [18, 128, 129, 189, 222, 270]. Если шаг спирали сделать достаточно малым, величина коэффициента затухания волны вида может оказаться весьма близкой к величине коэффициента затухания в обычном жестком волноводе с проводящими стенками. Ослабление других видов волн будет намного большим и определится шагом спирали и материалом, из которого изготовлен кожух. Для многих паразитных видов волн существует такое, значение проводимости материала кожуха, при котором коэффициент затухания этих волн оказывается максимальным; это значение зависит от вида волны, диаметра волновода и диэлектрической проницаемости вещества, входящего в состав кожуха.

Удовлетворительные результаты были получены [145, 156, 190] при использовании спирали с очень небольшим шагом, изготовленной из изолированного провода диаметром типичные значения параметров кожуха равны Анализ [107] показывает, что волны кругового электрического вида могут проходить через соединение жесткого медного и спирального волноводов без заметного преобразования и отражений, если шаг намотки сделать очень малым. Спиральный волновод можно изготавливать [15, 113] с требуемыми допусками [221, 241] в отношении прямолинейности, степени овальности и постоянства диаметра по длине, используя для этого стальную оправку.