Электромагнитные волноводы - это специальные устройства, которые используются для передачи и распространения электромагнитных волн в определенном направлении.
Волноводы состоят из полого металлического трубопровода, имеющий сечение, соответствующее форме волны, которую он переносит. Они могут быть прямоугольными, круглыми, эллиптическими или сложной формы.
Волноводы имеют ряд преимуществ перед другими способами передачи электромагнитных волн, такими как коаксиальные кабели или оптические волокна. Они могут передавать высокочастотные сигналы с малыми потерями, обеспечивать высокую избирательность по частоте и поляризации, а также защищать сигнал от внешних помех.
Волноводы широко применяются в радиотехнике, микроволновой технике, оптике, радиоастрономии и радиолокации.
Итак, электромагнитный волновод представляет собой трубу, внутри которой, словно вдоль направляющей, может распространяться электромагнитная волна. По сути это — область пространства, ограниченная в двух измерениях стенками трубы. По данной области электромагнитная волна может быть легко направлена из одного места в другое.
Для волн миллиметрового диапазона подойдет диэлектрическая труба. В более общем случае — труба металлическая. Труба может быть полой либо заполненной диэлектриком.
Распространение волны происходит вдоль продольной оси такого волновода, при этом имеют место многократные отражения от внутренних поверхностей стенок, а также интерференция отраженных волн. В результате в поперечном направлении в трубе возникает стоячая волна с определенным составом мод.
Поперечный профиль такой трубы, чаще всего, прямоугольный или круглый, в силу технологического удобства изготовления и практичности применения.
Габаритные размеры в сечении волновода стандартизированы и определяют то, какого диапазона электромагнитные волны можно будет эффективно по нему передавать. Для прямоугольных металлических волноводов стандартный диапазон частот — от 1 до 100 ГГц.
Наибольший линейный размер стенки в поперечном сечении трубы определяет максимально допустимую (критическую) длину волны, способной эффективно распространяться по данному волноводу: она не может быть больше удвоенного размера этой стенки.
Поскольку электромагнитная волна имеет свойство вести себя в волноводе как в длинной линии, то есть, дойдя до конца волновода, она отражается от него и распространяется в обратную сторону, в волноводе может наблюдаться большее или меньшее отражение волны, соответствующее меньшему или большему коэффициентам бегущей волны (КБВ).
Так, при коэффициенте бегущей волны равном нулю, в волноводе наблюдается стоячая волна, а при коэффициенте равном 1 — бегущая. Вообще, в волноводе могут быть получены: бегущая, стоячая либо смешанная волны, в зависимости от нахождения коэффициента КБВ между 0 и 1.
Самый эффективный режим для передачи энергии по волноводу — бегущая волна (КБВ = 1), когда потери энергии по пути следования волны в волноводе (на токи на стенках волновода) минимальны, и в нагрузку передается максимально возможное количество электромагнитной энергии.
Если нагрузка согласована с волноводом, то ее входное волновое сопротивление равно выходному волновому сопротивлению волновода; в этом случае вся подаваемая через волновод электромагнитная энергия будет поглощаться нагрузкой. В космической и в военной технике стенки волноводов изнутри покрывают серебром, чтобы максимально понизить потери.
Каждый из нас сталкивался с подобного рода волноводами в быту. Элементарный пример: в микроволновой печи энергия в форме электромагнитных волн генерируется магнетроном, затем она подается от магнетрона через полый металлический волновод в камеру для разогрева пищи.
В радиолокации и в устройствах функциональной электроники, волноводы применяются для обработки радиосигналов как линии задержки и фильтры.
Для подачи энергии от передатчика к антенне применяются СВЧ тракты, изготовленные из нескольких состыкованных друг с другом электромагнитных волноводов различной формы, в том числе с рупорными переходами.
Оптоволокно, обеспечивающее передачу данных для работы современного интернета, — тоже является электромагнитным волноводом, только труба здесь диэлектрическая и заполненная диэлектриком (сердцевина), а электромагнитная волна - оптического диапазона.
Из истории электромагнитных волноводов
История электромагнитных волноводов начинается с работы Джеймса Клерка Максвелла, который в 1864 году сформулировал уравнения, описывающие электромагнитные явления. Максвелл показал, что свет - это электромагнитная волна, которая распространяется в пространстве со скоростью около 300 000 км/с. Однако Максвелл не предложил способа создания или передачи таких волн.
Первым, кто экспериментально продемонстрировал существование электромагнитных волн, был немецкий физик Генрих Герц.
В 1886 - 1888 годах он использовал искровой разрядник и кольцевой приемник для генерации и обнаружения радиоволн длиной около 30 см. Герц также обнаружил, что радиоволны отражаются от металлических поверхностей и преломляются в диэлектриках.
Однако Герц не занимался практическим применением своего открытия и скончался в 1894 году в возрасте 36 лет. Его работы были продолжены другими учеными, такими как Оливер Лодж, Александр Попов, Гульельмо Маркони и другие, которые развили радиосвязь и радиолокацию.
Первым, кто предложил использовать трубу для передачи электромагнитных волн, был британский физик Оливер Хевисайд. В 1893 году он опубликовал статью, в которой рассмотрел возможность распространения света по тонкому металлическому цилиндру. Он показал, что такой цилиндр может служить как оптический волновод, если его диаметр меньше длины волны света.
Однако Хевисайд не провел никаких экспериментов по проверке своей теории и не предвидел применение своего изобретения. Его статья осталась незамеченной до 20-х годов XX века, когда она была переоткрыта немецким физиком Максом Борном.
Борн был заинтересован в теории дифракции света и изучал работу Хевисайда. В 1924 году он опубликовал статью, в которой развил математическую теорию электромагнитных волноводов и показал, что они могут иметь различные типы мод - распределений электрического и магнитного поля вдоль трубы.
Борн также предложил использовать диэлектрические волноводы для передачи света, но не смог реализовать свою идею из-за отсутствия подходящих материалов и источников света. Его статья также не получила широкого признания в научном сообществе.
Первым, кто экспериментально продемонстрировал работу электромагнитных волноводов, был американский физик Джордж Саутворт. В 1930 - 1931 годах он использовал металлические трубы различных форм и размеров для передачи радиоволн длиной около 10 см. Он измерил характеристики волноводов, такие как длина волны, скорость, затухание и импеданс, и сравнил их с теоретическими предсказаниями Борна.
Саутворт также обнаружил, что волноводы могут быть изогнуты, разветвлены и соединены друг с другом без существенных потерь энергии. Он предложил использовать волноводы для передачи радиосигналов на большие расстояния и для создания направленных антенн.
Саутворт опубликовал свои результаты в 1936 году, но они не привлекли большого внимания до начала Второй мировой войны, когда стало необходимо развивать микроволновую технику для радаров и радиолокаторов.
В 1940 году британский физик Джон Рэндал и его коллеги из Бирмингемского университета создали первый микроволновый генератор - магнетрон, который мог излучать электромагнитные волны длиной около 10 см с высокой мощностью.
Они также разработали первый микроволновый волновод - полый металлический цилиндр диаметром около 2 см. Рэндал и его команда передали свое изобретение американским ученым, которые работали над проектом Радар.
В 1941 году американский физик Персиваль Спенсер сконструировал первый микроволновый радар на основе магнетрона и волновода. Он установил его на самолет и обнаружил, что он может обнаруживать корабли и самолеты на расстоянии до 160 км.
В течение войны было создано много различных типов микроволновых радаров и радиолокаторов, использующих волноводы различных форм и размеров.
Андрей Повный