какая волна является основной для круглого волновода

Основной волной в круглом волноводе является волна Н11

Рис. 7.4

Здесь также 3 области распространения радиоволн.

I – нет распространения радиоволн.

II – распространение основной волны Н11.

III – созданы условия для распространения волн высших типов.

Рис. 7.5 – структура типов колебаний для волны Н11. На стенках электрические силовые линии. Магнитные замыкаются сами на себя.

Рис. 7.6 – структура для волны Н01. – волна симметричная и используется во вращающихся сочленениях

Методика построения аналогичная.

Рис. 7.7 – структура колебаний для волны Е01.

Если нужно перейти от основной волны прямоугольного волновода к основной волне круглого волновода, то строится трансформатор тип колебаний – с одной стороны прямоугольный волновод, который плавно переходит в круглый волновод. (Рис. 7.8).

Поскольку структура основной волны Н10 в прямоугольном волноводе и Н11 в круглом волноводе похожи.

Почему круглые волноводы используются довольно редко при передаче Э.М. волн? Посмотрим с точки зрения поляризации

На Рис.7.9 поляризация прямоугольного волновода. Посередине некоторая механическая деформация. В прямоугольном волноводе при механической деформации поляризация не меняется. Электрические силовые линии в продольном и поперечном сечении волновода как была линейная, так и идет. В месте удара некоторая концентрация силовых линий.

Здесь с точки зрения поляризации проблем нет, но уменьшится диэлектрическая прочность в данном фрагменте волновода. Но нарушены условия согласования=>неоднородность=> отраженная волна и некоторые нарушения в качестве передаче.

Рис. 7.10 – поляризация круглого волновода. В месте механического воздействия поляризация меняется на 45 градусов. Отношение сигнал/шум уменьшается в корень из двух на два раз, а это серьезно. Следовательно круглый волновод критичен к поляризации при механических повреждениях.

Итак, наиболее простые и надежные – это волноводы прямоугольного сечения.

7.2. ЭМП в волноводах специального сечения

Довольно распространенный волновод – коаксиальный кабель. Используется начиная с метрового и далее диапазоне волн. Используются с различным волновым сопротивлением в зависимости от антенны, т.к. нужно согласовывать радиопередатчик с трактом и с антенной.

В коаксиальном кабеле может распространяться только волна типа Т.

В продольной составляющей видно, что электрическое и магнитное поле чередуются через пол длины волны.

В поперечном сечении линии электрического поля замыкаются на стенках, а магнитного поля замыкаются на себе.

Здесь продольной составляющей нет.

Н-волновод. Замыкаются на стенках линии эл.поля(по граничным условиям).

Магнитные силовые линии замыкаются сами на себе.

Микрополосковые или полосковые волноводы:

Подложка, распределение ЭП показано вверху. Внизу тоже самое, только заполнен диэлектриком.

Либо нижняя конструкция полосковой линии передачи – 2 подложки сверху, снизу и посередине. Структура поля на нижнем рис 7.6. Электрические силовые линии замыкаются на подложках. Магнитные замыкаются сами на себе.

Источник

ЭД и РРВ Лекции1-24 И.П / Лекция 7 Круглый волновод

Глава 3. Круглые волноводы

Лекция 7. Электрические и магнитные волны в круглом волноводе

Рис. 3.1. Круглый волновод

Электромагнитное поле распространяющейся волны имеет компоненты:

,

,

,

, , , (3.1)

где — функция Бесселя m-го порядка от аргумента ;

а— радиус волновода;

— n-й корень функция Бесселя m-го порядка (n=1,2,…);

— первая производная функции Бесселя m-го порядка от аргумента;

m— индекс, принимающий числовые значения

Электромагнитное поле распространяющейся волны типа имеет компоненты:

,

,

,

, , , (3.2)

где — функция Бесселя m-го порядка от аргумента ;

– n-й корень первой производной функция Бесселя m-го порядка (n=1,2,…);

— первая производная функции Бесселя m-го порядка от аргумента.

Вкратце познакомимся с функциями Бесселя. Аналитически функция Бесселя выражается через бесконечный сходящийся ряд достаточно сложной структуры. В цилиндрической системе координат функция Бесселя играют такую же роль, что и тригонометрические функции в прямоугольной системе координат (в асимптотике при больших аргументах) они выражается через косинус определенного аргумента. Но функция Бесселя имеет существенные отличия от гармонических функций:

Функция Бесселя в отличие от гармонических не является периодической. Это непериодическая, непрерывная колеблющаяся функция с монотонно убывающей амплитудой с ростом аргумента.

Все функции Бесселя в нуле равны нулю, за исключением J₀(0)=1.

Рис. 3.2 Функции Бесселя нулевого, первого и второго порядков

В таблицах 3.1 и 3.2 со справочными целями приведены значения некоторых корней функций Бесселя и их первых производных.

Значения корней первой производной функций Бесселя J_m ’ (_mn)

Критические длины волн типа находят по общей формуле

(3.3)

Соответственно и для волн типа

(3.4)

Волны Н_1n и Е_0n имеют равные критические длины волн и будут вырождены.

Конкретный тип волны в волноводе будет распространяться при условии:

, ,

где – критическая длина волны данного типа колебания;

– критическая частота.

При вычисленном параметре основные параметры волн в круглом волновода , , , , , , , рассчитываются по тем же формулам, что и в прямоугольном волноводе.

Коэффициент затухания, обусловленный потерями в металлических стенках круглого волновода, вычисляется следующим образом:

для волн типа

, (3.5)

для волн типа

, . (3.6)

Соотношение между критическими длинами волн нескольких первых типов показано на рис.3.3

Рис. 3.3. Значения λ_кр типов волн в круглых волноводах

В круглых волноводах чаще других используются волны типов H₁₁, E₀₁ и H₀₁. Волна Н₁₁ обладает наибольшей λ_кр

(3.7)

и является основной волной в круглом волноводе.

Рабочий диапазон частот в одномодовом режиме определяется условием

. (3.8)

Поле бегущей волны Н₁₁ определяется выражениями (3.2) при подстановке индексов волны m=1 и n=1

,

,

,

, , . (3.9)

Фазы составляющих векторов поля по прежнему просты φ=β₁₁z и они линейно меняются с изменением координаты z. Амплитуды составляющих векторов поля зависят от угловой координаты φ (sin φ, cos φ) и особенно сложно от радиуса (1/r и функции Бесселя и ). Основные параметры волны вычисляются по общим формулам при известном значении λ_кр=3,41а.

Картина силовых линий вектора поля Е и Н основной волны показана на рис.3.4. в трех сечениях.

Рис.3.4 Структура поля волны Н₁₁

Рис.3.5 Последовательные этапы деформации прямоугольного волновода

При распространении волны Н₁₁ на стенках волновода наводятся переменные токи проводимости. Силовые линии вектора поверхностной плотности наведенных токов показаны на рис. 3,5(их картина также напоминает картину поверхностных токов на стенках прямоугольного волновода на волне Н₁₀).

Рис. 3.5 Распределение токов на волне Н₁₁

Волна основного типа в круглом волноводе обладает существенным недостатком – неустойчивостью поляризации поля. В силу круговой симметрии контура стенок волновода в нем может распространяться волна с любой ориентацией вектора Е в поперечном сечении линии, что приводит к повороту структуры поля. Например, если на входе волноводной системы волна поляризована так, как показано на рис 3.6, то под влиянием различных случайных деформаций волноводной линии волна на выходе имеет уже другое направление плоскости поляризации. Поляризационная неустойчивость – это следствие совершенной симметрии круглого волновода.

Рис.3.6 Поляризационная неустойчивость волны

Поскольку приемные устройства работают, как правило, на волну с определенной поляризацией, то поляризационная неустойчивость волны Н₁₁ препятствует использованию круглых волноводов с Н₁₁ в качестве линии передачи. Поляризационная неустойчивость снимается эллиптическим поперечным сечением, т.е. эллиптическим волноводом. Отметим тут же, что все симметричные волны поляризационно устойчивы.

Волна Е₀₁ – это следующая по λ_кр волна. Волна типа E₀₁ является наинизшей из симметричных волн и находит применение во вращающихся сочленениях. Критическая длина волны .

Для обеспечения возможности распространения волны типа E₀₁ и исключения волн высших типов необходимо выполнить условие , где — критическая длина волны ближайшего высшего типа H_21, или в частотах

(3.10)

При выполнении этого условия кроме волны E₀₁ в волноводе может распространяться волна основного типа H₁₁.

Поле бегущей волны Е₀₁ определяется из выражений (3.1) при m=0 и n=1

,

,

(3.11)

Основные параметры вычисляем по общим формулам при λ_кр=2,61а.

Волна имеет простейшую структуру поля (рис.3.7)

Рис. 3.7 Структура поля волны E₀₁

Определенные перспективы имеет передача электромагнитной энергии по круглому волноводу с помощью волны H₀₁. Это обусловлено тем, что с повышением частоты затухание волны этого типа уменьшается. Критическая длина волны . Волна типа H₀₁ распространяется, если выполняется условие . При этом в волноводе могут распространяться и волны H₁₁, E₀₁, H₂₁. Таким образом, при использовании волны типа H₀₁ необходимо принимать специальные меры к чистоте возбуждения волны H₀₁.

Поле бегущей волны Н₀₁ определяется выражениями (3.2) при подстановке индексов волны m=0 и n=1. Основные параметры вычисляются по общим формулам при .

Симметричная волна Н₀₁ имеет простую структуру поля (рис.3.8). Волна Н₀₁ имеет одну составляющую магнитного поля Н_z тангенциальную стенкам волновода, которая и определяет только поперечные поверхностные токи на волне Н₀₁ (рис.3.9).

Рис. 3.8 Структура поля волны Н₀₁

Рис. 3.9 Распределение токов на волне Н₀₁

Волна (также как и волны , n— любое целое число) обладает эффектом, так называемого, аномального затухания, когда в отличие от других типов волн затухание этой волны уменьшается с ростом частоты. Это объясняется структурой поля волны Н₀₁. С ростом частоты Н_z уменьшается, т.е. уменьшается поток вектора Пойнтинга в стенки, и потери уменьшаются (рис.3.10).

Рис. 3.10 Зависимость коэффициента ослабления α_м (в дБ/м) от частоты для волн H₀₁, E₀₁ и в случае круглого медного волновода радиуса 25,4 мм.

Круглые волноводы в настоящее время в качестве линий передачи на большие расстояния не используются. Основное их назначение – применение в качестве элементов в различных устройствах СВЧ, например, во «вращающихся узлах волноводных трактов».

1. Перечислите преимущества и недостатки волноводных линий передачи

2. Нарисуйте графики изменения длины волны в волноводной линии от частоты. Чем можно объяснить такое поведение графиков?

3. Определите частотный диапазон работы прямоугольного и круглого волноводов на основном типе колебаний?

4. Что такое ортогональность типов волн в волноводах?

1. Соловьянова И.П., Наймушин М.П. Теория волновых процессов. Электромагнитные волны: учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. 132 с.

2. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн / Б.М. Петров. М.: Горячая линия-Телеком, 2003. 558 с.

3. Вольман В.И. Техническая электродинамика/ В.И. Вольман, Ю.В. Пименов, А.В. Муравцев. М.: Связь, 2000. 480 с.

Источник

Волновод

Оглавление

Физический фон

В волноводе же переменные электрическое и магнитное поля движутся:

Волноводы также могут работать с повышенным внутренним давлением газа, чтобы иметь возможность передавать более высокие мощности (в соответствии с законом Пашена ) без возникновения пробоев или пробоев воздуха. В этом контексте явление мультиплексирования означает конструктивное наложение нескольких различных длин волн, что может привести к очень высокой напряженности поля.

Также существуют сопоставимые моды в круглых волноводах. Однако и здесь есть моды, которые имеют однородное распределение поля по окружности трубы.

E / H режимы

В электромагнитных волнах электрическое и магнитное поля всегда перпендикулярны друг другу. Чтобы волна могла распространяться в одном пространственном направлении, компоненты волны должны существовать в этом пространственном направлении. Если электрическое поле перпендикулярно направлению распространения, говорят о H-модах. Если магнитное поле перпендикулярно направлению распространения, говорят об E-модах. На рисунке показан продольный разрез волновода (направление z).

Длина волны волновода и частота среза

Взаимосвязь является нелинейной, и для данного порядка мод и размеров существует длина волны в свободном пространстве, для которой длина волны волновода приближается к бесконечности:

Частота среза делит частотный диапазон на два диапазона: диапазон затухания и диапазон распространения. Решающим фактором здесь является поведение коэффициента распространения γ по частоте.

Волна не может распространяться в зоне затухания. Коэффициент дисперсии считается чисто реальным. Соответственно, волна гасится апериодически. Моды, не способные к распространению, могут быть возбуждены и, по крайней мере, временно связывать часть энергии волны. Если частота волны такая же, как частота среза, коэффициент распространения равен нулю. Волна отражается под прямым углом между сторонами волновода без какого-либо переноса энергии. α м а Икс <\ displaystyle \ alpha _ <\ mathrm >>

Волновое сопротивление

Волновое сопротивление связывает амплитуды электрического и магнитного напряженности поля электромагнитной волны. В волноводе он зависит от частоты и различается для режима TM и TE, но имеет одинаковое значение во всем волноводе.

Выше предельной частоты ( f > f _limit ) импеданс является действительным, и энергия распространяется в волноводе. С другой стороны, ниже частоты отсечки импеданс является мнимым, и волна проникает в волновод с уменьшающейся амплитудой.

Различные волноводы и их режимы

Многие характерные свойства являются общими для всех типов волноводов. Это включает в себя частоту среза, ниже которой распространение волн не происходит.

В то время как ТЕМ-волны распространяются по коаксиальному кабелю (электрическое и магнитное поля всегда перпендикулярны направлению распространения), только так называемые H-волны (также TE-волны) и E-волны (TM-волны) обнаруживаются в волноводе, магнитном или электрическом. компоненты поля в направлении распространения.

К существованию мод относятся следующие правила:

Прямоугольный волновод

Как уже упоминалось выше, для прямоугольного волновода решающим является наибольший размер. Это означает, что ширина определяет волны, которые могут распространяться в этом проводнике.

Следующее относится к E-волне в направлении распространения:

Однако волна H10 типична для прямоугольных волноводов.

Круглый волновод

Волновод с эллиптическим поперечным сечением

Помимо прямоугольных и круглых волноводов используются также волноводы с эллиптическим поперечным сечением. Длина волны отсечки примерно соответствует удвоенному поперечному размеру ( λ _k ≈ 2 · a ). Как показывает практика, эллиптические волноводы несколько больше по своим поперечным размерам, чем прямоугольные волноводы с той же частотой среза.

С технической точки зрения эллиптические волноводы также могут быть выполнены в виде гибких линий. Таким образом, его можно хранить и транспортировать в рулонах или на «тросовых» барабанах. Эллиптические волноводы также допускают меньший радиус изгиба, чем круглые или угловые.

Подключения и подключения волновода

Когда коаксиальное соединение магнитно связано с волноводом, внутренний проводник в волноводе замыкается накоротко с задней стенкой. Здесь также создается максимум поля в точке подачи.

Поскольку в середине в точке B протекают только небольшие токи, любое контактное сопротивление там мало влияет. На этом этапе вы даже можете установить изолирующую резиновую пластину, чтобы заполнить волновод инертным газом. Этот принцип резонансного уплотнения также используется для герметизации дверцы микроволновой печи с использованием высокочастотной технологии.

история

Полосы частот волновода

Эта таблица основана на соотношении ширины к высоте 2: 1. Нижние рекомендуемые частоты передачи в среднем в 1,26 раза выше критических нижних предельных частот, обусловленные шириной, верхние частоты передачи в среднем в 1,48 раза выше нижних рекомендуемых частот передачи. Коэффициент 1,86 (среднее значение) верхних частот передачи для соответствующей критической нижней предельной частоты обеспечивает мономодовое распространение (значение Волноводы на практике

Линии вентилятор удерживает влагу из окружающей среды, которые могли бы исказить адаптацию волновода.

Источник