Краткие сведения о направляющих системах СВЧ-энергии

Передача электромагнитной энергии или информации может быть осуществлена направляемыми ("связанными”) или расходящимися ("свободными") электромагнитными волнами.

Связанные или направляемые волны распространяются вдоль направляющих поверхностей, которые представляют собой границы раздела сред с различными параметрами, т. е. вдоль линии передачи электромагнитной энергии.

Расходящимися электромагнитными волнами являются волны, которые распространяются в средах (воздухе, космосе и др.), например, волны, излучаемые радиостанциями, радиолокационными, радионавигационными системами.

Принципиальным отличием расходящихся электромагнитных волн от направляемых является наличие обратно пропорциональной зависимости амплитуды напряженности поля от расстояния. Следовательно, в тех случаях, когда такое уменьшение амплитуды поля недопустимо, передача электромагнитной энергии должна осуществляться направляемыми волнами.

Для передачи электромагнитной энергии направляемыми волнами используются специальные направляющие системы (линии передачи). К ним относятся:

-двух – и многопроводные линии;

-коаксиальные, полосковые и микрополосковые линии;

-металлические и диэлектрические волноводы различных сечений и заполнений;

-волоконно-оптические линии и др.

Подробнее устройство высокочастотных линий передачи, их режимы работы, достоинства и недостатки, области применения будут рассмотрены в дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».

Как правило, в радиоэлектронных средствах, которые работают в диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн, используются волноводные направляющие системы, т. е. волноводы (радиоволноводы). В дальнейшем их и будем рассматривать.

Волноводом, в общем смысле этого слова, называют систему, направляющую поток электромагнитной энергии по заданному пути от источника к потребителю. Обычный волновод (радиоволновод) представляет собой диэлектрический канал, например, воздушный, ограниченный боковыми проводящими поверхностями.

Интересно отметить, что в диапазоне 5—12 см затухание волны в металлическом волноводе составляет примерно 0,01 дБ на 1м длины, что приблизительно соответствует 1/2000 % мощности.

Волновод, который заполнен средой с неизменными вдоль системы свойствами и у которого размеры поперечного сечения вдоль прямой оси не меняются, называется регулярным. В общем случае поперечное сечение волновода может изменяться вдоль волновода, а его "ось" представлять произвольную пространственную кривую. Такой волновод называют нерегулярным. Практические волноводные системы являются по существу нерегулярными системами. Регулярность нарушается по разным причинам как конструктивным, так и функциональным.

Волновод, заполненный средой, свойства которой в поперечном сечении волновода остаются неизменными, называется однородным волноводом. Если свойства среды, не изменяясь вдоль волновода, изменяются в его поперечном сечении, то такой волновод называется неоднородным.

Регулярный волновод называется изотропным, если среда, заполняющая волновод, изотропна как по электрическим, так и по магнитным свойствам. В противном случае волновод называется анизотропным.

В дальнейшем будем рассматривать регулярные однородные изотропные волноводы. Наибольшее распространение в сверхвысокочастотной (СВЧ) технике получили волноводы с прямоугольным и круглым сечениями (рис.4.1). Их поперечные размеры соизмеримы с длиной волны передаваемых электромагнитных волн.

Преимущества и недостатки волноводов легко выявляются при сравнении металлического волновода с коаксиальной линией. Потери в волноводе меньше, а передаваема мощность больше, благодаря отсутствию в нем внутреннего провода. Кроме того, в волноводе нет потерь на излучение, он обладает большей механической
прочностью.

Рисунок 4.1 –Прямоугольный и круглый волноводы

Основные недостатки волноводов сводятся к следующим. Это наличие критической длины волны при заданном поперечном сечении волновода, возможность распространения волн нежелательных типов и сложность производства современных волноводов. Так, для уменьшения потерь ЭМВ внутренняя поверхность стенок волновода должна быть тщательно отполирована и покрыта хорошо проводящим металлом (обычно стенки серебрят или окрашивают специальной краской).

Металлические волноводы применяют во всем диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн. На дециметровых и тем более на метровых волнах применение их в качестве линии передачи нецелесообразно из-за значительного увеличения размеров поперечного сечения.

Несмотря на многообразие геометрических форм регулярных волноводов, подход к изучению волновых процессов в них может быть единым.