Электроника:Переменный ток/Линии передачи/Волноводы

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Волноводы

Волновод представляет собой особую разновидность линии передачи, состоящей из полой металлической трубки. Стенка трубки обеспечивает распределённую индуктивность, а полость между стенками трубки обеспечивает распределённую ёмкость.

Рис. 1. Волноводы проводят микроволновую энергию с меньшими потерями, чем коаксиальные кабели.

Волноводы применимы только для сигналов чрезвычайно высокой частоты, когда длина волны приближается к размерам поперечного сечения волновода. Ниже таких частот волноводы бесполезны в качестве линий передачи.

Использование волноводов в качестве линий передачи

Однако при работе в качестве линий передачи волноводы значительно проще в производстве и обслуживании, чем двухпроводные кабели, особенно коаксиальные.

Имея только один проводник («оболочку» волновода), нет никаких проблем с подбором правильного расстояния между проводниками или плотностью диэлектрического материала, поскольку единственным диэлектриком в волноводе является воздух.

Влага не является настолько серьёзной проблемой для волноводов, как для коаксиальных кабелей, и поэтому волноводы часто не нуждаются в газовом «наполнителе». Волноводы можно рассматривать как проводники для электромагнитной энергии, причём сам волновод действует как не что иное, как «распорядитель» энергии, а не как проводник сигнала в обычном смысле этого слова.

В некотором смысле все линии передачи функционируют как проводники электромагнитной энергии при передаче импульсов или высокочастотных волн, направляя волны так, как берега реки направляют приливную волну.

Однако, поскольку волноводы являются однопроводными элементами, распространение электрической энергии по волноводу имеет совершенно иную природу, чем распространение электрической энергии по двухпроводной линии передачи.

Что такое распространение поперечных электрических и магнитных волн (ТЕМ)?

Все электромагнитные волны состоят из электрического и магнитного полей, распространяющихся в одном направлении движения, но перпендикулярных друг другу. При нормальной длине линии передачи как электрическое, так и магнитное поля перпендикулярны (поперечны) направлению распространения волны.

Это известно как ТЕМ-волны (трансверсальные, т.е. поперечные электромагнитные волны от англ. Transverse Electric and Magnetic). Этот режим распространения волн может существовать только там, где есть два проводника, и это преобладающий режим распространения волн, при котором размеры поперечного сечения линии передачи малы по сравнению с длиной волнового сигнала.

Рис. 2. Распространение по двухпроводной линии передачи: режим ТЕМ-волн.

На частотах микроволнового сигнала (от 100 МГц до 300 ГГц) двухпроводные линии передачи любой значительной длины, работающие в стандартном режиме ТЕМ-волн, становятся непрактичными.

Линии, достаточно малые в поперечном сечении для обеспечения распространения сигнала в режиме ТЕМ-волн для микроволновых сигналов, как правило, имеют низкое номинальное напряжение и страдают от больших паразитных потерь мощности из-за «скин»-эффекта проводника и прочих диэлектрических эффектов.

К счастью, на этих коротких длинах волн существуют и другие способы распространения, которые не грешат такими «потерями», если используется проводящая трубка, а не два параллельных проводника. Именно при этих высоких частотах волноводы практичны.

Когда электромагнитная волна распространяется по полой трубе, только одно из полей – электрическое или магнитное – фактически будет поперечно направлению распространения волны.

Другое поле образует «петлю» в продольном направлении по отношению к направлению движения, но по-прежнему будет перпендикулярно другому полю. В зависимости от того, какое именно полей окажется поперечным по отношению к направлению движения, определяется, будет ли это ТЕ-волна (трансверсально-электрическая т.е. продольно-электрическая от англ. Transverse Electric) или ТМ-волна (трансверсально-магнитная т.е. продольно-магнитная от англ. Transverse Magnetic).

Рис. 3. Поперечно-электрические (ТЕ-волны) и поперечно-магнитные (ТМ-волны) волны в волноводах.

Для данного волновода существует множество вариаций каждого режима, и полное обсуждение этого вопроса выходит далеко за рамки этой книги.

Как сигналы входят в волноводы и выходят из них?

Сигналы обычно вводятся в волноводы и выводятся из них с помощью небольших антенно-подобных устройств связи, вставленных в волновод. Иногда эти элементы связи имеют форму диполя, представляющего собой не что иное, как два шлейфа с открытым концом соответствующей длины.

В других случаях разветвитель представляет собой одиночный шлейф (полудиполь, в принципе похожий на «штыревую» антенну, с физической длиной ¼λ) или короткую петлю из провода, оканчивающуюся на внутренней поверхности волновода.

Рис. 4. Соединение шлейфа и петли с волноводом.

В некоторых случаях, например в классе вакуумных ламповых устройств, называемых индуктивными выходными трубками (так называемая клистронная трубка тоже попадает в эту категорию), «полость», сформированная из проводящего материала, может улавливать электромагнитную энергию от модулированного пучка электронов, без контакта с самим пучком.

Рис. 5. Индуктивная выходная клистронная трубка.

Что такое объёмный резонатор?

Точно так же, как линии передачи могут функционировать как резонансные элементы в цепи, особенно когда они являются закороченной или разомкнутой цепью, тупиковый волновод также может резонировать на определённых частотах.

При использовании в таком качестве, данное устройство называется объёмным резонатором. В индуктивных выходных трубках используются полые резонаторы тороидальной формы, что позволяет максимизировать эффективность передачи энергии между электронным лучом и выходным кабелем.

Резонансную частоту полости можно изменить, изменив её физические размеры. Для этого изготавливаются полость с подвижными пластинами, винтами и другими механическими элементами для настройки, обеспечивающими грубую настройку резонансной частоты.

Если резонатор открыт с одного конца, он функционирует как однонаправленная антенна.

На следующей фотографии показан самодельный волновод из жестяной банки, используемый в качестве антенны для сигнала 2,4 ГГц в компьютерной сети связи «802.11b». Соединительный элемент представляет собой четвертьволновой шлейф: это просто кусок сплошного медного провода длиной около 1¼ дюйма, идущий от центра соединителя коаксиального кабеля и проходящего через край банки.

Рис. 6. Can-tenna («банктенна») как переходник к волноводу.

На заднем плане можно увидеть ещё несколько антенн из жестяных банок, одна из них – банка для картофельных чипсов «Принглс». Хотя эта банка изготовлена из картона (бумаги), её металлическая внутренняя облицовка обеспечивает необходимую проводимость для функционирования в качестве волновода.

Некоторые банки на заднем плане всё ещё закрыты пластиковыми крышками. Пластик, будучи непроводящим, не мешает радиочастотному сигналу, но действует как физический барьер, предотвращающий волновод от попадания вовнутрь дождя, снега, пыли и от прочего физического загрязнения.

«Истинные» волноводные антенны используют аналогичные барьеры для физического ограждения трубки, но позволяют беспрепятственно проходить электромагнитной энергии.

Итог

• Волноводы – это металлические трубки, служащие «проводниками» для переноса электромагнитных волн. Они применимы только для сигналов чрезвычайно высокой частоты, когда длина волны сигнала приближается к размерам поперечного сечения волновода.
• По способу распространения в волноводе, волны можно разделить на две широкие категории: ТЕ-волны (поперечное-электрические) или TM-волны (поперечное-магнитные), в зависимости от того, какое именно поле (электрическое или магнитное) перпендикулярно (поперечно) направлению распространения волны. Волна распространяется по стандартной двухпроводной линии передачи в режиме ТЕМ (поперечная электрически-магнитная волна), где одновременно оба поля (и магнитное и электрическое) ориентированы перпендикулярно направлению движения. Режим ТЕМ возможен только с двумя проводниками и не может существовать в волноводе.
• Закрытый с одной стороны волновод, служащий резонансным элементом в микроволновых электрических цепях, называется объёмным резонатором.
• Объёмный резонатор с открытым концом функционирует как однонаправленная антенна, отправляя/принимая радиочастотную энергию в направления открытого конца или из него.