Существует общая зависимость между длиной волны в волново -Я-в длиной волны в свободном простраистве X и критической * og волны кр, справедливая для волноводов с любой формой поперечного- сечеиия:

7- А.

При приближении рабочей длины волны X к критической, как нетрудно видеть из этой формулы, длина волны в волноводе все более резко возрастает. Это свойство волноводов используется для изготовления точных (прецизионных) волномеров. Ведь даже малое изменение рабочей длины волны приводит в этом случае к большому изменению длины волны в волноводе.

В приведенной Формуле предполагалось, что внутри волновода возду.х или вакуум. Если же волновод полностью заполнить диэлектриком, у которого относительные диэлектрическая е и магнитная ц проницаемости не равны единице, то в правой части выражения для Хв cnenvcT единицу заменить на произведение ец.

Для того чтобы рассчитать значения для любого волиовода, нужно знать критическую длину волны. Оказывается, что она зависит, от формы и размеров поперечного сечеиия волиовода, а также от типа волны. В табл. 1- -приведены соотношения, по которым можно определить Хк для любых типов волн в прямоугольном волноводе и для некоторых типов волн в круглом волноводе.

Таблица 1

Н F

Заполняя волновод полностью диэлектриком, можно увеличить критическую длину волны в Vefi раз, не меняя размеров волновода, чли Же при данной длине волны во столько же раз уменьшить его оазмеры. Это свойство находит иногда практическое применение. Три заданных размерах волновода и при использовании основного типа волны можно передавать высокочастотную энергию на более низкой частоте. Другими словами, для передачи иа данной частоте использование основного типа волны- волновода позволяет сделать его с наименьшими габаритами, а следовательно, и массой.

Подчеркнем, что нельзя выбирать рабочую частоту, близкую к критической, в частности потому, что резко возрастают потери в волноводе (рис, 10). Как риднр из табл. 3, например, для волно-

вода с размерами поперечного сечения й=110 мм и fe = 55 мм (/кр) н.о =с/(2й) = 1,364 ГГц и (f p) =с/а=2,728 ГГц, а рекомендуемый диапазон рабочих частот уже и равен 1,72-2,61 ГГц.

Наиболее часто на практике применяются волноводы прямоугольного сечения, работающие с волной Ню- Круглые волноводы часто применяются во вращающихся сочленениях неподвижных элементов волноводного тракта с подвижными. В этом случае пригодны волны с круговой симметрией Hoi и Eoi, которые не являются основным (низшим) типом. Обычно используют волну Ео1, для которой

I 0,001

.02 Ч 6 8 10 12 14 Частота,ГГц ,

Рис. 10. Зависимость погонного ослабления от частоты в волноводе круглого сечения для волн типа Нц, Eoi и Hoi и в волноводе прямоугольного сечения для волны Н^.

требуется волновод меньших размеров, чем при использовании волны Но1. Волна же Hoi ввиду своих особенностей находит применение в основном для передачи СВЧ энергии на большие расстояния.

Потери электромагнитной энергии в волноводах. При рассмотрении структуры электромагнитных полей в волноводах считалось, что металлы являются идеальными проводниками. Однако реально онп обладают не бесконечно большой, а конечной проводимостью. Поэтому некоторая доля энергии, передаваемая по волноводу, затрачивается на нагревание стенок, по которым протекают высокочастотные токи. Поскольку для различных типов волн распределение и значение токов разные, то и потери в стенках волновода будут зависеть от типа волны, которая распространяется в волноводе.

Величину потерь принято характеризовать коэффициентом поглощения, называемым еще коэффициентом затухания нли просто затуханием, который измеряется в непорах на один метр длины волновода (Неп/м) или в децибелах на метр (дБ/м). Напомним, что 1 Неп=8,68 дБ. Другими словами, коэффициент поглощения определяется величиной ослабления, выраженной в децибелах (см. 20

6), иа длине волиовода, равной одному метру. На рис. 10 при-

деиы зависимости коэффициента ослабления от частоты в круг- м волноводе диаметром 10 см для воли Ни, Eoi, Hoi и в обычном /.пазмер узкой стенки Ъ равен а/2) прямоугольном волноводе для оляы Ню, у которого периметр поперечного сечения (2а-(-26) равен есиметрупоперечного сечения круглого волновода (2п/?). Можно заметить, что для волн Eoi и Нц в круглом волноводе и волиы Ню в прямоугольном волноводе имеется область частот, в которой потери минимальны (примерно от 3 до 8 ГГц).

Таблица 2

Материал

Поверхностное сопротивление R , Ом

Удельная проводимость о, 1/(Ом-м)

Глубина проникновения 8, мкм

Серебро Медь

Алюминий Латунь

Припой (оловянно-свинцовый)

0,044

ТТ 0,М7

0,061

0,086

0,13

Примечание. Значение }. берется в сантиметрах.

Характеристики потерь аналогичны и для других типов волн, кроме волн Hon в волноводе круглого сечения. Пря этом из всех типов волн на частотах вблизи минимума потерь основные волны имеют наименьшее ослабление иа е,ц,ииицу продольной длины волновода. Для волны Но1 в круглом волноводе зависимость аномальная: потери уменьшаются с увеличением частоты.

При уменьшении частоты и приближении ее к критической потери растут за счет увеличения числа отражений плоских волн от стеиок волиовода, так как при каждом отражении часть энергии теряется. Рост потерь с увеличением частоты можно объяснить влиянием поверхностного эффисга. Толщина поверхностного слоя 6, в котором текут высокочастотные токи, с увеличением частоты уменьшается, а следовательно, растет сопротивление, оказываемое этим слоем протеканию тока. Увеличение сопротивления влечет за собой рост потерь иа нагрев.

В табл. 2 .приведены зависимости 6 от Я, для различных материалов.

В волноводе из меди иа волне длиной 10 см величина 6 составляет около 1 мкм, а на миллиметровых волнах ток течет в поверхностном слое толщиной всего лишь в десятые доли микрометра. Ьсли волновод имеет стенки с неровной .поверхностью, так что глубина неровиостей больше 6, то путь тока в таком извилистом слое

тшшш. 21