Волноводы

С увеличением частоты потери энергии в длинных линиях возрастают из-за скин-эффекта в проводниках, увеличения потерь в диэлектрике кабеля и излучения двухпроводных линий. Волновод имеет существенно большую, чем коаксиальная линия, поверхность, что уменьшает потери в проводнике при скин-эффекте, кроме того, отсутствуют диэлектрик и потери в нем. Чаще всего применяют волновод прямоугольного сечения, который можно представить как двухпроводную линию, закрепленную на четвертьволновых опорах a/2»l/4, расставленных так часто, что они образуют сплошную трубу.

Симметричная форма волновода, как и в случае коаксиального кабеля, позволяет получить точное решение уравнений Максвелла для распространения электромагнитной волны в нем, не прибегая к уравнениям телеграфистов.

Так для синусоидальной временной зависимости и при пренебрежении потерями комплексные амплитуды проекций векторов и (обозначим их f) удовлетворяют волновому уравнению где (при отсутствии диэлектрика). Решение этого уравнения ищут в виде и после подстановки получают отдельные уравнения для функций Интегрирование их с использованием граничных условий (равенство нулю перпендикулярных к границе составляющих и параллельных границе составляющих ) показывает, что в прямоугольном волноводе могут распространяться два типа волн: поперечно-электрические -волны ( и поперечно-магнитные -волны ( половина длины волны которых должна укладываться целое число раз в одном из поперечных размеров волновода. Появление конкретной волны зависит от способа возбуждения волновода. Полностью поперечные волны

( ) в волноводе (в отличие от коаксиальных кабелей) распространяться не могут. Основной волной является -волна, являющаяся единственной, если размеры волновода удовлетворяют условиям Для этой волны проекции и равны:

где А - постоянная, определяемая мощностью возбуждения волны; - волновое сопротивление волновода; Ом - волновое сопротивление среды (вакуума);

- коэффициент распространения волны,

Фазовая скорость распространения волны

, - скорость волны в среде.

Групповая скорость т. е. При h - мнимый и волна быстро затухает, при E и H имеют одну и ту же фазу по всей длине волновода и он работает как поперечный резонатор. Для передачи мощности по волноводу необходимо, чтобы .

Конфигурация магнитного поля (H --- >) и электрического тока (Ià) для волны TE₁₀

Возбуждение в волноводе волны ТЕ₁₀ при помощи штыря (а)

и петли с током (б).

Для уменьшения потерь в волноводе его внутренняя поверхность на толщину скин-слоя покрывается хорошо проводящим серебром. Недостатком волноводов является фиксированная длина передаваемой электромагнитной волны, т. е. для эффективной передачи каждой частоты необходим свой волновод.