Волновод: металлические трубы для передачи радиоволн.

Введение

Полый металлический трубопровод, используемый для передачи радиоволн. В радиочастотной и коммуникационной инженерии волновод – это полый металлический трубопровод, предназначенный для передачи радиоволн. Этот тип волновода используется в качестве линии передачи преимущественно на микроволновых частотах для таких целей, как соединение микроволновых передатчиков и приемников с их антеннами, в оборудовании, таком как микроволновые печи, радиолокационные системы, системы спутниковой связи и микроволновые радиолинии. Электромагнитные волны в волноводе (металлической трубе) можно представить себе как распространяющиеся вдоль волновода по зигзагообразной траектории, многократно отражаясь от противоположных стенок. В частности, для прямоугольного волновода возможен точный анализ, основанный на таком представлении. Распространение в диэлектрическом волноводе можно рассматривать аналогичным образом, где волны ограничены диэлектриком за счет полного внутреннего отражения на его поверхности. Некоторые конструкции, такие как не излучающие диэлектрические волноводы и линия Губау, используют как металлические стенки, так и диэлектрические поверхности для ограничения волны.

Принцип

В зависимости от частоты, волноводы могут быть изготовлены из проводящих или диэлектрических материалов. Как правило, чем ниже частота, которую необходимо пропускать, тем больше размеры волновода. Например, естественный волновод, формируемый Землей, определяется размерами между проводящей ионосферой и земной поверхностью, а также окружностью на средней высоте Земли и резонирует на частоте 7,83 Гц. Это явление известно как резонанс Шумана. С другой стороны, волноводы, используемые в системах связи сверхвысокой частоты (СВЧ) могут иметь ширину менее миллиметра.

История

[[Изображение: Джордж Саутворт и волноводы.jpg|thumb|Джордж К. Саутворт, разработавший волноводы в начале 1930-х годов, на фоне километрового экспериментального волноводного участка в Bell Labs, Холмдель, Нью-Джерси, использовавшегося в его исследованиях. Около 1893 года Дж. Дж. Томсон вывел электромагнитные моды внутри цилиндрической металлической полости. Он показал, что волны могут распространяться без затухания только в определенных нормальных модах, с электрическим полем (ТЭ-моды) или магнитным полем (ТМ-моды), перпендикулярными направлению распространения. Он также показал, что каждый мод имеет частоту отсечки, ниже которой волны не будут распространяться. Поскольку длина волны отсечки для данной трубы была сопоставима с её шириной, стало ясно, что полая проводящая труба не может передавать радиоволны, длина которых значительно превышает её диаметр. В 1902 году Р. Х. Вебер заметил, что электромагнитные волны распространяются в трубах с меньшей скоростью, чем в свободном пространстве, и пришел к выводу, что волны движутся по "зигзагообразной" траектории, отражаясь от стенок. До 1920-х годов практические работы с радиоволнами были сосредоточены на низкочастотном диапазоне радиоспектра, поскольку эти частоты лучше подходили для дальней связи. В своем новаторском исследовании микроволн в 1894–1900 годах Джагадиш Чандра Бос использовал короткие отрезки труб для передачи волн, поэтому некоторые источники считают его изобретателем волновода. Однако после этого концепция передачи радиоволн по трубе или каналу была забыта инженерным сообществом. первый осциллятор, способный генерировать мощность на СВЧ-частотах, и расщепленный анодный магнитрон, который к 1930-м годам генерировал радиоволны до 10 ГГц. и Уилмера Л. Барроу из Массачусетского технологического института, работавшие независимо друг от друга. и заново открыли моды волноводов. В декабре 1933 года было установлено, что при использовании металлической оболочки диэлектрик становится ненужным, и внимание переключилось на металлические волноводы. Барроу заинтересовался высокими частотами в 1930 году, обучаясь у Арнольда Зоммерфельда в Германии. имеет решающее значение для правильной работы волновода. Возникновение стоячих волн напряжения происходит, когда несоответствие импедансов в волноводе вызывает отражение энергии в противоположном направлении распространения. Помимо ограничения эффективной передачи энергии, эти отражения могут приводить к повышению напряжения в волноводе и повреждению оборудования.

[[Image:George Southworth & waveguides. jpg|thumb|George C. Southworth who developed waveguides in the early 1930s, in front of mile long experimental waveguide run at Bell Labs, Holmdel, New Jersey, used in his research Around 1893 J. J. Thomson derived the electromagnetic modes inside a cylindrical metal cavity. He showed that the waves could travel without attenuation only in specific normal modes with either the electric field (TE modes) or magnetic field (TM modes), perpendicular to the direction of propagation. He also showed each mode had a cutoff frequency below which waves would not propagate. Since the cutoff wavelength for a given tube was of the same order as its width, it was clear that a hollow conducting tube could not carry radio wavelengths much larger than its diameter. In 1902 R. H. Weber observed that electromagnetic waves travel at a slower speed in tubes than in free space, and deduced the reason; that the waves travel in a "zigzag" path as they reflect from the walls. Prior to the 1920s, practical work on radio waves concentrated on the low frequency end of the radio spectrum, as these frequencies were better for long range communication. In his pioneering 1894 1900 research on microwaves, Jagadish Chandra Bose used short lengths of pipe to conduct the waves, so some sources credit him with inventing the waveguide. However, after this, the concept of radio waves being carried by a tube or duct passed out of engineering knowledge. the first oscillator which could produce power at UHF frequencies; and the split anode magnetron which by the 1930s had generated radio waves at up to 10 GHz. and Wilmer L. Barrow at the Massachusetts Institute of Technology, who worked without knowledge of one another. and rediscovered waveguide modes. In December 1933 it was realized that with a metal sheath the dielectric is superfluous and attention shifted to metal waveguides. Barrow had become interested in high frequencies in 1930 studying under Arnold Sommerfeld in Germany. is crucial for proper waveguide performance. Voltage standing waves occur when impedance mismatches in the waveguide cause energy to reflect back in the opposite direction of propagation. In addition to limiting the effective transfer of energy, these reflections can cause higher voltages in the waveguide and damage equipment.

На практике

На практике волноводы выполняют функцию, эквивалентную кабелям для сверхвысокочастотных (SHF) систем. Для таких применений желательно, чтобы в волноводе распространялся только один режим. В случае прямоугольных волноводов возможно спроектировать волновод таким образом, чтобы полоса частот, в которой распространяется только один режим, была в два раза шире (то есть отношение верхней границы полосы к нижней границе полосы равно двум). Связь между размерами волновода и минимальной частотой проста: если – большее из двух его измерений, то максимальная длина волны, которая будет распространяться, равна , а минимальная частота, соответственно, равна .

Для круговых волноводов максимальная возможная полоса пропускания, обеспечивающая распространение только одного режима, составляет всего 1,3601:1. Поскольку прямоугольные волноводы имеют значительно большую полосу пропускания, в которой может распространяться только один режим, стандарты существуют для прямоугольных волноводов, но не для круговых. Как правило (хотя и не всегда), стандартные волноводы разрабатываются таким образом, что одна полоса начинается там, где заканчивается другая, с перекрытием между ними. Круглые волноводы могут быть исследованы в цилиндрической системе координат. Режим с наименьшей частотой отсечки называется основным режимом волновода. Обычно размер волновода выбирают таким образом, чтобы в рабочем диапазоне частот мог существовать только этот режим. В прямоугольных и круговых (полых) волноводах основными режимами являются режимы TE1,0 и TE1,1 соответственно.