Какво е вълновод?
Основи на вълноводите
Изображение 1: Размери на правоъгълен вълновод, тук е показан много къс участък от вълновод с дроселен фланец за честоти 18,0 … 26,5 GHz
Изображение 1: Размери на правоъгълен вълновод, тук е показан много къс участък от вълновод с дроселен фланец за честоти 18,0 … 26,5 GHz
Изображение 2: Формиране на вълновода от късо съединени λ /4 – линейни участъци.
Основи на вълноводите
Вълноводите са преносни линии за високочестотни електромагнитни вълни. Те представляват метални тръби, често изработени от висококачествен материал (мед, месинг - понякога също посребрени или дори позлатени). Най-новата технология е тези вълноводи да се произвеждат от галванично метализирани много леки композитни материали от въглеродни влакна.[1]
Вълноводите могат да бъдат с правоъгълно, кръгло или елипсовидно напречно сечение, като правоъгълният вълновод се използва най-често за сравнително къси връзки. Вълноводите имат значителни предимства пред коаксиалния кабел, но на практика те могат да се използват смислено само при високи честоти от 1 GHz и повече. С тях електрическата мощност в микровълновия диапазон може да се предава с много по-малки загуби, отколкото с електрически кабели с форма на проводник. В металните повърхности електрическите и магнитните полета, използвани за пренос на енергия, са нулеви, така че тези полета са ограничени до пространството вътре в стените на вълновода. Поради това те са напълно защитени от радиация, както отвътре навън (по този начин няма загуби на мощност поради радиация), така и отвън навътре, което води до добър имунитет срещу смущения с много слаби полезни сигнали.
Недостатъци на коаксиалните кабели:
В честотния диапазон над около 1000 MHz коаксиалните кабели имат редица съществени недостатъци при предаване на голяма мощност (напр. излъчвани сигнали),
като например голямо затихване и ниска устойчивост на преливане.
Загубите на затихване се дължат на собствените капацитети и индуктивности на линията, както и на
повърхностния ефект (skin effect),
и нарастват значително с увеличаване на честотата на предаване.
При честоти над 36 GHz коаксиалните кабели не могат да се използват поради високото затихване.
Устойчивостта на коаксиалните кабели на избухване е силно ограничена от малкото пространствено разстояние между вътрешния и външния проводник.
Въпреки че тези недостатъци са все още приемливи за сигнали с ниска мощност, те водят до недопустими загуби в диапазона на високите мощности.
Развитие на вълновод
Обикновената двупроводна линия би трябвало да се поддържа от изолатори на равни интервали. При високочестотните приложения не е необходимо тези дистанционери да бъдат изолирани; те могат да бъдат проектирани като късо съединени и съгласувани λ /4 – линии. Ако са добре съгласувани, те ще трансформират късото съединение в много високооменна връзка с двупроводната линия.
Теоретично вълноводът се създава, като се нанижат безброй такива накрайници заедно, за да се образува хоризонтален U-профил. Два такива профила, разположени един срещу друг, водят до вълновод с правоъгълно сечение и ширина λ /2.
Тези λ /4 – линейни сечения правят функцията на вълновода честотно зависима. Сигналите могат да се разпространяват във вълновода само над определена честота. Тази честота зависи от размерите на вълновода, особено от страната «а». Условия за разпространение има, ако дължината на вълната, която трябва да се предаде, е по-малка от така наречената критична дължина на вълната (λ кр).
Критична честота на основния мод на правоъгълните вълноводи се получава от формулата:
| λкр = 2 · a | λкр = критична дължина [м] a = по-дълъг размер на вълновода. [м] |
От това се вижда, че по-големите дължини на вълните изискват и по-големи размери на вълновода. Над определена дължина на вълната (например под 1 GHz – което съответства на дължина на вълната, по-голяма от 30 cm) обаче вълноводът просто става твърде голям и тромав.
Изображение 3: Е-поле във вълновод (напречно сечение, моментна снимка, режим H10)
Размерите на вълноводите се определят в съответствие с IEC 153 или DIN 47302. Спецификациите и обозначенията по DIN съответстват на тези по IEC 153. В правоъгълен вълновод по-тясната страна «b» е с половината от размера на по-широката страна "a". За сечението на вълновода на изображение 1 е използвана правоъгълна тръба, екструдирана от месинг, като полуфабрикат от типа WR 42. Наименованието WR 42 произлиза от английското наименование Waveguide Rectangular (правоъгълен вълновод), а следващото число съответства на ширината на страната "a" в стотни от инча.
- Следователно страната «а» е широка точно 0,42 инча, т.е. 0,42 · 25,4 mm = 10,67 mm.
- Широчината на страната «b» е точно половината от тази стойност, т.е. 5,34 mm.
- Долната му честота на прекъсване е 14,051 GHz. Предаването на честоти с ниски загуби обаче започва едва от 30 % над тази честота на прекъсване.
- Горната критична честота на следващия мод се определя от условието за разпространение на следващия мод, чиято долна гранична честота в този вълновод е 28,102 GHz. Горната критична честота за основния мод е с около 5% по-ниска от тази.
- Съответната честотна лента за този тип вълновод е между 18,0 GHz и 26,5 GHz.[2]
поле
Изображение 3: Общи режими на разпространение във вълновод
поле
Изображение 4: Общи режими на разпространение във вълновод
Разпространение на електромагнитни вълни във вълновод
Когато във вълновода се вкарва енергия, в центъра на по-широката страна «а» се образува електрическо поле (Е-поле). Електрическото поле е най-силно в центъра на вълновода и намалява към по-тесните страни «b». То има синусоидална форма в напречното сечение. Електрическото поле създава и магнитно поле. Магнитното поле обаче не може да бъде перпендикулярно на метален проводник. Единствената посока на разпространение е посоката през вълновода.
Във времево отношение електрическото поле се променя с честотата и има максимуми и минимуми в надлъжното направление на вълновода на интервали от половината от дължината на вълната. По този начин високочестотната енергия, инжектирана във вълновода, изгражда във вътрешността му напречна електромагнитна вълна (TEM), чиито електрическо и магнитно поле са перпендикулярни едно на друго. Електрическото поле (Е-поле) се изгражда между двете по-широки стени на вълновода, а магнитното поле (Н-поле) - между двете по-тесни. Полетата не остават в съответните си състояния, а погледнати по оста на времето, променят интензитета и полярността си в ритъм с входния сигнал. Тази електромагнитна вълна се разпространява във вълновода почти със скоростта на светлината.
Изображение 4: Е-поле във вълновод (напречно сечение, моментна снимка, режим H10)
Изображение 5: Разпределение на напрегнатостта на полето на пътуващата вълна във вълновода
Електрическото и магнитното поле на електромагнитните вълни винаги са локално перпендикулярни едно на друго. Ако електрическото поле е насочено в посоката на разпространение, тя се нарича Е-вълна или ТМ-вълна (от англ.: Transverse Magnetic). Ако магнитното поле е насочено по посока на разпространението, тя се нарича Н-вълна или ТЕ-вълна (от англ.: Transverse Electric).
страна "a"
Изображение 6: Отражение на косо падаща вълна в метална стена.
Разпространение чрез многократно отражение
Разпространението на вълните във вълноводите може да се обясни частично и с помощта на геометричната оптика. Свойствата на вълните във вълновод могат да бъдат изведени от тези на равнинната вълна. На изображение 6 е показано отражението на плоска вълна с дължина на вълната λ₀ от метална стена при косо падане (тук с ъгъл φ = 67°). Електрическото поле E е перпендикулярно на равнината на изобразяване и затова може да бъде отбелязано само с цвят. Гребенът на вълната (с +Emax) е оцветен в червено, а дъното на вълната (с −Emax) - в синьо. Зеленият цвят символизира нулевата линия.
Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение. По време на отразяването в стената вълната преживява фазов скок от 180°. Суперпозицията на двете вълни може да се разпознае на изображението по факта, че на определено разстояние от металната стена се образуват локални минимуми и максимуми като силно оцветени в червено или синьо области. На разстояние от
| a = 0,5 | λ₀ | (2) |
| cos φ |
се получава линия на изчезване за E. Положителният фронт на падащата вълна (в червено) се среща с отрицателния фронт на отразената вълна (в синьо). (Тук, на графиката, това води до лилаво поради адитивното смесване на цветовете. От енергийна гледна точка тези области трябва да бъдат показани в зелено). Във времево отношение изображението се измества надясно с пристигането на вълната.
Може да се постави втора метална стена по тази линия на разстояние «а», без да се променя нищо в ситуацията до тази стена. Върху тази втора стена процесът на отразяване се повтаря и замества постоянното облъчване от падащата вълна. Между тези две стени се образуват положителни и отрицателни максимуми на вълната (както преди само върху една стена). Те се движат надясно като «пакети» с така наречената фазова или групова скорост. В триизмерно представяне тези «пакети» биха съответствали на изображението на изображение 5. Тези две стени (нарисуваната стена в долната област на графиката, както и въображаемата стена на нивото на хоризонталната линия) съответстват на стените «b» на вълновода.
От тази графика се вижда също, че оптималното разпространение на вълната във вълновода е възможно само при оптимален ъгъл на падане на падащата вълна. Оптималната широчина на страната на вълновода «а» също зависи от този ъгъл на падане φ и от дължината на вълната, която трябва да се предаде.
Дължина на вълната във вълновода
На практика във вълновода се образуват минимуми и максимуми на напрежението чрез многократна интерференция на отразените в стените части на енергията. «Пакетите», които се движат надясно, имат разстояние помежду си в своя максимум, различно от дължината на вълната λ₀ в свободното пространство. Това разстояние съответства на
| λh = | λ₀ | (3) |
| sin φ |
Следователно дължината на вълната на трептенията във вълновода λh е различна от дължината на вълната λ₀ в свободното пространство. За съжаление този ъгъл е трудно да се измери. От отношението на дължината на вълната към оптималния ъгъл на падане тези зависимости могат да бъдат свързани. Дължината на вълната във вълновода сега зависи от отношението на размера a на вълновода към дължината на вълната в свободното пространство:
.png){kind=small}
.print.png){kind=small}
(4)
Това води до фазова скорост, която в случай на равномерно трептене се разпространява със скорост, по-висока с коефициента sin φ от скоростта на светлината. Ето защо дължината на вълната във вълновода λh често е забележимо по-голяма, отколкото в свободното пространство. От друга страна, преносът на енергия (а следователно и локалната промяна на трептенията) все пак се разпространява със скорост, която е по-малка от скоростта на светлината.
Изображение 7: Представяне на стенните течения на вълна H₁₀ (моментно изображение). В случай на движеща се вълна изображението се измества по посока на разпространението с приблизителна скорост на светлината.
Изображение 7: Представяне на стенните течения на вълна H₁₀ (моментно изображение). В случай на движеща се вълна изображението се измества по посока на разпространението с приблизителна скорост на светлината.
Поведение на затихване
Решаващо значение за добрата проводимост на правоъгълния вълновод има неговият размер (страна «а») спрямо честотата, която трябва да се предава. Високите честоти изискват вълноводи с по-малки размери и обратното.
Поведението на затихване на вълноводите е силно зависимо от честотата. Вълновод, работещ при честотата на прекъсване, все още проявява относително силно затихване, което достига минимум само с увеличаване на честотата, която остава почти постоянна в определен диапазон, а след това отново се увеличава.
Заглушаването на вълните се осъществява чрез загуби на ток в стената. На изображение 7 е показано разпределението на стенните токове на вълна H₁₀. Плътността на стенния ток е резултат от тангенциалната компонента на напрегнатостта на магнитното поле на повърхността на стената. Стенният ток протича успоредно на повърхността на стената, но е ориентиран перпендикулярно на компонентата на магнитната индукция. Токът на стената тече по долната и горната стена в центъра по посока на разпространението. Допълнителни напречни токове текат към ръба. От изчислението на интеграла на площта върху плътността на стенния ток може да се изчисли константата на затихване на вълноводната вълна.
Стенните токове текат само от вътрешната страна на вълновода. Обикновено стените на вълновода са изработени от полиран месинг. Вътрешните стени могат също да бъдат посребрени или (от около 40 GHz) дори позлатени. Замърсяването на вътрешната повърхност има ефект на допълнително затихване.
Изображение 8: При приблизително същия диаметър вълноводът има значително по-добра диелектрична якост.
Диелектрична якост
Диелектричната якост на вълновода зависи от разстоянията между стените на вълновода, т.е. вълноводите с малко сечение (за високи честоти) имат по-ниска диелектрична якост, отколкото вълноводите с голямо сечение. За правоъгълните вълноводи най-малкото разстояние, т.е. дължината на страната «b», е определящо. Диелектричната якост зависи и от влажността. За да се подобри диелектричната якост при по-високи мощности на предаване, във вълновода се създава свръхналягане, което изтласква влажния въздух от вълновода или не му позволява да проникне. Този въздух се изсушава при специални процеси по време на компресията.
Изображение 8: При приблизително същия диаметър вълноводът има значително по-добра диелектрична якост.
Области на приложение
Вълноводите се използват
- в мощни предаватели в микровълновия диапазон;
- в радарни системи;
- в микровълнови печки като връзка между магнетрона и камерата за готвене;
- а също и като къса част между гофрираната рупорна антена и печатната платка в сателитните конвертори, използвани в параболичните антени за приемане на сателити.
Референции:
- Съобщение за пресата на Института за повърхностно инженерство и тънки филми «Фраунхофер»
- Информация за необработени вълноводи (технически данни за вълноводи с търговска цел)