Прямоугольные волноводы

Сигнал, проходящий по коаксиальному кабелю, подчиняется правилам обычных электрических цепей, то есть выражается в терминах напряжения V, возникающего во внутренних и внешних проводниках, и тока I, протекающего по проводникам. В волноводе сигнал сохраняет форму электромагнитной волны, следовательно, правильней для его описания использовать термины электрического (E) и магнитного (H) полей. Необходимо, чтобы волновое возмущение ограничивалось внутренними пределами стенок волновода. Вместе с тем размеры волновода следует выбирать в соответствии со следующими ограничениями, которые накладываются электрическими и магнитными полями:

Принимая во внимание эти ограничения, а также то, что стенка волновода представляет собой практически идеальный проводник, можно прийти к выводу, что волна никогда не должна распространяться прямо по направлению металлической трубки, а должна проходить посредством серии отражений от стенки к стенке - скачками, как на рисунке a.

Влияние размера ширины волновода B на угол отражения сигнала
Влияние размера ширины волновода B на угол
отражения сигнала. 3/4, 2/3 и 1/2 длины волны.

Угол отражения зависит от размеров поперечного сечения волновода. По причинам, о которых будет говориться несколько позже, больший размер В более критичен и обычно выбирается таким образом, чтобы он был больше половины длины волны и меньше размера длины волны. В пределах этих ограничений размер В определяет угол отражения сигнала. Чем больше размер B, с учетом верхнего предела, тем меньше будет число отражений волны (большой угол отражения). Во время каждого отражения волна подвергается небольшому ослаблению (затуханию), поэтому, чем меньше число отражений, тем выше эффективность распространения сигнала вдоль волновода (рисунок б). Если размер B приближается к нижнему пределу, составляющему половину длины волны, число отражений резко возрастает. Когда размер B точно равен половине длины волны, волна отражается вперед и назад на одном и том же месте, и возникает, как говорят, запредельный (критический) режим, то есть волна никогда не достигнет другого конца волновода (рисунок в). Казалось бы, что размер В должен быть как можно ближе к размеру длины волны, чтобы уменьшить число отражений.

К сожалению, есть еще один нежелательный эффект. Когда размер B приближается к границе размера длины волны, возникает опасность распространения так называемого режима высшего порядка. Для обеспечения предсказуемости технология волноводов направлена на создание обычной волновой картины (диаграммы), которая называется доминирующим режимом (режимом основной волны). Такой режим (известный как режим Н01) требует наименьшего возможного размера поперечного сечения волновода. При условии, что размер B не слишком приближается к нижнему пределу, составляющему половину длины волны, распространяться может только основная волна, поскольку волны высшего порядка (Н02 и выше) становятся исчезающими (критическими).

Диаграммы магнитных полей
Диаграммы магнитных полей

На рисунке показано различие между диаграммами магнитных полей в доминирующем режиме (режиме основной волны) и режиме второго высокого порядка. Противоречивые требования большого угла отражения и исключения режимов высшего порядка приводят к компромиссному значению размера ширины волновода B, составляющему примерно 3/4 длины волны. Сигналы диапазона частоты 11 ГГц соответствуют длине волны приблизительно 2,7 см, поэтому размер В прямоугольного волновода выбирается равным около 2 см. Таким образом, волновод обладает свойством отфильтровывать нежелательные сигналы, длина волны которых отличается от расчетного (предусмотренного) диапазона.

Размер A не является столь критичным, но он должен быть меньше размера B, иначе волна станет сворачиваться (проскальзывать) и направление распространения полей E и Н будет непредсказуемым. В доминирующем режиме линии поля E проходят поперек оси волновода параллельно размеру A. Если размер A слишком мал, а напряженность сигнала исключительно велика, электростатическое напряжение может вызвать образование электрической дуги поперек стеною волновода. К счастью, напряженность поля E в приемных спутниковых антенных зеркалах слишком мала, чтобы беспокоиться об этом. Такая опасность может возникнуть только при разработке передатчиков высокой мощности сантиметрового диапазона.

Прямоугольные волноводы, благодаря своим свойствам, обладают высокой избирательностью (селективностью) по отношению к одному направлению линейной поляризации, горизонтальному или вертикальному. Блок поляризатора часто используется для вращения штоскости приходящего сигнала выбранного направления линейной поляризации в соответствии с плоскостью зонда LNB.

Для приема сигналов с круговой поляризацией с помощью одного зонда LNB необходимо вставить пластину из диэлектрика под углом в 45° в соединительную часть (горловину) волновода. Если сигнал вещания со спутника имеет только одно направление круговой поляризации, то головка облучателя без направляющего устройства или диэлектрической пластины все равно будет разделять сигналы, но с ослаблением около -3 дБ. Волноводы Ku-диапазона имеют наименования WR75 или WG17 (19,05x9,53 мм), а волноводы С-диапазона - WR 229 или WG НА (58,17x29,08 мм). Если на поверхности волноводов имеются какие-либо неровности, то может происходить поглощение энергии; в количественном отношении это оценивается как потери волновода и измеряется в децибелах.

Также читайте:
Рупорный облучатель антенны
Характеристическое сопротивление