Волноводы. 
Понятие и свойства волноводов

Для передачи микроволн, т. е. волн, длина которых измеряется сантиметрами или миллиметрами, применяются волноводы — полые металлические трубы. Развитая теория длинных линий основывалась на предположении малости поперечных размеров всех проводов по сравнению с длиной волны. При очень коротких волнах удовлетворить этому условию трудно и нельзя пользоваться понятиями распределенных параметров. Кроме того, в микроволновом диапазоне сильно растут потери и по этой причине применяются волноводы.

Волноводы имеют существенное отличие от передающих линий. В линии ток течет по одному проводнику и обратно — по другому. В волноводе ток течёт в одном направлении по одной части стенки, а в другом направлении — по другой. Хотя части стенки электрически соединены друг с другом, но короткого замыкания все же не происходит. Поэтому главным является электромагнитное поле внутри трубы в отличие от двухпроводной линии, в которой рассматриваются ток и напряжение.

Идея о пропускании электромагнитных волн по полым металлическим трубам возникла давно и родилась по аналогии прохождения по ним акустических волн. Возможность распространения акустических волн по трубам любого сечения обеспечивается продольностью этих волн. Прохождение же радиоволн по трубам принципиально отличается тем, что эти волны поперечны и вследствие этого всегда существует некоторое предельное или критическое значение длины волны? пр, которое ограничивает возможность распространения по данной трубе более длинных волн. Все волны, более длинные, чем предельная, не распространяются, и поэтому для них волновод играет роль фильтра. Могут быть также и чисто диэлектрические волноводы, в которых электромагнитная энергия концентрируется внутри диэлектрического стержня с большой диэлектрической проницаемостью. Процесс распространения волны в таком стержне подобен явлению концентрации света внутри струи воды, вытекающей из сосуда. Диэлектрические волноводы используются в волоконной оптике. Применение диэлектрических волноводов в сантиметровом диапазоне длин волн ограничивается из-за больших размеров, трудностей крепления и сочленения.

Практическое применение имеют металлические волноводы прямоугольного и кругового сечений. В волноводах могут распространяться различные типы волн, отличающихся друг от друга структурой электрического и магнитного полей. Различное распределение поля, которое возможно в волноводе, определяется формой и размерами волновода, способом его возбуждения и граничными условиями. Каждое из этих возможных распределений называется типом волны [6].

Граничные условия, как известно, заключаются в следующем: на поверхности проводника, находящегося в переменном во времени электромагнитном поле, электрическое поле всегда перпендикулярно поверхности, а магнитное — параллельно. Другими словами, граничные условия состоят в том, что тангенциальная составляющая электрического поля на поверхности идеального проводника равна нулю и нормальная составляющая магнитного поля на поверхности идеального проводника равна нулю, т. е. магнитные силовые линии параллельны поверхности проводника. Эти условия на поверхности идеального проводника, т. е. проводника, сопротивление которого равно нулю, запишутся в виде таких уравнений:

Et =0, HN =0,.

где индексы t и N обозначают соответственно тангенциальную и нормальную составляющие [6].

В проводнике с потерями возможно наличие слабого тангенциального электрического поля на поверхности.

Волны в прямоугольных и круглых волноводах можно разделить на два типа: ТЕ-волны — поперечные электрические или продольные магнитные, что означает наличие продольной составляющей магнитного поля, и ТМ-волны — поперечные магнитные или продольные электрические, имеющие составляющую электрического поля вдоль волновода. Применяются также обозначения Н и Е вместо ТЕ и ТМ соответственно, Н и Е относятся к тому полю, которое имеет продольную составляющую. Например, волна ТЕ01 иногда называется волной Н01 волна ТМ11 называется Е11 и т. д. [7]. Эти волны образуются в волноводе в результате интерференции плоских волн. Для того чтобы конкретно обозначить тип волны, к основным буквам добавляют индексы, и общее обозначение будет ТЕmn или ТМmn, где индекс m указывает число полупериодов пространственного изменения интенсивности электрического поля вдоль малой стороны поперечного сечения волновода, а n — число полупериодов пространственного изменения электрического поля вдоль большой стороны волновода (в направлении z). Иногда индексам при ТЕ и ТМ придается противоположное значение, т. е. первый индекс означает число полупериодов по большей стороне, а второй — по меньшей стороне. Поскольку все процессы в волноводах линейны, в них могут одновременно иметь место волны всех типов ТЕ и ТМ, для которых выполняются условия предельной волны. Для того чтобы в волноводе существовал только один тип волны, необходим соответствующий способ ее возбуждения. На практике в прямоугольных волноводах в основном используется только один тип волны, обозначаемый индексом ТЕ01 или Н01. Он имеет наиболее простую структуру поля.

Внутри волновода длина волны отличается от длины волны, в свободном пространстве и наблюдается большая дисперсия, т. е. зависимость скорости распространения волн от частоты и различие между фазовой и групповой скоростью.