22.4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ

22.4.1. Передача энергии через изгибы

В любой практической системе может появиться необходимость повернуть волновод на некоторый угол [3, 84, 85, 231, 232, 297]. В искривленных частях круглого волновода волна вида может существовать вместе с волнами видов Наличие последней является достаточно серьезной проблемой, так как волны видов и могут взаимно преобразовываться в силу идентичности фазовых скоростей в идеально проводящих прямых волноводах. Явление распространения волны вида в изогнутых волноводах, схематично представленное на рис. 22.8, а, было теоретически исследовано Жуге [73, 74]; результаты, полученные последним, были позднее дополнены Альбершейном [1]. Было показано, что в волноводах с большим радиусом изгиба волна вида существует в основном в чистом виде, в то время как в волноводах с меньшим радиусом изгиба устойчиво распространяется сложная волна, представляющая собой смесь двух видов

волны: и В последнем случае плоскость поляризации волны вида перпендикулярна плоскости изгиба, что видно на рис. 22.8, б.

Если в изогнутой секции в чистом виде распространяется либо волна вида либо волна вида то происходит возбуждение обоих видов волн, амплитуды которых определяются выражениями Волны этих видов распространяются с разными фазовыми скоростями и при интерференции образуют максимумы и минимумы с амплитудами и

Рис. 22.8. Передача волны вида через изгиб: а — геометрия нзгнба; б - электрическое поле: для волны вида (1), для нормальной волны вида (11), для возбужденных волн вида (111); в — зависимость амплитуды колебаний от угла изгиба .

При этом имеет место непрерывный процесс перехода энергии от одного вида волн к другому, причем коэффициент затухания таких смешанных колебаний равен среднему значению коэффициентов затухания волн в прямом волноводе. При радиусе изгиба энергия волны вида полностью переходит в энергию волны вида при критическом угле, равном

где целое число.

Наиболее целесообразно угол изгиба брать равным В этом случае колебания на выходе совпадают с колебаниями вида на входе. Наличие такого преобразования видов волн, графически изображенного на рис. 22.8, в, было подтверждено экспериментально [168].

На практике при использовании названных выше углов изгиба пришлось столкнуться с некоторыми серьезными ограничениями. Более того, полоса пропускания таких отрезков волновода оказалась ограниченной. При полосе пропускания, равной ±10% от несущей, потери для волны вида равны 0,45 и 1,9 дб для углов

изгиба, соответственно равных двум и четырем критическим углам. От появления такого вида преобразований можно избавиться несколькими методами [124]. При плавных изгибах можно использовать фильтры, настроенные на разные виды волн. Если в середину изогнутого волновода, угол которого равен критическому, поместить идеальный фильтр, амплитуда волны вида в этой точке составляет 0,707, в то время как амплитуда волны равна нулю. На выходе второй половины изогнутого колена волновода амплитуда волны вида будет равна 0,5. Таким образом, учитывая еще потери волн вида получим, что потери в изгибе уменьшились от бесконечности до 6 дб. Можно показать, что в случае введения в волновод N поглотителей, расположенных на равных расстояниях друг от друга, амплитуда волны вида на выходе будет равна Для произвольного угла изгиба 0 амплитуда оказывается равной Если количество поглотителей неограниченно увеличивать, потери волны вида в изгибе волновода стремятся к нулю. Такие условия можно создать в непрерывных структурах.

Использование другого метода позволяет получить и на входе и на выходе изогнутого волновода колебания нормального вида волн. В состав колебаний таких видов может входить сумма колебаний видов с равными амплитудами или только ортогональные колебания вида Последний вид колебаний можно создать путем пропускания волны вида через волновод, изогнутый под определенным углом, в который помещены диэлектрические вставки для создания фазовой задержки и (или) вращения плоскости поляризации. Явление преобразования видов волн, имеющее место в изгибе, может быть ослаблено путем уничтожения возможности перехода волн вида в волну вида и обратно посредством модификации структуры. Коэффициент передачи энергии через модифицированную изогнутую структуру определяется выражением [124]

где являются граничными частотами полосы пропускания модифицированной изогнутой структуры для волн вида соответственно и Значения величины потерь представлены на рис. 22.9, а. В случае передачи колебаний частоты по волноводу диаметром 5 см при разности критических частот для двух видов волн в 0,5% и радиусе изгиба отношение получается равным 20, что соответствует при наихудшем угле изгиба величине потерь 0,05 дб.

От вырождения волн видов можно избавиться при небольшом увеличении потерь путем применения спиральных [119] или эллиптических волноводов. Вообще любое изменение,

вносимое в круглый волновод, которое по-разному влияет на колебания волн видов может привести к устранению вырождения. Одной из таких модификаций является введение небольшой поперечной гофрировки в стенку волновода, как это показано на рис. 22.9, б. Данная модификация оказывает слабое влияние на прохождение волн типа в то время как волна оказывается нагруженной на радиальные канавки. Такой волновод характеризуется уровнем потерь, равным для критического угла изгиба 0,1 дб.

Рис. 22.9. Устранение вырождения волны вида в волну вида а — зависимость амплитуды колебаний при угле изгиба, обеспечивающем максимальное преобразование видов воли, от различия в величине фазовой скорости; б и в — два метода конструирования внутренней части волновода для устранения явления изменения фазовой скорости. (См. [124].)

Карбовяк [273] предложил нанести на внутреннюю стенку диэлектрическое покрытие, показанное на рис. 22.9, в; оно оказывает сильное влияние на электрическое поле волны вида

Из анализа [186, 209] такой среды следует, что связь с другими видами волн увеличивается и что при оптимальной толщине диэлектрика потери преобразования колебаний в волны видов и оказываются равными друг другу. При частоте такие методы позволяют для волноводов диаметром 2,22 см выбирать радиус изгиба а для волноводов диаметром 5 см — 15 м; величина потерь, определяемых явлением преобразования, здесь составляет 0,2 дб. Барлоу [7] предложил метод, при котором реактивные составляющие полного анизотропного поверхностного сопротивления стенок для волн вида и других видов отличаются друг от друга. Если поверхность представляет индуктивное сопротивление для волны и емкостное для видов волн более низкого порядка, то волна окажется доминирующей. Требуемое поверхностное полное сопротивление можно получить с помощью

комбинации периферических канавок и диэлектрических покрытий, либо аксиальных канавок.

Анализ [6, 124] уравнений поля в тороидальных координатах показывает, что важным условием распространения с малыми потерями через изгибы является радиальность фронта волны, представляемого эквифазной плоскостью по отношению к центру кривизны. Для этого требуется наличие изменения фазовой скорости между внутренней и внешней частями изгиба. Если относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости среды в волноводе остаются постоянными, необходимое изменение фазовой скорости можно получить путем изменения поверхностного реактивного сопротивления по периферии волновода. Для волновода диаметром 3,43 см, изогнутого под радиусом и работающего на частоте 35 Ггц, величина изменения фазовой скорости равна Последнее можно обеспечить с помощью емкостной поверхности, состоящей, например, из периферийных канавок. Расстояние между канавками должно быть меньше 1/3 длины волны в волноводе; канавки могут быть заполнены материалом, обладающим большой диэлектрической проницаемостью. Другой метод заключается в использовании неоднородной диэлектрической среды применительно к конструкции, изображенной на рис. 22.10, а; диэлектрическая проницаемость в любой точке определяется выражением

Рис. 22.10. Компенсаторы изгибов в круглом волноводе. Наличие таких компенсаторов устраняет возбуждение вырожденной волны вида (См. [6].)

Наличие диэлектрической нагрузки можно рассматривать как введение связи между волнами видов и величина которой равна и противоположна по знаку связи, образующейся за счет кривизны волновода. Например, если то величина может меняться в пределах от 0,058 на внутренней поверхности до 0,250 в центре, и 0,442 на внешней поверхности. Остается еще небольшая остаточная связь с другими видами воли и можно показать, что ни при какой комбинации значений диэлектрической и относительной магнитной проницаемостей мы не получим поля волны удовлетворяющего уравнениям Максвелла.

Более практичным решением проблемы компенсации паразитных видов волн является заполнение части поперечного сечения волновода диэлектриком. На рис. 22.10, б изображен в качестве примера сектор круга, симметрично расположенный во внутренней части изгиба. Такой сектор хорошо выполняет свои функции в волноводе, в котором могут распространяться 40—50 видов волн, но в волноводе, в котором могут распространяться видов волн, имеет место нежелательное появление волн видов и (или) От появления таких волн можно избавиться путем применения трехсекторного диэлектрического компенсатора, изображенного на рис. 22.10, в. Например, на частоте волновод диаметром 2,22 см должен иметь минимальный радиус изгиба, равный 18,8 см при уровне потерь преобразования 0,1 дб и величине равной 0,143. Результаты экспериментов [7, 8] с волноводами, заполненными соответствующим образом расположенными полистроловыми дисками, свидетельствуют о том, что преобразование волны вида в волну вида значительно уменьшается.

После устранения явления вырождения волны вида в волну вида потери при преобразовании видов волн могут быть дополнительно уменьшены [1871 путем введения плавного изменения кривизны волновода. Длина перехода должна быть достаточно большой по сравнению с длиной волны биений колебаний волны нормального вида с колебаниями других нормальных видов, в которые может переходить энергия основного вида волн. Поэтому наличие волновода, структура которого препятствует преобразованию волн различных видов друг в друга, является достаточно важным условием. Линейно-искривленные переходы можно легко изготовить посредством изгиба трубы в пределах упругой деформации. При изменении направления на 30° волновода диаметром 5 см и длиной с диэлектрическим покрытием полное затухание за счет изгиба на частоте вдвое превышает затухание волны вида в прямолинейном волноводе такой же длины. Такой плавный изгиб является широкополосным.

С другой стороны, прямой волновод с опорами, расположенными на равных расстояниях друг от друга, может эластично деформироваться под действием собственного веса в змееобразную кривую. Анализ [185] показывает, что наличие змееобразного искривления влияет на передачу волны вида также незначительно, как

и обычный изгиб с таким же радиусом. Переход волны вида возможен и может стать значительным, если расстояние между опорами кратно длине волны биений волн вида и других видов. В медной трубе диаметром 5 см с толщиной стенок переход энергии в волну вида на частоте приводит к ослаблению волны вида на 90% и увеличению уровня паразитных волн до — 7 дб. Установка спиральных фильтров, настроенных на паразитные виды волн и расположенных друг от друга на расстоянии уменьшает указанное ослабление волны вида до и снижает уровень паразитных видов волн до —26 дб.