3 Эллиптические волноводы
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Исследование распространения электромагнитных волн в эллиптическом волноводе впервые было проведено в 1938 г. Л. Чу [1]. Однако практически, в целях создания линий передачи энергии на их основе, эллиптическими волноводами стали заниматься сравнительно недавно — в последние 10—15 лет. Этому особенно способствовала разработка технологии и установок для изготовления гофрированных труб большой длины из металлических лент и на основе этих труб эллиптических гофрированных волноводов (ЭВГ). Краткое описание установок и технологии дано в § 3.6.
В энергетическом отношении эллиптические гофрированные волноводы эквивалентны прямоугольным волноводам, а по эксплуатационным характеристикам они равноценны гибким коаксиальным кабелям с воздушно-пластмассовой изоляцией. Эллиптическая форма поперечного сечения позволяет сохранять положение плоскости поляризации волны по отношению к сечению вне зависимости от вида прокладки волновода, т. е. эллиптический волновод лишен недостатков, свойственных круглому волноводу, у которого плоскость поляризации волны неустойчива и зависит от распределения деформации его сечения по длине.
Способность ЭВГ наматываться на барабан, возможность получения фидерных трактов практически произвольной длины без промежуточных фланцевых соединений, меньшая масса и существенная экономия меди по сравнению с прямоугольными и круглыми волноводами обусловливают наиболее полное их соответствие условиям эксплуатации подвижных и стационарных радиосредств сантиметрового диапазона волн.
Такое сочетание положительных качеств стимулировало многих специалистов как в СССР [2—13], так и за рубежом [21—32] обратиться к исследованиям эллиптических волноводов, направленным на определение их электродинамических параметров, эксплуатационных характеристик, решение вопросов построения оконечной арматуры и соединительных переходов к другим типам линий. Эти исследования были проведены вначале на основе теории гладких волноводов. Такой подход обусловливался тем, что при малой (меньшей 0,1λ) глубине гофра типы волн, порядок их следования, структура поля в большей части внутренней полости гофрированного волновода в основном аналогичны гладкому эллиптическому волноводу. При этом точность полученных результатов, как показали эксперименты, вполне достаточна для целей инженерной практики.
Результаты разработки теории и вычислительного аппарата для гладких эллиптических волноводов отечественными и зарубежными авторами нашли отражение в последних отечественных руководствах и пособиях [14, 15], а также в монографии [16] по вопросам техники связи на сверхвысоких частотах.
В настоящее время советскими специалистами полностью решена задача исследования распространения электромагнитных волн в гофрированных волноводах с произвольными размерами и формой гофра и поперечного сечения [7, 8, 9, 10]. Решение этой задачи основано на последних достижениях современной теории нерегулярных волноводов [17, 18, 19, 20]. Для вычисления электродинамических параметров гофрированных волноводов разработаны конкретные алгоритмы и программы для ЭВМ БЭСМ6.
Изложение результатов общей теории гофрированных волноводов является целью отдельной специальной монографии и не входит в задачу настоящей книги.
Критические частоты в эллиптических волноводах. Основной тип волны
Удовлетворение граничным условиям (3.5) приводит к следующим дисперсионным уравнениям:
для электрических четных волн
Таблица 3.1
Значения коэффициента р для волн различного типа
При таком выборе величины коэффициента перекрытия одноволновый режим обеспечивается при сравнительно нежестких требованиях к допускам на размеры волновода, фазовая и групповая скорости изменяются незначительно, передаваемая мощность близка к максимальной, коэффициент затухания уменьшается с ростом частоты и близок к своему минимальному значению.
Таблица 3.2
Результаты расчета коэффициента перекрытия для прямоугольного, круглого и эллиптического волноводов
Результаты расчета коэффициента перекрытия для прямоугольного, круглого и эллиптического волноводов приведены в табл. 3.2. Из таблицы видно, что эллиптический волновод с точки зрения коэффициента перекрытия занимает некоторое промежуточное положение, приближаясь к прямоугольному при увеличении эксцентриситета.
Волновые сопротивления для волн типов Е и Н в соответствии с выражениями (1.109) и (1.117) будут равны
Результаты расчета коэффициента J
Таблица 3.3
где
(3.33)
Форма записи ZcH11 эквивалентна форме записи волнового сопротивления для прямоугольного волновода (с тем же отношением сторон b/а) [см. (2.25)]. При равенстве отношений b/а и λ/λκρ для эллиптического и прямоугольного волноводов их волновые сопротивления равны между собой. В отечественной серии ЭВГ начало рабочего диапазона каждого эллиптического волновода совпадает с началом рабочего диапазона соответствующего прямоугольного волновода, что существенным образом облегчает решение вопросов согласования эллиптических волноводов с прямоугольными.
