Волновод

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Волноводная измерительная линия.
Разборный волновод
Металлический СВЧ-волновод прямоугольного сечения с фланцами.

Волновод — искусственный или естественный канал, при распространении вдоль которого распространяющаяся в нём волна слабо затухает. Поле волны при этом сосредоточено внутри канала или в непосредственно примыкающей к нему области. По природе распространяющихся волн различают электрические и акустические волноводы.

Типы волноводов[править | править вики-текст]

Экранированные[править | править вики-текст]

(animation)
Электрическое поле внутри СВЧ-волновода прямоугольного сечения при распространении в нём волны х-диапазона.

Экранированные волноводы имеют хорошо отражающие стенки для распространяющегося в нём излучения. К ним относят полые трубки разного сечения, но обычно — круглого или прямоугольного. Для передачи электромагнитной энергии используются металлические полые трубки, вдоль которых распространяются электромагнитные волны, а также коаксиальные и многожильные экранированные кабели, но обычно последние причисляют к линиям передачи (длинным линиям).

К экранированным волноводам относят также акустические волноводы обычно это трубы с достаточно жёсткими стенками, например, металлические или пластмассовые. В таких волноводах акустические колебания распространяются в газе, наполняющем волновод, обычно в воздухе. Ранее широко применялись на судах и кораблях под названием «переговорные трубы».

Практически все типы волноводов можно рассматривать как разновидность линий передачи.

Неэкранированные[править | править вики-текст]

В открытых (неэкранированных) волноводах локализация поля обычно обусловлена явлением полного внутреннего отражения от границ раздела двух сред (в волноводах диэлектрических и оптоволоконных световодах), либо от областей с плавно изменяющимися параметрами среды (например, ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звуковой канал, градиентные оптоволокна). К открытым волноводам принадлежат и системы с поверхностными акустическими волнами, в которых распространение волн происходит вдоль границы раздела сред с различными акустическими свойствами.

Свойства волноводов[править | править вики-текст]

В волноводах, как в системах с распределёнными параметрами, возможно существование в нём дискретного (при не очень сильном поглощении) набора (ансамбля) типов колебаний (мод), каждый тип колебаний распространяется со своими фазовыми и групповыми скоростями. Все моды обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты и отличаются от групповых скоростей.

В экранированном волноводе фазовые скорости обычно превышают скорость распространения плоской однородной волны в заполняющей среде (скорость света, скорость звука), эти волны называются быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Это так называемые утекающие волны. В открытых волноводах, как правило, распространяются медленные волны, амплитуды которых быстро убывают при удалении от направляющего канала.

Каждая мода характеризуется предельной частотой ~\omega_k , называемой критической; мода может распространяться и переносить вдоль волновода поток энергии только на частотах ~\omega, превышающих ~\omega_{kr}. Однако в некоторых случаях (многопроводные линии передачи, полые акустические волноводы) существуют моды, для которых ~\omega_{kr}=0, их называют главными или квазистатическими.

При больших ~\omega волновод становится сверхразмерным (поперечные размеры волновода значительно превышают длину волны): тогда в нём одновременно распространяется множество мод, которые при определённых соотношениях между амплитудами и фазами могут группироваться в бегущие вдоль волновода сгустки. В предельном случае, в волноводе образуется стоячая волна с узлами и пучностями, например, для акустических волноводов — узлы акустического давления. В узлах стенки можно убрать, заменив сплошную трубу последовательно расставленными отражателями. Такие, а также аналогичные им линзовые системы классифицируют как квазиоптические волноводы или квазиоптические линии передачи.

Применение волноводов[править | править вики-текст]

Систма волноводов ускорителя Арагонской Национальной лаборатории.
Волноводный узел с направленным ответвителем — элемент радиолокационной станции управления воздушным движением.

Радиочастотные электрические волноводы всегда применяются в современных радиолокационных станциях, ускорительной технике элементарных частиц.

Акустические волноводы (переговорные трубы) применяются на судах, дублируя электронные переговорные устройства при их отказе.

Волноводы на поверхностных акустических волнах применяются в обработке сигналов для построения электромеханических фильтров.


См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Калинин В. А., Лобов Г. Д., Штыков В. В. Радиофизика для инженеров / Под ред. С.И.Баскакова. — М.: Изд-во МЭИ, 1994. — 130 с. — 500 экз.