А. 0- длина волны в свободном пространстве. Рис.2 — Пути волн различной длины в волноводе. С — контур волновода в поперечном сечении. Помимо основной волны, существуют еще и многие другие типы волн. Для классификации поля в прямоугольных волноводах принята следующая система.

В прямоугольном волноводе могут существовать волны разного типа, наиболее часто используются волны типа H10 (что означает один максимум на широкой стенке волновода и ни одной на узкой). Выбранная нами для анализа волна — всего лишь одно из решений уравнений поля. Их на самом деле куда больше. Каждое решение представляет собой свой «тип волны» в волноводе. Скажем, в нашей волне вдоль направления х укладывалось только полсинусоиды.

Хотя коаксиальные линии применяются широко, но все же они обладают некоторыми существенными недостатками, особенно заметными на сантиметровых волнах. Потери в этих линиях с повышением частоты значительно возрастают, так как поверхность внутреннего провода линии мала, а. следовательно, его сопротивление сравнительно велико. Кроме того, увеличиваются потери в изоляторах, отделяющих внутренний провод от внешнего. Если же увеличить диаметр внутреннего провода, т. е. уменьшить расстояние между ним и внешним проводом, то появляется опасность пробоя изоляции, особенно при больших мощностях.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПОЛЯ E- И H-ВОЛН В ВОЛНОВОДАХ

Рис.1 — Круглый и прямоуголный волноводы. По сравнению с коаксиальной линией потери энергии в волноводе меньше, так как отсутствует внутренний провод и нет никаких изоляторов. Расстояние между этими точками больше, чем расстояние между проводами в коаксиальной линии, и поэтому опасность пробоя при высоких напряжениях значительно меньше.

Ясно, что волноводы для коротких или метровых волн непригодны, так как это были бы трубы с поперечными размерами в единицы или десятки метров! Даже для дециметровых волн поперечник волновода должен быть порядка десятков сантиметров, что также неудобно.

На рис.3 показаны электрическое и магнитное поля для простейшей основной волны типа Н, которая наиболее часто применяется на практике. В поперечном направлении в простейшем случае укладывается одна стоячая полуволна так, что у противоположных стенок могут быть узлы, а в середине — пучность или наоборот. Для изображенной на рис.4 волны в точках А и В получается максимум поперечной составляющей магнитного поля, а в точках Б и Г — максимум его продольной составляющей.

На рис.3 г даны кривые, показывающие изменение Hпрод и Нпопер вдоль стороны b поперечного сечения волновода. Эти кривые соответствуют стоячим волнам магнитного поля в поперечном направлении, причем Нпрод имеет пучности у стенок и узел посередине, а Нпопер — наоборот. Изображение лоля силовыми линиями не вскрывает тонкой структуры поля. Это особенно чувствуется при рассмотрении сложных полей в волноводах.

На рис.3 в показано распределение электрического поля в поперечном направлении, а на рис.3 г приведена кривая изменения напряженности поля Е по этому направлению. Около обозначения волны ставится индекс из двух цифр, показывающих соответственно число стоячих полуволн вдоль меньшей и большей сторон поперечного сечения.

Вдоль волновода всегда наблюдается некоторое затухание волны, т. е. ее энергия постепенно уменьшается. Это объясняется тем, что на внутренней поверхности стенок волновода создаются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев металла. Потери анергии отсутствовали бы только в случае стенок из идеального проводника. С понижением частоты к критическому значению затухание возрастает, что объясняется увеличением числа отражений волн от стенок.

Но и при значительном повышении частоты затухание также возрастает за счет того, что толщина поверхностного слоя, в котором проходят токи, уменьшается, а его сопротивление увеличивается. В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от наличия большего или меньшего отражения на конце волновода.

ТОКИ В СТЕНКАХ ВОЛНОВОДА

Например, в передающих устройствах сантиметрового диапазона волновод соединяет генератор с антенной. Для получения в волноводе бегущей волны антенна должна поглощать полностью энергию, передаваемую по волноводу, т. е. антенна как нагрузка должна быть согласована с волноводом.

Для его получения в конце волновода помещают поглощающую или оконечную нагрузку. Если на конце волновода волна полностью отражается, то устанавливается режим стоячих волн. Полное отражение можно получить, закрыв конец волновода металлической, хорошо проводящей крышкой. Режим стоячих волн используется при различных измерениях. Режим смешанных волн получается, если на конце волновода энергия поглощается частично.

Следовательно, для и Н-волн выражения для поперечного коэффициента критической частоты и критической длины волны (9.17) одинаковы. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Основная волна. Волну, обладающую в волноводе данной формы минимальной критической частотой, называют основной. Этот режим наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии.