что такое волновод в радиосвязи
Волноводы
Радиоволновод — линия передачи СВЧ, описываемая телеграфным уравнением, служащая для передачи радиоизлучения.
| Классическая электродинамика | ||||||||||||
 | ||||||||||||
| Магнитное поле соленоида | ||||||||||||
Электричество · Магнетизм
|
Содержание
Описание
Боковая поверхность канала радиволновода является границей раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются диэлектрическая или магнитная проницаемости и электропроводность. Эта поверхность может иметь произвольную форму, применяются цилиндрические радиоволноводы с разнообразными сечениями (прямоугольные, круглые, Н- и П-образные и пр.).
К радиоволноводам, обычно относят только такие, у которых канал имеет односвязное сечение. Остальные рассматриваются в теории длинных линий.
Свойства
Главная особенность радиоволновода заключается в том, что в нем могут распространятся волны, длина волны которых меньше или сравнима с характерным поперечным размером волновода. Это обуславливает применение радиоволноводов главным образом в области сверхвысоких частот.
Преимущества и недостатки
Преимущества
Основным преимуществом металлических радиволноводов по сравнению с двухпроводной симметричной и коаксиальной линиями является малость потерь на СВЧ.
Недостатки
Применение
Радиоволноводы, в основном, служат для передачи энергии в СВЧ трактах (например, от передатчика к антенне). Такой тракт обычно состоит из различных (по форме и размерам) радиволноводов, угловых изгибов и пр. Для сочленения радиоволноводов разных поперечных сечений применяются плавные волноводные переходы с переменным сечением (например, рупорный переход).
Полезное
Смотреть что такое «Волноводы» в других словарях:
волноводы — 3.6.4 волноводы: Специально подвешиваемые на опорах контактной сети одно или двухпроводные направляющие линии, используемые для передачи высокочастотных сигналов поездной радиосвязи. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Волноводы железнодорожной контактной сети — Волноводы специально подвешиваемые на опорах контактной сети одно или двухпроводные направляющие линии, используемые для передачи высокочастотных сигналов поездной радиосвязи. Источник: ПРАВИЛА УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ… … Официальная терминология
Одно- или двухпроводные волноводы — 2.2.20. Одно или двухпроводные волноводы: одно или двухпроводные линии из биметаллических проводов, подвешенных на опорах контактной сети, опорах высоковольтных линий электроснабжения, на специально устанавливаемых опорах, на конструкциях мостов … Официальная терминология
Нелинейные оптические преобразователи и волноводы — Статьиволокно фотонно кристаллическое (Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО») … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Двойной Т-мост (волноводы) — Двойной Т мост элемент волноводного тракта, используемый для построения антенных переключателей, направленных ответвителей, систем развязки волноводных трактов в СВЧ диапазоне. Двойной Т мост представляет пару сдвоенных Е и Н тройников с фланцами … Википедия
КВАЗИОПТИКА — оптика широких волн. пучков, занимающая промежуточное положение между СВЧ электродинамикой, где строго учитываются дифракц. эффекты, и геометрической оптикой, где ими полностью пренебрегают. В К. дифракц. явления учитываются лишь в той мере, в… … Физическая энциклопедия
АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА — занимается разработкой УЗ устройств для преобразования и аналоговой матем. обработки радиосигналов. Возможность и целесообразность такого использования упругих волн обусловлены их малой скоростью по сравнению со скоростью света и разл. видами вз… … Физическая энциклопедия
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА — раздел совр. оптики, осн. задачей к рого явл. изучение и использование особенностей генерации, распространения и преобразования световых волн в тонких слоях прозрачных материалов, а также разработка принципов и методов создания и интеграции оптич … Физическая энциклопедия
Волновод — как составляющая конструкции микроволновой печи … Википедия
Что такое волновод в радиосвязи
Электромагнитными колебаниями (ЭМК) называют периодические изменения во времени электрического заряда (силы тока, напряжения), в общем случае ЭМК это взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (Н) полей, составляющих единое Электромагнитное поле.
Различают вынужденные электромагнитные колебания, поддерживаемые внешними источниками, и собственные электромагнитные колебания, существующие и без них.
Рис.1. Последовательный колебательный контур
Зависимость коэффициента передачи контура К( f ) от частоты входного сигнала f называется амплитудно-частотной характеристикой контура.
Под коэффициентом передачи К понимается отношение выходного сигнала элемента к его входному сигналу, рассматривают коэффициенты передачи по току, напряжению, мощности и т.д.
Рис.2. Амплитудно-частотная характеристика
Параметры, описывающие свойства колебательного контура:
Частота свободных колебаний контура
.
Частота свободных колебаний является частотой резонанса контура, на которой реактивное сопротивление индуктивности XL=2πfL равно реактивному сопротивлению ёмкости XC=1/(2πfC) и равно волновому сопротивлению контура r:
Добротность характеризует, во сколько раз запасы энергии в контуре больше, чем потери энергии за один период колебаний и определяется как
.
Полоса пропускания определяется как ширина АЧХ по уровню половинной мощности (для амплитуды по уровню 0,707 от максимума) и для колебательного контура может быть рассчитана из выражения:
Электромагнитные волны ( ЭМВ) – синусоидальные электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве.
Рис 3. Электромагнитная волна
Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:
Сверхдлинные волны (СДВ)
Ультракороткие волны (УКВ) включают несколько поддиапазонов:
дециметровые волны (ДМВ)
сантиметровые волны (СМВ)
миллиметровые волны (ММВ)
субмиллиметровые волны (СММВ)
Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн называют сверхвысокими частотами (СВЧ).
Частота f и длина волны l связаны соотношением:
,
где с – скорость ЭМВ, в воздухе и в вакууме с = 3∙108 м/сек.
2.1.2. Коаксиальные линии связи
Коаксиальная линия связи представляет собой систему, передачи высокочастотных электромагнитных колебаний, состоящую из двух соосных металлических цилиндров, разделенных слоем диэлектрика.
Рис. 1. Поперечный разрез коаксиальной линии.
Рис. 2. Современные коаксиальные кабели.
В коаксиальной линии распространяется волна типа Т (поперечная), электрические силовые линии идут радиально, а магнитные силовые линии имеют вид концентрических окружностей.
Волновое сопротивление r коаксиальной линии зависит от отношения диаметров D/d наружного и внутреннего проводников. Чем меньше это отношение, тем больше емкость линии и тем меньше r. Например, для воздушной коаксиальной линии при
D/d = 1,5 величина r составляет 25 ом, а при D/d= 8 она возрастает до 125 ом.
В большинстве случаев коаксиальные высокочастотные кабели выпускаются промышленностью с волновым сопротивлением 50, 75, 150 Ом.
К основным достоинствам коаксиальных линий передачи относятся следующие:
1) широкополосность, т.е. способность пропускать широкую полосу рабочих частот;
2) электромагнитное поле, имеющее структуру Т-волны, распространяется в пространстве между цилиндрами и во внешнюю среду волна не выходит, т.е. отсутствует паразитное излучение;
3) возможность изготовления в виде гибких коаксиальных кабелей.
Коаксиальные волноводы нашли широкое применение в радиоаппаратуре. Чаще всего они используются для соединения узлов и блоков радиоаппаратуры. Такие волноводы применяют в метровом и в сантиметровом диапазонах, обычно не выше 20 ГГц. С увеличением частоты растет затухание, которое может достичь более 1дБ/м.
2.1.3. Волноводы
Волноводами называются металлические трубки различного профиля, внутри которых распространяются электромагнитные волны (в миллиметровом диапазоне длин волн волноводы могут быть сделаны и из диэлектрика).
Фото. 1. Прямоугольные волноводы в различном исполнении.
Габариты сечения волноводов зависят от диапазона частот, для которых этот волновод применяется. Эти габариты стандартизованы.
Диапазон частот, в котором, как правило, используется прямоугольный волновод – 1000 – 100 000 МГц.
Рис. 1. Габариты сечения волновода.
В волноводах могут распространяться ЭМВ различных типов. Все они делятся на две группы: 1) электрические волны, обозначаемые Е, имеют электрическое поле, расположенное и в поперечном и в продольном направлениях, а магнитное поле только в поперечной плоскости; 2) магнитные волны, обозначаемые H, имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле только в поперечной плоскости.
В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от наличия большего или меньшего отражения на конце волновода. Режим работы линии характеризует коэффициент бегущей волны (КБВ), принимающий значения от 1 ( бегущая волна ) до 0 ( стоячая волна ).
Режим бегущей волны наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии. Для получения в волноводе бегущей волны нагрузка должна полностью поглощать энергию, передаваемую по волноводу, т. е. выходное волновое сопротивление волновода rвых должно быть равно волновому входному сопротивлению нагрузки rвх. Такая нагрузка называется согласованной с волноводом.
Фото.2. Элементы волноводных трактов
2.1.4. Объемные резонаторы
Объемный резонатор это колебательная система СВЧ, предложенная советским ученым М. С. Нейманом в 1939-1940 гг., аналог колебательного контура, представляет собой объём, заполненный диэлектриком (в большинстве случаев воздухом) и ограниченный проводящей поверхностью.
Форма поверхности объемного резонатора в общем случае может быть произвольной, однако практическое распространение (в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта и изготовления) получили круглые цилиндры, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и т.п.
Некоторые типы резонаторов удобно рассматривать как отрезки полых или диэлектрических волноводов, ограниченные двумя параллельными плоскостями.
Рис.1. Тороидальные объемные резонаторы.
Процесс накопления электромагнитной энергии в резонаторе можно пояснить на следующем примере: если между двумя параллельными отражающими плоскостями каким-либо образом возбуждается ЭМВ, распространяющаяся перпендикулярно к ним, то при достижении одной из плоскостей волна полностью отразится от неё. Многократное отражение от обеих плоскостей приводит к образованию волн, распространяющихся в противоположных направлениях и интерферирующих друг с другом. Если расстояние между плоскостями L = nλ/2 (λ — длина волны, а n — целое число), то интерференция волн приводит к образованию стоячей волны, амплитуда которой при многократном отражении сильно возрастает; в пространстве между плоскостями будет накапливаться электромагнитная энергия, подобно тому, как это происходит при резонансе в колебательном контуре.
2.1.5. Аттенюаторы
Фото 1. Регулируемый аттенюатор Д5-21 для волноводного тракта.
Фото 2. Регулируемый аттенюатор Д4-3 для коаксиального тракта.
Аттенюаторы используются для калиброванного измерения уровня мощности сигнала, для снижения чувствительности характеристик узла аппаратуры к изменениям сопротивления нагрузки, для оперативного изменения коэффициента передачи, балансировки каналов электронной аппаратуры, согласования сопротивлений в межкаскадных СВЧ-цепях, создания векторных модуляторов, а также при формировании сигналов со сложными видами модуляции.
2.1.6. Волноводные тройники
Волноводные тройники (Т-образные разветвления) бывают двух видов Н и Е.
Н-плоскостной тройник выполняется обычно так, что размеры поперечного сечения и, следовательно, волновые сопротивления всех трех волноводов одинаковы. Если плечи Б и В нагружены на одинаковые сопротивления, отстоящие на одинаковых расстояниях от разветвления, то мощность, поступающая в плечо А, поровну делится между плечами Б и В синфазно. На основании принципа обратимости следует, что две одинаковые синфазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Н-плечо А.
Рис.1. Н-плоскостной тройник
В Е-плоскостном тройнике при одинаковых нагрузках плеч Б и В, расположенных на одинаковых расстояниях от оси разветвления, мощность, поступающая из плеча А, поровну делится между этими нагрузками, но в противофазе. В обратном случае две одинаковые противофазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Е-плечо А.
Рис.2. Е-плоскостной тройник
Двойной волноводный тройник представляет собой соединение Е- и Н- тройников с совпадающими плоскостями симметрии.
Рис.3. Двойной волноводный тройник
При питании двойного тройника со стороны Е- плеча подводимая мощность делится поровну в противофазе между 2 и 3 боковыми плечами и не поступает в плечо Н.
При подключении генератора к Н- плечу мощность распределяется поровну между 2 и 3 плечами синфазно и не поступает в Е- плечо.
Из сказанного выше следует, что плечи Е и Н двойного тройника взаимно развязаны.
На основании принципа обратимости следует, что две одинаковые синфазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Н-плечо, две одинаковые противофазные волны из боковых плеч пройдут в Е-плечо; в этих случаях Е- и Н-плечи остаются развязанными.
Волноводные тройники применяются в антенных системах РЛС.
2.1.7. Ответвители
Направленные ответвители представляют собой сочленение связанных между собой определенным образом волноводов, в каждом из которых может распространятся только одна волна.
Фото. Направленные ответвители.
В сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн применяют волноводную конструкцию ответвителя. Он состоит из двух отрезков волновода, которые имеют на определенном участке общую тонкую стенку (широкую или узкую). В стенке, разделяющей волноводы, сделаны отверстия, служащие элементами связи, через которые ответвляется небольшая часть мощности из первичного волновода во вторичный. Количество отверстий, их форма и размеры определяют характеристики ответвителя. Направленное распространение во вторичном волноводе достигается в результате интерференции возбуждённых в нём волн, которые, складываясь, в одном направлении взаимно гасятся, а в другом — образуют результирующую ответвлённую волну.
Направленные ответвители широко используются в антенных ситемах СВЧ для измерения мощности, длины волны, модуля коэффициента отражения от нагрузки в линии передачи, наблюдения формы сигнала. Также направленные ответвители применяются в смесителях приемников СВЧ.
2.1.8. Фазовращатели
Фазовращатель СВЧ, устройство, предназначенное для изменения фазы электромагнитных колебаний на выходе линии передачи СВЧ относительно фазы колебаний на её входе, осуществляемого посредством изменения электрической длины этой линии. (Электрическая длина линии равна 2πl/λ, где l – её геометрическая длина, λ – длина волны в линии.) Фазовращатели подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.
Рис.1. Простейший фазовращатель на прямоугольном волноводе с продольно-намагниченным ферритом
Регулируемый фазовращатель – участок Фидера, вносящий фазовый сдвиг на определённой частоте (или требуемые сдвиги фаз в заданной полосе частот), который при необходимости можно регулировать по величине. Различают фазовращатели с механическим (или электромеханическим) управлением фазовым сдвигом и фазовращатели с электрическим управлением.
Нерегулируемый фазовращатель реализуют в виде калиброванного по фазе отрезка фидера, фазовый сдвиг в котором достигается подбором значения его длины, размеров поперечного сечения (при использовании волновода) либо эффективной диэлектрической проницаемости.
Основная область использования регулируемых фазовращателей
Фото. 1. Фазовращатели входят в состав управляемых излучателей ФАР проходного типа, из которых собрано антенное полотно.
Рис. 2. Управляемый излучатель ФАР.
Управляемый излучатель состоит из управляемого ферритового фазовращателя, двух диэлектрических излучателей и схемы управления. Фазовращатель выполняет роль управляемой задержки сигнала на время, не превышающее периода СВЧ колебаний.
2.1.9. Фильтры СВЧ
Основные функции фильтров СВЧ:
частотная селекция в ВЧ РПрУ, для защиты от зеркальных каналов приема;
выделение в приемниках полезного сигнала из спектра шумов и помех;
формирование заданного спектра излучения передатчиков.
В диапазоне СВЧ большинство фильтров строится на объемных резонаторах.
АЧХ фильтров СВЧ, как правило, имеет колокольную форму:
Рис. Амплитудно-частотная характеристика фильтра, где f 0 – частота настройки фильтра (резонансная), D f – полоса пропускания фильтра, определяемая его добротностью Q, D f = f 0 / Q.
Следовательно для получения в диапазоне СВЧ f = 0,3 – 300 ГГц полосы пропускания в единицах МГц добротность Q таких фильтров должна составлять величину 1000 – 100 000.
Получение высокодобротных фильтров на базе объемных СВЧ резонаторов сложная и дорогостоящая техническая задача, связанная с высочайшими требованиями к точности и качеству механической обработки резонаторов. Следовательно, стоимость таких фильтров весьма высока.
Волновод
Оглавление
Физический фон
В волноводе же переменные электрическое и магнитное поля движутся:
Волноводы также могут работать с повышенным внутренним давлением газа, чтобы иметь возможность передавать более высокие мощности (в соответствии с законом Пашена ) без возникновения пробоев или пробоев воздуха. В этом контексте явление мультиплексирования означает конструктивное наложение нескольких различных длин волн, что может привести к очень высокой напряженности поля.
Также существуют сопоставимые моды в круглых волноводах. Однако и здесь есть моды, которые имеют однородное распределение поля по окружности трубы.
E / H режимы
В электромагнитных волнах электрическое и магнитное поля всегда перпендикулярны друг другу. Чтобы волна могла распространяться в одном пространственном направлении, компоненты волны должны существовать в этом пространственном направлении. Если электрическое поле перпендикулярно направлению распространения, говорят о H-модах. Если магнитное поле перпендикулярно направлению распространения, говорят об E-модах. На рисунке показан продольный разрез волновода (направление z).
Длина волны волновода и частота среза
Взаимосвязь является нелинейной, и для данного порядка мод и размеров существует длина волны в свободном пространстве, для которой длина волны волновода приближается к бесконечности:
Частота среза делит частотный диапазон на два диапазона: диапазон затухания и диапазон распространения. Решающим фактором здесь является поведение коэффициента распространения γ по частоте.
Волна не может распространяться в зоне затухания. Коэффициент дисперсии считается чисто реальным. Соответственно, волна гасится апериодически. Моды, не способные к распространению, могут быть возбуждены и, по крайней мере, временно связывать часть энергии волны. Если частота волны такая же, как частота среза, коэффициент распространения равен нулю. Волна отражается под прямым углом между сторонами волновода без какого-либо переноса энергии. α м а Икс <\ displaystyle \ alpha _ <\ mathrm 
Волновое сопротивление
Волновое сопротивление связывает амплитуды электрического и магнитного напряженности поля электромагнитной волны. В волноводе он зависит от частоты и различается для режима TM и TE, но имеет одинаковое значение во всем волноводе.
Выше предельной частоты ( f > f limit ) импеданс является действительным, и энергия распространяется в волноводе. С другой стороны, ниже частоты отсечки импеданс является мнимым, и волна проникает в волновод с уменьшающейся амплитудой.
Различные волноводы и их режимы
Многие характерные свойства являются общими для всех типов волноводов. Это включает в себя частоту среза, ниже которой распространение волн не происходит.
В то время как ТЕМ-волны распространяются по коаксиальному кабелю (электрическое и магнитное поля всегда перпендикулярны направлению распространения), только так называемые H-волны (также TE-волны) и E-волны (TM-волны) обнаруживаются в волноводе, магнитном или электрическом. компоненты поля в направлении распространения.
К существованию мод относятся следующие правила:
Прямоугольный волновод
Как уже упоминалось выше, для прямоугольного волновода решающим является наибольший размер. Это означает, что ширина определяет волны, которые могут распространяться в этом проводнике.
Следующее относится к E-волне в направлении распространения:
Однако волна H10 типична для прямоугольных волноводов.
Круглый волновод
Волновод с эллиптическим поперечным сечением
Помимо прямоугольных и круглых волноводов используются также волноводы с эллиптическим поперечным сечением. Длина волны отсечки примерно соответствует удвоенному поперечному размеру ( λ k ≈ 2 · a ). Как показывает практика, эллиптические волноводы несколько больше по своим поперечным размерам, чем прямоугольные волноводы с той же частотой среза.
С технической точки зрения эллиптические волноводы также могут быть выполнены в виде гибких линий. Таким образом, его можно хранить и транспортировать в рулонах или на «тросовых» барабанах. Эллиптические волноводы также допускают меньший радиус изгиба, чем круглые или угловые.
Подключения и подключения волновода
Когда коаксиальное соединение магнитно связано с волноводом, внутренний проводник в волноводе замыкается накоротко с задней стенкой. Здесь также создается максимум поля в точке подачи.
Поскольку в середине в точке B протекают только небольшие токи, любое контактное сопротивление там мало влияет. На этом этапе вы даже можете установить изолирующую резиновую пластину, чтобы заполнить волновод инертным газом. Этот принцип резонансного уплотнения также используется для герметизации дверцы микроволновой печи с использованием высокочастотной технологии.
история
Полосы частот волновода
Эта таблица основана на соотношении ширины к высоте 2: 1. Нижние рекомендуемые частоты передачи в среднем в 1,26 раза выше критических нижних предельных частот, обусловленные шириной, верхние частоты передачи в среднем в 1,48 раза выше нижних рекомендуемых частот передачи. Коэффициент 1,86 (среднее значение) верхних частот передачи для соответствующей критической нижней предельной частоты обеспечивает мономодовое распространение (значение Волноводы на практике
Линии вентилятор удерживает влагу из окружающей среды, которые могли бы исказить адаптацию волновода.