Распространение радиоволн в волноводах. 
Резонансные явления в волноводах

Радиоволноводы — металлические трубы и диэлектрические стержни, в которых распространяются радиоволны. Механизм их распространения в волноводах обусловлен многократным отражением электромагнитных волн от стенок волновода.

Для понимания процессов, происходящих в волноводах, вначале рассмотрим взаимодействие двух электромагнитных волн — падающей на плоскую металлическую поверхность и отраженной от этой поверхности (рис. 6.7). Эти волны являются когерентными, то есть имеющими постоянный сдвиг фаз. При сложении когерентных волн имеет место явление, называемое интерференцией: в точках, куда обе волны приходят в фазе, они усиливают друг друга; в точках, куда они приходят в противофазе, ослабляют.

Рис. 6.7. Образование стоячей волны в результате интерференции падающей и отраженной волн: аузлы; Ь — пучности.

В результате интерференции падающей и отраженной волн, рис. 6.7, при полном отражении, отсутствии потерь в среде и отражающей поверхности образуется стоячая волна. В отличие от ранее рассмотренной электромагнитной волны, распространяющейся в свободном пространстве (рис. 6.1) и называемой бегущей, стоячая волна характеризуется наличием пространственных точек, где колебания отсутствуют (узлы), и точек, где амплитуда колебаний максимальна {пучности). Расстояния между узлами и между пучностями кратны половине длины волны Х/2, а между узлами и пучностями — четверти длины волны А./4.

Стоячие волны не переносят энергию. Физически это объясняется тем, что стоячую волну можно рассматривать как сумму падающей и отраженной волн, переносящих одинаковую энергию в противоположных направлениях. Вычисление плотности потока энергии стоячей волны по формуле (6.2) даст также нулевой результат ввиду наличия фазового сдвига колебаний векторов Е и Н : ф = п/2.

Теперь рассмотрим две параллельные отражающие металлические поверхности, в пространстве между которыми возбуждается линейно поляризованная плоская электромагнитная волна, направление вектора Е которой параллельно отражающим поверхностям, а направление распространения составляет с нормалью к отражающим поверхностям некоторый угол, а * 0 (рис. 6.8). Суперпозиция падающей и отраженной волн образует плоскую неоднородную волну, бегущую вдоль оси z, и стоячую волну вдоль оси у. Узлы стоячей волны располагаются в плоскостях, параллельных отражающим поверхностям и отстоящих друг от друга на расстояние.

Рис. 6.8. Распространение радиоволны между двумя отражающими поверхностями

Если к двум горизонтальным стенкам, рис. 6.8, добавить две вертикальные, то такая конструкция будет представлять собой прямоугольный волновод (рис. 6.9, а), имеющий наибольшее использование в средствах измерительных преобразований. Получили использование металлические волноводы и с иной формой поперечного сечения, например круглой (рис. 6.9, б).

Рис. 6.9. Формы поперечного сечения радиоволноводов: прямоугольная (а); круглая (б)

Внутри волновода могут распространяться волны с длиной волны, меньшей критической 1_кр. Критическая длина волны зависит от формы и размеров поперечного сечения волновода, а также от типа волны. Для волноводов прямоугольного сечения (рис. 6.9, а) значение 1_кр описывается выражением.

где а и b — стороны прямоугольника; т и п — целые положительные числа или нуль, определяющие тип возбуждаемой волны.

В большинстве случаев рабочая длина волны выбирается из условия а<�Х<2а, при этом а > 2Ь.

Функции волновода может выполнять и диэлектрический стержень, в котором обеспечивается при возбуждении радиоволн режим полного внутреннего отражения.

Радиоволноводом обеспечивается передача энергии источника радиоволн к объекту измерительного преобразования без потерь и без взаимодействия с окружающими объектами. При этом допускается изгибание волновода в любых плоскостях. Для металлического волновода допустим минимальный радиус изгиба, равный 21, а для диэлектрического — 101.

Если торцы волновода закрыть металлическими стенками, то внутри волновода устанавливается режим возбуждения стоячих волн, а сам волновод становится объемным резонатором, имеющим множество собственных частот колебаний. Для прямоугольного металлического волновода, рис. 6.9, а, собственные (резонансные) частоты определяются выражением:

где с — скорость света в вакууме; е,. — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего волновод; / - длина волновода; т, п, р — целые числа.

При совпадении частоты возбуждаемых в волноводе электромагнитных колебаний и собственной частоты волновода имеет место явление резонанса, при котором амплитуда колебаний становится максимальной, а потребляемая от источника радиоволн энергия минимальной (определяется потерями в диэлектрике и стенках волновода).