В радиотехнике и технике связи волновод — это полая металлическая труба, используемая для передачи радиоволн . [1] Этот тип волновода используется в качестве линии передачи в основном на микроволновых частотах, для таких целей, как подключение микроволновых передатчиков и приемников к их антеннам , в таком оборудовании , как микроволновые печи , радары , спутниковая связь и микроволновые радиолинии.
Электромагнитные волны в волноводе (металлической трубе) можно представить себе как распространяющиеся по направляющей по зигзагообразной траектории, многократно отражаясь между противоположными стенками направляющей. Для частного случая прямоугольного волновода можно основывать точный анализ на этой точке зрения. Распространение в диэлектрическом волноводе можно рассматривать таким же образом, при этом волны ограничиваются диэлектриком за счет полного внутреннего отражения на его поверхности. Некоторые структуры, такие как неизлучающие диэлектрические волноводы и линия Губо , используют как металлические стенки, так и диэлектрические поверхности для ограничения волны.
В зависимости от частоты волноводы могут быть изготовлены из проводящих или диэлектрических материалов. Как правило, чем ниже передаваемая частота, тем больше волновод. Например, естественный волновод, который образует Земля, заданный размерами между проводящей ионосферой и землей, а также окружностью на средней высоте Земли, резонирует на частоте 7,83 Гц. Это известно как резонанс Шумана . С другой стороны, волноводы, используемые в крайне высокочастотной (КВЧ) связи, могут быть меньше миллиметра в ширину.
В 1890-х годах теоретики провели первый анализ электромагнитных волн в каналах. [3] Около 1893 года Дж. Дж. Томсон вывел электромагнитные моды внутри цилиндрической металлической полости. [3] В 1897 году лорд Рэлей провел окончательный анализ волноводов; он решил граничную задачу электромагнитных волн, распространяющихся как через проводящие трубки, так и через диэлектрические стержни произвольной формы. [3] [4] [5] [6] Он показал, что волны могут распространяться без затухания только в определенных нормальных модах либо с электрическим полем ( моды TE ), либо с магнитным полем ( моды TM ), перпендикулярным направлению распространения. Он также показал, что каждая мода имеет граничную частоту, ниже которой волны не будут распространяться. Поскольку граничная длина волны для данной трубки была того же порядка, что и ее ширина, было ясно, что полая проводящая трубка не может переносить радиоволны, намного большие, чем ее диаметр. В 1902 году Р. Х. Вебер заметил, что электромагнитные волны распространяются в трубках с меньшей скоростью, чем в свободном пространстве, и установил причину: волны распространяются по «зигзагообразной» траектории, отражаясь от стенок. [3] [5] [7]
До 1920-х годов практическая работа по радиоволнам была сосредоточена на низкочастотном конце радиоспектра, поскольку эти частоты были лучше для дальней связи. [3] Они были намного ниже частот, которые могли распространяться даже в больших волноводах, поэтому в этот период было мало экспериментальных работ по волноводам, хотя несколько экспериментов были проведены. В лекции 1 июня 1894 года «Работа Герца» перед Королевским обществом Оливер Лодж продемонстрировал передачу 3-дюймовых радиоволн от искрового промежутка через короткий цилиндрический медный канал. [3] [8] В своих пионерских исследованиях микроволн 1894-1900 годов Джагадиш Чандра Бозе использовал короткие отрезки трубы для проведения волн, поэтому некоторые источники приписывают ему изобретение волновода. [9] Однако после этого концепция радиоволн, переносимых трубкой или каналом, вышла из инженерного знания. [3]
В 1920-х годах были разработаны первые непрерывные источники высокочастотных радиоволн: трубка Баркгаузена-Курца [10] — первый генератор, который мог вырабатывать энергию на частотах УВЧ ; и магнетрон с разделенным анодом , который к 1930-м годам генерировал радиоволны с частотой до 10 ГГц. [3] Это сделало возможным первое систематическое исследование микроволн в 1930-х годах. Было обнаружено, что линии передачи, используемые для передачи низкочастотных радиоволн, параллельные линии и коаксиальные кабели , имели чрезмерные потери мощности на микроволновых частотах, что создало необходимость в новом методе передачи. [3] [10]
Волновод был разработан независимо между 1932 и 1936 годами Джорджем К. Саутвортом в Bell Telephone Laboratories [2] и Вильмером Л. Барроу в Массачусетском технологическом институте , которые работали, не зная друг о друге. [3] [5] [6] [10] Интерес Саутворта возник во время его докторской работы 1920-х годов, в которой он измерял диэлектрическую проницаемость воды с помощью радиочастотной линии Лехера в длинном резервуаре с водой. Он обнаружил, что если он удалял линию Лехера, резервуар с водой все еще показывал резонансные пики, что указывало на то, что он действовал как диэлектрический волновод . [3] В 1931 году в Bell Labs он возобновил работу над диэлектрическими волноводами. К марту 1932 года он наблюдал волны в медных трубах, заполненных водой. Предыдущая работа Рэлея была забыта, и Сергей А. Щелкунов , математик из Bell Labs, провел теоретический анализ волноводов [3] [11] и заново открыл волноводные моды. В декабре 1933 года стало ясно, что при наличии металлической оболочки диэлектрик становится излишним, и внимание переключилось на металлические волноводы.
Барроу заинтересовался высокими частотами в 1930 году, обучаясь у Арнольда Зоммерфельда в Германии. [3] В Массачусетском технологическом институте, начиная с 1932 года, он работал над высокочастотными антеннами для генерации узких пучков радиоволн для обнаружения самолетов в тумане. Он изобрел рупорную антенну и пришел к идее использования полой трубы в качестве фидера для подачи радиоволн на антенну. [3] К марту 1936 года он вывел режимы распространения и частоту отсечки в прямоугольном волноводе. [10] Источник, который он использовал, имел большую длину волны 40 см, поэтому для своих первых успешных экспериментов с волноводом он использовал 16-футовый участок воздуховода диаметром 18 дюймов. [3]
Барроу и Саутворт узнали о работе друг друга за несколько недель до того, как оба должны были представить свои доклады по волноводам на совместном собрании Американского физического общества и Института радиоинженеров в мае 1936 года. [3] [10] Они полюбовно договорились о совместном использовании авторских прав и разделении патентов.
Развитие сантиметрового радара во время Второй мировой войны и первых мощных микроволновых трубок, клистрона (1938) и резонаторного магнетрона (1940), привело к первому широкому использованию волновода. [10] Были изготовлены стандартные волноводные «сантехнические» компоненты с фланцами на конце, которые можно было скрепить вместе болтами. После войны в 1950-х и 60-х годах волноводы стали обычным явлением в коммерческих микроволновых системах, таких как аэропортовые радары и микроволновые релейные сети, которые были построены для передачи телефонных звонков и телевизионных программ между городами.
В микроволновой области электромагнитного спектра волновод обычно состоит из полого металлического проводника. Эти волноводы могут иметь форму одиночных проводников с диэлектрическим покрытием или без него, например, волноводы линии Губо и спиральные волноводы. Полые волноводы должны иметь диаметр в половину длины волны или больше, чтобы поддерживать одну или несколько поперечных волновых мод.
Волноводы могут быть заполнены сжатым газом для подавления дуги и предотвращения мультипликации , что позволяет передавать большую мощность. И наоборот, волноводы могут быть эвакуированы как часть эвакуированных систем (например, электронно-лучевых систем).
Щелевой волновод обычно используется для радаров и других подобных приложений. Волновод служит в качестве пути подачи, а каждая щель является отдельным излучателем, таким образом образуя антенну. Эта структура имеет возможность генерировать диаграмму направленности для запуска электромагнитной волны в определенном относительно узком и контролируемом направлении.
Закрытый волновод — это электромагнитный волновод (a) трубчатый, обычно с круглым или прямоугольным поперечным сечением, (b) имеющий электропроводящие стенки, (c) который может быть полым или заполненным диэлектрическим материалом, (d) который может поддерживать большое количество дискретных распространяющихся мод, хотя только некоторые из них могут быть практичными, (e) в котором каждая дискретная мода определяет постоянную распространения для этой моды, (f) в котором поле в любой точке можно описать в терминах поддерживаемых мод, (g) в котором нет поля излучения , и (h) в котором разрывы и изгибы могут вызывать преобразование мод, но не излучение. [ необходима ссылка ]
Размеры полого металлического волновода определяют, какие длины волн он может поддерживать и в каких модах. Обычно волновод работает так, чтобы присутствовала только одна мода. Обычно выбирается мода самого низкого порядка. Частоты ниже частоты среза волновода не будут распространяться. Можно работать с волноводами на модах более высокого порядка или с несколькими модами, но это обычно непрактично.
Волноводы почти исключительно изготавливаются из металла и в основном из жестких конструкций. Существуют определенные типы «гофрированных» волноводов, которые могут изгибаться и сгибаться, но используются только там, где это необходимо, поскольку они ухудшают свойства распространения. Из-за распространения энергии в основном в воздухе или пространстве внутри волновода, это один из типов линий передачи с минимальными потерями и весьма предпочтительный для высокочастотных приложений, где большинство других типов структур передачи вносят большие потери. Из-за скин-эффекта на высоких частотах электрический ток вдоль стенок обычно проникает только на несколько микрометров в металл внутренней поверхности. Поскольку именно здесь происходит большая часть резистивных потерь, важно, чтобы проводимость внутренней поверхности поддерживалась как можно выше. По этой причине большинство внутренних поверхностей волноводов покрываются медью , серебром или золотом .
Измерения коэффициента стоячей волны по напряжению ( КСВН ) могут быть выполнены для того, чтобы убедиться, что волновод является непрерывным и не имеет утечек или резких изгибов. Если такие изгибы или отверстия на поверхности волновода присутствуют, это может снизить производительность как передающего, так и приемного оборудования, подключенного на обоих концах. Плохая передача через волновод может также возникнуть в результате накопления влаги, которая разъедает и ухудшает проводимость внутренних поверхностей, что имеет решающее значение для распространения с низкими потерями. По этой причине волноводы номинально оснащены микроволновыми окнами на внешнем конце, которые не будут мешать распространению, но не будут пропускать элементы. Влага также может вызвать накопление грибка или искрение в мощных системах, таких как радио- или радиолокационные передатчики. Влагу в волноводах обычно можно предотвратить с помощью силикагеля , осушителя или небольшого повышения давления в полостях волновода сухим азотом или аргоном . Канистры с силикагелем-осушителем могут быть прикреплены с помощью навинчивающихся наконечников, а более мощные системы будут иметь напорные баки для поддержания давления, включая мониторы утечки. Дуга также может возникнуть, если в проводящих стенках есть отверстие, разрыв или удар, если передача осуществляется на высокой мощности (обычно 200 Вт или более). Патрубки волновода [12] имеют решающее значение для надлежащей работы волновода. Стоячие волны напряжения возникают, когда несоответствия импеданса в волноводе заставляют энергию отражаться обратно в направлении, противоположном распространению. Помимо ограничения эффективной передачи энергии, эти отражения могут вызывать более высокие напряжения в волноводе и повреждать оборудование.
На практике волноводы действуют как эквивалент кабелей для сверхвысокочастотных (СВЧ) систем. Для таких приложений желательно эксплуатировать волноводы только с одной модой, распространяющейся по волноводу. С прямоугольными волноводами можно спроектировать волновод таким образом, чтобы полоса частот, в которой распространяется только одна мода, достигала 2:1 (т. е. отношение верхнего края полосы к нижнему краю полосы равно двум). Связь между размерами волновода и самой низкой частотой проста: если — большее из двух его размеров, то самая длинная длина волны, которая будет распространяться, равна и самая низкая частота, таким образом, равна
В случае круглых волноводов максимально возможная полоса пропускания, позволяющая распространяться только одной моде, составляет всего 1,3601:1. [13]
Поскольку прямоугольные волноводы имеют гораздо большую полосу пропускания, в которой может распространяться только одна мода, существуют стандарты для прямоугольных волноводов, но не для круглых волноводов. В общем (но не всегда), стандартные волноводы спроектированы таким образом, что
Первое условие — разрешить применение вблизи краев полосы. Второе условие ограничивает дисперсию , явление, при котором скорость распространения является функцией частоты. Оно также ограничивает потери на единицу длины. Третье условие — избежать связи затухающих волн через моды более высокого порядка. Четвертое условие — это то, что допускает рабочую полосу пропускания 2:1. Хотя возможно иметь рабочую полосу пропускания 2:1, когда высота меньше половины ширины, наличие высоты точно в половину ширины максимизирует мощность, которая может распространяться внутри волновода до того, как произойдет пробой диэлектрика .
Ниже приведена таблица стандартных волноводов. Название волновода WR означает волновод прямоугольный , а число — это внутренняя ширина волновода в сотых долях дюйма (0,01 дюйма = 0,254 мм), округленная до ближайшей сотой доли дюйма.
Для частот в таблице выше, основным преимуществом волноводов перед коаксиальными кабелями является то, что волноводы поддерживают распространение с меньшими потерями. Для более низких частот размеры волновода становятся непрактично большими, а для более высоких частот размеры становятся непрактично малыми (производственный допуск становится значительной частью размера волновода).
Электромагнитные волноводы анализируются путем решения уравнений Максвелла или их сокращенной формы, уравнения электромагнитной волны , с граничными условиями , определяемыми свойствами материалов и их интерфейсов. Эти уравнения имеют несколько решений или мод, которые являются собственными функциями системы уравнений. Каждая мода характеризуется частотой отсечки, ниже которой мода не может существовать в волноводе. Режимы распространения волновода зависят от рабочей длины волны и поляризации , а также формы и размера волновода. Продольная мода волновода представляет собой особую картину стоячей волны , образованную волнами, заключенными в полости. Поперечные моды классифицируются на различные типы:
Волноводы с определенными симметриями могут быть решены с использованием метода разделения переменных . Прямоугольные волноводы могут быть решены в прямоугольных координатах. [16] : 143 Круглые волноводы могут быть решены в цилиндрических координатах. [16] : 198
В полых однопроводниковых волноводах волны TEM невозможны. Это контрастирует с двухпроводниковыми линиями передачи, используемыми на более низких частотах; коаксиальный кабель , параллельная проводная линия и полосковая линия , в которых возможен режим TEM. Кроме того, распространяющиеся моды (т. е. TE и TM) внутри волновода могут быть математически выражены как суперпозиция двух волн TEM. [17]
Мода с самой низкой частотой среза называется доминирующей модой волновода. Обычно выбирают размер волновода таким образом, чтобы в рабочей полосе частот могла существовать только эта одна мода. В прямоугольных и круглых (полая труба) волноводах доминирующие моды обозначаются как моды TE 1,0 и TE 1,1 соответственно. [18]
Диэлектрический волновод использует сплошной диэлектрический стержень, а не полую трубку. Оптическое волокно — это диэлектрический проводник, предназначенный для работы на оптических частотах. Линии передачи, такие как микрополосковый , копланарный волновод , полосковая линия или коаксиальный кабель , также могут считаться волноводами.
Диэлектрические стержневые и пластинчатые волноводы используются для проведения радиоволн, в основном на частотах миллиметровых волн и выше. [19] [20] Они ограничивают радиоволны за счет полного внутреннего отражения от скачка показателя преломления из-за изменения диэлектрической проницаемости на поверхности материала. [21] На частотах миллиметровых волн и выше металл не является хорошим проводником, поэтому металлические волноводы могут иметь увеличивающееся затухание. На этих длинах волн диэлектрические волноводы могут иметь меньшие потери, чем металлические волноводы. Оптическое волокно — это форма диэлектрического волновода, используемая на оптических длинах волн.
Одно из различий между диэлектрическими и металлическими волноводами заключается в том, что на металлической поверхности электромагнитные волны плотно ограничены; на высоких частотах электрические и магнитные поля проникают на очень короткое расстояние в металл. Напротив, поверхность диэлектрического волновода является интерфейсом между двумя диэлектриками, поэтому поля волны проникают за пределы диэлектрика в виде затухающей (нераспространяющейся) волны. [21]
