Что такое радиоволновод и как он работает
Радиоволновод представляет собой специальный направляющий канал, выполненный из диэлектрического материала, основное назначение которого — передача и распространение электромагнитных волн. Его боковые стенки формируют границу раздела двух сред, при переходе через которую резко меняются такие ключевые параметры, как диэлектрическая и магнитная проницаемость, а также электропроводность. Конструктивно волноводы чаще всего имеют форму цилиндра с различными типами поперечного сечения: прямоугольным, круглым или эллиптическим. Ключевая особенность, определяющая область их применения, заключается в том, что эффективно передаваться могут только волны, длина которых соизмерима с поперечными размерами самого волновода. Именно это свойство делает их незаменимыми для работы в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ).
Преимущества и применение металлических волноводов
Металлические радиоволноводы характеризуются исключительно низкими потерями энергии на сверхвысоких частотах. Это достигается за счет двух основных факторов: во-первых, в них практически отсутствуют потери на излучение энергии в окружающее пространство, а во-вторых, площадь поверхности, по которой протекают токи при распространении волны, существенно отличается (и часто оказывается меньше) от таковой в классических двухпроводных линиях передачи.
Основная сфера применения — формирование СВЧ-трактов, например, для передачи энергии от передатчика к антенне. Такие тракты представляют собой сложные сборки из отрезков волноводов разнообразных форм и размеров. Вдоль оси волновода распределяется волновое поле, которое образуется в результате многократного отражения и интерференции волн от внутренних стенок канала.
В радиолокационных станциях волноводы выполняют роль направляющих систем. Они обеспечивают передачу энергии от передатчика к передающей антенне и от приемной антенны к радиоприемнику. Совокупность отрезков волноводов, соединенных между собой, образует волновой тракт. В его состав могут входить не только прямые участки, но и различные волноводные узлы: угловые изгибы, вращающиеся соединения, переходы между сечениями разной формы.
Ограничения и недостатки
Несмотря на эффективность, радиоволноводы имеют ряд конструктивных ограничений. Главный недостаток — наличие нижнего частотного предела: волны, длина которых больше критической, в волноводе не распространяются. Это делает конструкции для дециметрового диапазона чрезмерно громоздкими и сложными в монтаже. Кроме того, изготовление требует высокой точности обработки внутренних поверхностей, так как любые неровности или загрязнения приводят к увеличению потерь.
Другие типы радиоволноводов
Диэлектрические волноводы
В этом типе волноводов направление волны осуществляется поверхностью раздела, роль которой играет внешняя поверхность диэлектрического стержня (например, из кварца или специальной керамики). Однако такие волноводы обладают высокой чувствительностью к внешним воздействиям и механическим деформациям. Существенным минусом являются дополнительные потери энергии из-за её просачивания (излучения) за пределы стержня. В связи с этим их практическое применение ограничено, в основном, передачей сантиметровых и миллиметровых волн на относительно короткие расстояния.
Волноводы поверхностной волны
Конструктивно они могут представлять собой металлический проводник цилиндрической формы или ленту, покрытую слоем диэлектрика или имеющую ребристую поверхность. Их главное преимущество перед классическими металлическими волноводами — более простая конструкция и способность передавать значительные мощности в широком диапазоне частот. Электромагнитное поле (поверхностная волна) в таком случае распространяется не внутри, а снаружи проводника, окружая его. Недостатком является чувствительность поля к любым неоднородностям: деформациям, креплениям, соединениям, что также ведет к потерям энергии.
Способы возбуждения волн в волноводах
Для создания (возбуждения) электромагнитного поля внутри волновода используются специальные устройства. Наиболее распространенные из них:
• Штырь — линейный проводник, который ориентируется параллельно электрическим силовым линиям возбуждаемого типа волны.
• Виток (петля) — его плоскость располагается перпендикулярно магнитным силовым линиям.
• Отверстие (щель) — прорезь в металлической стенке волновода, которая делается в направлении магнитных силовых линий для связи с другим волноводом или излучающим элементом.