Волноводы: основы, моды и практические применения

Волновод — специализированная линия передачи, состоящая из полой металлической трубы. Металлические стенки обеспечивают распределенную индуктивность, в то время как внутренний воздушный зазор обеспечивает распределенную емкость.

Волноводы проводят микроволновую энергию с меньшими потерями, чем коаксиальные кабели.

Волноводы практичны только для сигналов очень высокой частоты, где длина волны сравнима с поперечным сечением волновода. На низких частотах они теряют эффективность как линии передачи.

Использование волноводов как линии передачи

Когда используются как линии передачи, волноводы значительно проще в изготовлении и обслуживании, чем двухпроводниковые кабели, особенно коаксиальные.

С только одним проводником — оболочкой волновода — нет необходимости контролировать расстояние проводник-к-проводнику или согласованность диэлектрика; единственный диэлектрик — воздух.

Влага менее проблематична в волноводах, чем в коаксиальных кабелях, поэтому они часто опускают газообразное заполнение.

Волноводы действуют как волноводы для электромагнитной энергии, направляя волну, а не проводя ее в обычном смысле.

Все линии передачи функционируют как волноводы энергии, но распространение в однопроводниковом волноводе принципиально отличается от того в двухпроводниковых линиях.

Что такое поперечно-электрическое и магнитное (TEM) распространение волн?

Все электромагнитные волны состоят из электрических и магнитных полей, распространяющихся вместе, перпендикулярно друг другу. В стандартной линии передачи оба поля поперечны направлению распространения.

Этот поперечный режим, называемый TEM (Transverse Electric and Magnetic), существует только в двухпроводниковых линиях и доминирует, когда поперечное сечение линии мало относительно длины волны.

Распространение в двухпроводниковой линии: TEM режим.

На микроволновых частотах (100 МГц–300 ГГц) двухпроводниковые линии, работающие в TEM режиме, становятся непрактичными на значительных длинах.

Линии, достаточно малые для поддержания TEM режима на микроволновых частотах, страдают от низких напряженных рейтингов и высоких паразитных потерь из-за кожного эффекта и диэлектрических потерь.

К счастью, на этих коротких длинах волн альтернативные режимы распространения доступны, которые менее потерьны при использовании проводимой трубы вместо параллельных проводников. Вот где волноводы становятся преимущественными.

Когда электромагнитная волна движется по полой трубе, только одно из полей — либо электрическое, либо магнитное — остается поперечным к направлению распространения. Другое поле замыкается продольно, но остается перпендикулярным поперечному полю. Поле, остающееся поперечным, определяет, распространяется ли волна в TE (Transverse Electric) или TM (Transverse Magnetic) режиме.

Волновод (TE) поперечно-электрические и (TM) поперечно-магнитные моды.

Каждый волновод поддерживает множество вариаций мод, но исчерпывающее обсуждение выходит за рамки этой статьи.

Как сигналы вводятся в волноводы и извлекаются из них?

Сигналы обычно связываются с волноводом или извлекаются из него с помощью малых антенноподобных устройств, вставляемых в волновод. Эти сопрягатели могут быть диполями — двумя открытыми стыковками подходящей длины — или одиночной стыковкой (половинчатый диполь, похожий на штыревую антенну, ¼ λ по физической длине), или короткой петлей провода, замыкающейся на внутренней поверхности волновода.

Стыковка и петлевое сопряжение с волноводом.

В некоторых устройствах, таких как индуктивные выходные трубы (например, клистран), полость из проводимого материала перехватывает электромагнитную энергию от модулированного электронного пучка без прямого контакта.

Клистран индуктивной выходной трубы.

Что такое объемный резонатор?

Как и линии передачи, тупиковый волновод может резонировать на конкретных частотах. Когда используется как таковой, устройство называется объемным резонатором.

Индуктивные выходные трубы используют тороидальные объемные резонаторы для максимизации передачи мощности между электронным пучком и выходным волноводом.

Резонансная частота полости может быть настроена регулировкой ее физических размеров. Производители включают подвижные пластины, винты и другие механические элементы для грубой частотной настройки.

Если резонансная полость открыта на одном конце, она функционирует как однонаправленная антенна.

Следующее фото показывает самодельный волновод, изготовленный из жестяной банки, использованный как антенна для 2.4 ГГц Wi-Fi (802.11b) сигнала.

Сопрягающий элемент — четвертьволновая стыковка: твердый медный провод около 1-1/4 дюйма длиной, выходящий из центра коаксиального разъема в банку.

Can-тенна иллюстрирует стыковочное сопряжение с волноводом.

Другие жестяные антенны на фоне включают чипсовую банку Pringles, которая, несмотря на картонную конструкцию, имеет металлическое внутреннее покрытие, обеспечивающее необходимую проводимость.

Некоторые банки все еще имеют пластиковые крышки. Пока пластик некондуктивен и не мешает РЧ сигналу, он служит физическим барьером для защиты волновода от погоды и мусора.

Настоящие волноводные антенны используют подобные барьеры для закрытия трубы, позволяя электромагнитной энергие проходить беспрепятственно.

ОБЗОР:

• Волноводы — металлические трубы, действующие как волноводы для электромагнитных волн, подходящие только для сигналов, где длина волны соответствует поперечному сечению волновода.
• Распространение волны в волноводе попадает в TE (поперечно-электрическое) или TM (поперечно-магнитное) моды, определяемое тем, какое поле поперечно к направлению движения. TEM (поперечно-электрическое и магнитное) режим существует только в двухпроводниковых линиях и не может поддерживаться в волноводе.
• Тупиковый волновод, функционирующий как резонансный элемент, называется объемным резонатором.
• Открытоконцевая резонансная полость работает как однонаправленная антенна, излучая или принимая РЧ энергию с открытой стороны.