3. Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода из условия одноволновой передачи

Как было показано, в прямоугольном волноводе возможно существование бесконечного числа типов волн, отличающихся друг от друга структурой электрического и магнитного полей, критическими частотами, фазовой скоростью и другими параметрами. Однако при конструировании линий передачи обычно принимают все меры к тому, чтобы энергия переносилась каким-либо одним типом волны. Объясняется это тем, что различным типам волн соответствуют различные групповые скорости. Поэтому при передаче сигнала несколькими типами волн один и тот же сигнал приходит в точку приема в вине нескольких смещенных по времени сигналов, что приводит к его искажению и увеличению уровня шумов. Характер искажений зависит от способа модуляции, вида и скорости передаваемой информации и других факторов.

Передачу энергии одним типом волны можно обеспечить, если в качестве этого типа использовать основную волну, имеющую наибольшую . Для этого достаточно так выбрать поперечные размеры линии, чтобы на любой частоте рабочего диапазона длина волны электромагнитных колебаний не превышала критической длины волны основной волны, но была больше критической длины волны первого высшего типа. Первым высшим типом называют волну, критическая длина которой меньшеосновной волны, но больше критических длин волн всех остальных типов волн. Такой режим передачи энергии называют одноволновым. Полосу частот, в пределах которой сохраняется одноволновый режим, обычно характеризуют коэффициентом широкополосности

.

Основная волна прямоугольного волновода − , ее. Распространение этой волны возможно приили. Чтобы другие типы волн не могли распространяться, достаточно потребовать, чтобы не могли распространяться волныи. Для этого должны выполняться равенстваи, т.е.и. Таким образом, одноволновый режим в прямоугольном волноводе выполняется при

и.

Обычно принимают и, где−средняя длина волны рабочего диапазона. Для такого волновода коэффициент широкополосности. Для обеспечения одноволнового режима во всем используемом диапазоне длин волннеобходимо, чтобы выполнялись равенстваи.

4. Волноводы п- и н-образной формы

Одноволновый режим в стандартном прямоугольном волноводе, как было показано ранее, сохраняется в двукратной полосе частот. Однако используемый на практике диапазон частот обычно не превышает полуторакратного, поскольку в области частот, близких к критической, велики тепловые потери и мала допустимая мощность.

В значительно большей полосе частот можно сохранить одноволновый режим при использовании П- и Н-образных волноводов, которые часто называют более коротко просто П- и Н-волновод. Если так подобрать поперечные размеры этих волноводов, чтобы коэффициент их широкополосности был равен коэффициенту широкополосности прямоугольного волновода, то П- и Н-волноводы будут иметь меньшие габариты, чем прямоугольный волновод. На рисунке Рисунок 26 показана структура электрического поля соответственно волн ив поперечном сечении П-волновода. Эти волны названыиусловно. Основанием для этого является то, что при плавном уменьшении высоты прямоугольного выступа(обычно его называют ребром) они постепенно преобразуются в волныипрямоугольного волновода.

26. −П-образный волновод

27. − Н-образный волновод

При равных размерах ирасширение рабочей полосы частот у Н- и П-волноводов по сравнению с прямоугольным достигается за счет того, что они имеют практически равные критические частоты для волны, а критическая частота для волныв Н- и П-волноводах существенно ниже, чем в прямоугольных. Сказанное можно объяснить следующим образом. Ребро (или ребра у Н-волновода) находится в пучности напряженности электрического поля волны, где концентрация электромагнитного поля относительно велика. Наличие ребра приводит к еще большей концентрации поля и энергии в этом месте. Поэтому свойства волны и, в частности, критическая частота, определяются в основном структурой поля в зазоре. Пока отношение ширины ребрак ширине волноводане превышает, энергия электрического и магнитного полей вблизи боковых стенок волновода мала и мала продольная составляющаямагнитного поля. Распространяющаяся в П-волноводе волна близка по структуре к ТЕМ-волне. Поэтому введение ребра приближает структуру волнык структуре ТЕМ-волны и приводит к понижению критической частоты волны. Напомним, что у ТЕМ-волны.

Чем больше высота ребра, т.е., чем ближе отношениек единице, тем выше концентрация поля в зазоер и тем, следовательно, ниже критическая частота волны. В то же время влияние относительно узкого () ребра (или ребер в Н-волноводе) на критическую частоту волнынезначительно, так как ребро вводится в сечение, где напряженность электрического поля волнымала. Поэтому прикоэффициент широкополосностиН- и П-образного волновода существенно выше, чем прямоугольного волновода с теми же размерамии. Дальнейшее увеличение отношенияприводит к уменьшению коэффициента широкополосности, так как боковые стенки волновода приближаются к краям ребер, возрастает концентрация энергии полей вблизи боковых стенок и увеличивается продольная составляющаянапряженности магнитного поля, повышается критическая частота волны, уменьшается коэффициент широкополосности.

Недостатком П- и Н-волноводов является повышенный по сравнению с прямоугольным волноводом уровень потерь и пониженная электрическая прочность. Чем больше высота ребра , тем меньше предельная мощность и выше потери. Поэтому обычно применяют Н- и П-волноводы с.