1. Література по волноводам

Рис.1 - Круглий і прямоуголний хвилеводи. Хвилевід

- штучний або природний канал, здатний підтримувати поширюються уздовж нього хвилі , Поля яких зосереджені всередині каналу або в примикає до нього області. Розрізняють екрановані Хвилевід з добре відбивають стінками, до яких відносять хвилеводи металеві , Направляючі еллектромагнітние хвилі, а також коаксіальні і багатожильні кабелі, хоча останні зазвичай зараховують до лініях передачі (Довгих лініях). Однак практично всі типи хвилеводів слід розглядати як різновид ліній електропередачі. До екранованим волноводам відносять також хвилеводи акустичні з досить жорсткими стінками.

хоча коаксіальні лінії застосовуються широко, але все ж вони мають деякі істотні недоліки, особливо помітними на сантиметрових хвилях. Втрати в цих лініях з підвищенням частоти значно зростають, так як поверхня внутрішнього проводу лінії мала, а. отже, його опір порівняно велике. Крім того, збільшуються втрати в ізоляторах, що відокремлюють внутрішній провід від зовнішнього. Якщо ж збільшити діаметр внутрішнього проводу, т. Е. Зменшити відстань між ним і зовнішнім проводом, то з'являється небезпека пробою ізоляції, особливо при великих потужностях.

На сантиметрових хвилях лінію в багатьох випадках замінюють волноводом, що представляє собою металеву трубку круглого або прямокутного перерізу, всередині якої поширюється електромагнітна хвиля (рис.1). Стінки хвилеводу грають роль екрану, що не дає електромагнітних хвиль поширюватися в різні боки і змушує їх переміщатися тільки уздовж хвилеводу.

Порівняно з коаксіальної лінією втрати енергії в волноводе менше, так як відсутній внутрішній провід і немає ніяких ізоляторів. Найбільша напруга в волноводе виходить між діаметрально протилежними точками його внутрішньої поверхні, якщо хвилевід має круглий перетин), або між протилежними стінками, якщо його перетин прямокутне (рис.1). Відстань між цими точками більше, ніж відстань між проводами в коаксіальної лінії , І тому небезпека пробою при високих напругах значно менше.

Однак хвилеводи мають свій недолік, який обмежує їх застосування. У коаксіальної або симетричною лінії можуть поширюватися хвилі будь-якої частоти, а в волноводе можливе поширення тільки хвиль, у яких частота вище деякої певної величини, званої критичної частотою fKp. Інакше кажучи, в волноводе можуть распространятьея тільки хвилі, у яких довжина коротше певної критичної довжини хвилі (лямбда) кр. Критична довжина хвилі приблизно вдвічі більше поперечного розміру хвилеводу. Якщо хвилевід має діаметр 3 см, то критична довжина хвилі буде приблизно (ламбда) -6 см. Довші хвилі через такий хвилевід поширюватися не можуть.

Ясно, що хвилеводи для коротких або метрових хвиль непридатні, так як це були б труби з поперечними розмірами в одиниці або десятки метрів! Навіть для дециметрових хвиль діаметр хвилеводу повинен бути порядку десятків сантиметрів, що також незручно. Тому хвилеводи використовуються тільки на сантиметрових хвилях, для яких конструкція хвилеводу не виходить занадто громіздкою.
Теорія поширення радіохвиль в хвилеводах вельми складна, і можна розглянути лише деякі висновки цієї теорії, які добре підтверджені експериментами.

У хвилеводі поперечна електромагнітна хвиля поширюватися не може. Дійсно, магнітне поле існує тільки всередині хвилеводу, стінки якого є екраном для електромагнітного поля високої частоти. Тому магнітне поле в волноводе не може охоплювати провідник з струмом, так як немає внутрішнього проводу, а воно повинно охоплювати поздовжнє електричне поле. Але поперечна електромагнітна хвиля не містить поздовжнього електричного поля. Якщо ж припустити, що електричне поле в волноводе поперечне, то воно повинно охоплюватися замкнутими магнітними силовими лініями, які будуть лежати в поздовжніх площинах. Однак у поперечної хвилі не може бути поздовжнього магнітного поля.

Досвід і теорія показують, що в хвилеводах можуть розповсюджуватися електромагнітні хвилі різних типів. Всі вони діляться на дві групи: 1) електричні хвилі, що позначаються Е, мають електричне поле, розташоване і в поперечному і в поздовжньому напрямках, а магнітне поле тільки в поперечній площині; 2) магнітні хвилі, що позначаються H, мають магнітне поле, розташоване впоперек і вздовж хвилеводу, а електричне поле тільки в поперечній площині.

Рис.2 - Шляхи хвиль різної довжини в волноводе.

Хвилю в волноводе можна розглядати як суму поперечних хвиль, що поширюються зигзагоподібно шляхом багаторазового відбиття від стінок, як показано на рис.2. При цьому більш довгі хвилі поширюються з великою кількістю віддзеркалень і зигзагів.

Фізичний сенс відображення хвиль від провідника полягає в тому, що падаюча хвиля створює в поверхневому шарі провідника струми, які, в свою чергу, дають випромінювання нових електромагнітних хвиль, тобто відбитих хвиль. Якщо провідник ідеальний, то виникли струми абсолютно не витрачають енергію на його нагрівання і енергія відбитої хвилі дорівнює енергії падаючої хвилі. Практично кожен провідник не є ідеальним, в ньому відбувається деяка втрата енергії на нагрівання, і енергія у відбитої хвилі завжди трохи менше, ніж у падаючої.

Рис.3 - Структура магнітного і електричного полів
в прямокутному хвилеводі для основної хвилі типу Н.

На рис.3 показані електричне та магнітне поля для найпростішої основної хвилі типу Н, яка найбільш часто застосовується на практиці. Магнітні силові лінії тут зображені штриховими, а електричні силові лінії - суцільними лініями.

Силові лінії, перпендикулярні до площини креслення, показані або точками, якщо вони йдуть на нас, або хрестиками, якщо вони йдуть від нас.

Так як хвиля, відбита від однієї стінки, складається з хвилею, відбитої від протилежної стінки, то в поперечному напрямку хвилеводу завжди виходять стоячі хвилі. Та, що біжить хвиля в поперечному напрямку не може поширюватися, так як руху енергії в одну сторону перешкоджають стінки хвилеводу.

У поперечному напрямку в найпростішому випадку укладається одна стояча полуволна так, що у протилежних стінок можуть бути вузли, а в середині - пучность або навпаки. У напрямку вздовж хвилеводу може виходити різний режим. Якщо на кінці хвилеводу відображення відсутня, то буде хвиля, що біжить. Повне відображення, наприклад, у випадку, якщо кінець хвилеводу закритий металевою стінкою, дає режим стоячих хвиль. При частковому відображенні будуть змішані хвилі.

Для зображеної на рис.4 хвилі в точках А і В виходить максимум поперечної складової магнітного поля, а в точках Б і Г - максимум його поздовжньої складової. Відстань АС дорівнює половині довжини хвилі. У точці Д напруженість магнітного поля дорівнює нулю. У наступній (сусідній) напівхвилі магнітного поля все повторюється, але тільки магнітні силові лінії йдуть в протилежний му напрямку.

У разі біжучої хвилі вся намальована картина поля рухається уздовж хвилеводу, так що рис.3 слід розглядати як миттєвий фотознімок поля, справедливий тільки для одного моменту часу. Розподіл магнітного поля уздовж хвилеводу для цього моменту показують криві рис.3. Один з них показує розподіл поперечної складової Нпопер, а інший - поздовжньої складової НПрод - При цьому слід пам'ятати, що поперечна складова виходить найбільшою на середній площині хвилеводу (на лінії АВ) і в міру наближення до стінок зменшується до нуля, а поздовжня складова, навпаки , має найбільше значення у стінок і в міру наближення до середньої площині хвилеводу зменшується до нуля.

На рис.3 г дані криві, що показують зміну Hпрод і Нпопер уздовж боку b поперечного перерізу хвилеводу. Ці криві відповідають стоячим хвилям магнітного поля в поперечному напрямку, причому НПрод має пучности під стінами і вузол посередині, а Нпопер - навпаки.

Необхідно відзначити, що картина поля, показана за допомогою деякого числа силових ліній, є вельми грубій. Силові лінії, звичайно, відображають реально існуюче поле, але чим воно складніше, тим більше неточним стає даний метод. Зображення лоля силовими лініями не розкривати тонкої структури поля. Це особливо відчувається при розгляді складних полів у хвилеводах. Однак в нашому розпорядженні немає досконалішого методу зображення структури електричного або магнітного поля.

У електричного поля хвилі Н структура простіше, так як воно має тільки поперечну складову. На рис.3 в показано розподіл електричного поля в поперечному напрямку, а на рис.3 г приведена крива зміни напруженості поля Е за цим напрямком. Як видно, уздовж розміру b укладається одна стояча полуволна електричного поля, причому в середині хвилеводу виходить пучность, а під стінами - вузли. Таким чином, уздовж боку b розподіл електричного поля збігається з розподілом поперечної складової магнітного поля (рис.3 г). Не слід при цьому забувати, що вектори Е і Н попер взаємно-перпендикулярні.

У напрямку вздовж хвилеводу електричне поле розподілено так, як зображено на рис.3 6.

Відповідна крива показує, що в цьому напрямку закон розподілу електричного поля також збігається з розподілом поперечної складової магнітного поля, т. Е. Максимум електричного поля виходить там, де є максимум поперечного магнітного поля. Така структура поля характерна для біжучої хвилі, у якій коливання електричного і магнітного полів впоратися за фазою, т. Е. Найбільшу кількість електричних силових ліній є там, де знаходиться найбільш сильне магнітне поле. А в разі стоячій хвилі, навпаки, максимум електричного поля знаходиться там, де магнітне поле найбільш слабке.

Крім основної хвилі, існують ще й багато інших типів хвиль. Для класифікації поля в прямокутних хвилеводах прийнята наступна система. Близько позначення хвилі ставиться індекс з двох цифр, які показують відповідно число стоячих півхвиль уздовж меншою і більшою сторін поперечного перерізу. Наприклад, розглянута основна хвиля типу Н позначається H01 (або TE01), так як для неї уздовж боку а поперечного перерізу хвилеводу стоячій хвилі немає, а вздовж боку b розподілена одна стояча полуволна. У прямокутному хвилеводі можуть також поширюватися хвилі вищих порядків, які мають більш складні поля, в яких уздовж одного боку перетину розподілено дві, три або більше стоячих півхвиль. Ці хвилі не мають практичного застосування, так як ведуть до збільшення перетину хвилеводу і втрат в порівнянні з найпростішими хвилями.
Для класифікації хвиль в круглих хвилеводах до позначення хвилі також додають дві цифри у вигляді індексів. Перша цифра показує число стоячих півхвиль уздовж півкола, а друга - відповідає числу стоячих півхвиль уздовж радіуса.

Уздовж хвилеводу завжди спостерігається деяке затухання хвилі, т. Е. Її енергія поступово зменшується. Це пояснюється тим, що на внутрішній поверхні стінок хвилеводу створюються струми, які витрачають частину своєї енергії на нагрів металу. Втрати анергии були відсутні б тільки в разі стінок з ідеального провідника.

Зі зниженням частоти до критичного значення загасання зростає, що пояснюється збільшенням числа віддзеркалень хвиль від стінок. Коли частота близька до критичної, загасання стає дуже великим, а критична хвиля взагалі не проходить уздовж хвилеводу. Але і при значному підвищенні частоти затухання також зростає за рахунок того, що товщина поверхневого шару, в якому проходять струми, зменшується, а його опір збільшується. Звідси випливає, що на деякій середній найвигіднішої частоті загасання має найменшу величину.

У волноводах можуть спостерігатися біжать, стоячі і змішані хвилі в залежності від наявності більшої чи меншої відображення на кінці хвилеводу. Режим роботи лінії характеризує

коефіцієнт біжучої хвилі, КБВ - рівний КБВ = Емін / Емакс, де Емін і Емакс - найменша і найбільша величини діючого значення напруженості електричного поля, виміряні при переміщенні уздовж хвилеводу будь-якого індикатора поля.

Якщо в кінці хвилеводу безповоротно витрачається вся енергія хвилі, що біжить, то в волноводе виходить режим чисто біжучої хвилі. Чинне значення напруженості електричного поля в різних точках вздовж хвилеводу тоді буде незмінно (загасання до уваги не береться) і КБВ = 1.

Цей режим найбільш вигідний для передачі хвиль, так як при ньому втрати в хвилеводі найменші і в навантаження віддається максимум енергії. Наприклад, в передавальних пристроях сантиметрового діапазону хвилевід з'єднує генератор з антеною. Для отримання в волноводе біжучої хвилі антена повинна поглинати повністю енергію, передану по волноводу, т. Е. Антена як навантаження повинна бути узгоджена з хвилеводом.

При проведенні багатьох вимірювань і випробувань на сантиметрових хвилях також необхідний режим біжучої хвилі в хвилеводі. Для його отримання в кінці хвилеводу поміщають яка поглинає або оконечную навантаження. Вона являє собою провідник зі значним опором, що займає певний обсяг або поверхневий шар на платівці діелектрика.

Якщо на кінці хвилеводу хвиля повністю відбивається, то встановлюється режим стоячих хвиль. Повне відображення можна отримати, закривши кінець хвилеводу металевої, добре проводить кришкою. Режим стоячих хвиль використовується при різних вимірах. Він зручний для вимірювання довжини хвилі в хвилеводі, так як в стоячій хвилі напруженість поля Е в вузлах дорівнює нулю. Це дає можливість встановити стан двох сусідніх вузлів, відстань між якими дорівнює половині довжини хвилі.

Режим змішаних хвиль виходить, якщо на кінці хвилеводу енергія поглинається частково. Практично, звичайно завжди буває цей режим, так як неможливо отримати чисто біжить або чисто стоячу хвилю. Особливо важко здійснити режим біжучої хвилі. Прийнято вважати, що навантаження добре узгоджена з хвилеводом, якщо КБВ виходить не менше 0,8. У багатьох випадках навіть задовольняються значенням КБВ від 0,5 і вище. Режими роботи хвилеводу мають схожість з режимами для двухпроводной лінії. Випадок, коли кінець хвилеводу закритий, аналогічний короткоз а хвилиною лінії. Однак режим розімкнутої лінії отримати в волноводе можна. Якщо кінець хвилеводу залишити відкритим, то хвиля лише частково відбивається, а частково випромінюється в простір, і тому виходить режим змішаних хвиль.

Пристрої, що зв'язують хвилеводи з іншими ланцюгами, служать для збудження хвиль в хвилеводі або для відбору енергії з хвилеводу. Будь-який пристрій, що дає збудження хвиль, може бути використано і для прийому хвиль.
Електричний зв'язок здійснюється за допомогою металевого провідника, званого штирьком (або зондом), і встановленого всередині хвилеводу вздовж електричних силових ліній в тому місці, де електричне поле найбільш сильне. Зазвичай такий стрижень є продовженням внутрішнього проводу коаксіальної лінії , Що підводить енергію до волноводу. Так як розміри штирі порівнянні з довжиною хвилі, то він працює як хороша антена.

Рис.5 - Магнітний зв'язок лінії з хвилеводом для випадку хвилі НО1

Рис.7 - дросельно з'єднання двох частин хвилеводу.

На рис.4 показано збудження хвилі типу Н01 в прямокутному хвилеводі за допомогою штирька, розташованого в пучности електричного поля на відстані 1/4 (ламбда) від закритого кінця хвилеводу, службовця для відбиття хвиль. Ця ділянка хвилеводу довжиною 1/4 (ламбда) подібно четвертьволновой корот-козамкнутой лінії має вхідний опір, близьке до нескінченності, і практично не впливає на режим роботи лінії підведення.

Чим більше довжина штирі, що знаходиться в волноводе, тим сильніше зв'язок, т. Е. Тим більше енергії передається в хвилевід, подібно до того як більш висока 'антена дає більш сильне випромінювання, ніж антена малих розмірів.

Магнітна зв'язок здійснюється за допомогою витка (петлі) зв'язку, який розташовується в місці, де магнітне поле найбільш сильно, причому її площину перпендикулярна магнітним силовим лініям. Так як розміри витка порівнянні з довжиною хвилі, то він дає ефективне випромінювання електромагнітних хвиль і його можна уподібнити одновітковой рамкової антени великого розміру. На рис.5 показано одне з можливих розташувань витка для збудження в прямокутному хвилеводі хвилі Н01.

Чим более розміри витка, тім сільніше зв'язок. Регулювання зв'язку Зручне Здійснювати поворотом витка. Слід мати на увазі, що магнітна зв'язок завжди супроводжується деякою електричної зв'язком.

Для відбору енергії штирі або витки зв'язку виконують роль прийомної антени. Хвилі, що пройшли по волноводу, створюють своїм електричним полем в приймальному штирьком деяку ЕРС, а в витку зв'язку ЕРС індукується магнітним полем. Застосовується також дифракційна зв'язок, т. Е. Зв'язок через отвір. Наприклад, можна передати частину енергії хвилі з одного хвилеводу в іншій, якщо в загальній стінці цих хвилеводів зробити отвір тієї чи іншої форми. Такий зв'язок посилюється при збільшенні розмірів отвору. При електричної і магнітної зв'язку є завжди і деяка дифракционная зв'язок, так як коаксіальна лінія своїм відкритим кінцем з'єднана з хвилеводом.

Конструктивне виконання волноводов весима різноманітно. Для зменшення втрат в волноводе його внутрішню поверхню роблять максимально гладкою і нерідко покривають її сріблом. Вельми ретельно з'єднують окремі частини хвилеводу один з одним. Важливо мінімізувати часткові відображення хвиль від різних неоднорідний остей, наявних в волноводе. До таких неоднюродностям відносяться, наприклад, повороти і відгалуження, а також обертові зчленування двох хвилеводів. Будь-які порушення однорідності внутрішнього устрою хвилеводу приводять до відбиття хвиль, в результаті чого зменшується КБВ, зростають втрати і знижується ККД хвилеводу.

Рис.6 - Повороти і скручування хвилеводу

Застосовуються плавні вигини (рис.6 а) і кутові повороти (рис.6 б). Для повороту напрямків векторів Е і Н роблять скручування хвилеводу (рис.6 в). При з'єднанні двох частин хвилеводу, якщо одна частина повинна обертатися, вдаються до дросельного з'єднанню, яке усуває вплив поганого контакту в стику (рис.7). У цьому з'єднанні хвилеводи забезпечені двома фланцями, між якими є щілина довжиною 1/2 (ламбда) еквівалентна полуволновой короткозамкненою лінії. Замикання на кінці цієї щілини (в точці А) зроблено суцільним металом, а контакт двох поверхонь знаходиться в точці Б на відстані 1/4 (ламбда) від короткозамкнутого кінця. В цьому місці знаходиться вузол струму, і наявність додаткового опору в контакті не грає ролі.

Зате на вході лінії - щілини (в точці В), як і на короткозамкненим кінці, опір близько до нуля. Таким чином, обидві частини хвилеводу з'єднані через це дуже мале опір, яке майже не залежить від опору контакту в точці Б.

Література по волноводам

1. А. Л. Дмитрієв ОПТИЧНІ СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ ІНФОРМАЦІЇ . - СПб., 2007.

що в 1974 - 1980 роках професор Стефан Маринов з м Грац, Австрія, виконав серію експериментів, в яких показав, що Земля рухається по відношенню до деякої космічної системі відліку зі швидкістю 360 ± 30 км / с, яка явно має якийсь абсолютний статус. Природно, йому не давали ніде виступати і він змушений був почати випуск свого наукового журналу "Deutsche Physik" , Де пояснював відкрите їм явище. Детальніше читайте в FAQ по ефірної фізіці . НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі Теорії ефіру 13.06.2019 - 5:11: ЕКОЛОГІЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОЇ ЗАГІБЕЛІ бджіл ТА других запилювачів РОСЛИН - Карім_Хайдаров.
12.06.2019 - 9:05: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема державного тероризму - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:05: ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ФІЗИКА - Experimental Physics -> Експеримент Серлі и его послідовніків з магнітамі - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:03: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від Андрія Маклакова - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:23: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від В'ячеслава Осієвського - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:18: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від Світлани Віслобоковой - Карім_Хайдаров.
11.06.2019 - 6:28: Астрофізікі - Astrophysics -> До 110 річчя Тунгуска катастрофи - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 21:23: ВИХОВАННЯ, ОСВІТА, ОСВІТА - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвітніцтво від Володимира Васильовича Квачкова - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:27: СОВІСТЬ - Conscience -> Вищий розум - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:24: ВІЙНА, ПОЛІТИКА І НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ страви - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:14: СОВІСТЬ - Conscience -> російський СВІТ - Карім_Хайдаров.
10.06.2019 - 8:40: ЕКОНОМІКА І ФІНАНСИ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС Світової Фінансової СИСТЕМИ - Карім_Хайдаров.