Ричард Фейнман - 6a. Электродинамика

Фиг. 24.9. Секции волновода, соединенные фланцами.

Нужно такое «конечное» устройство, которое действовало бы на волновод так, как действует на пере­дающую линию ее характеристический импеданс — что-то, что только поглощает набегающие волны, но не отражает их. Тогда волновод будет действовать так, будто он бесконечный. Такие окончания получаются, если поставить внутрь трубы тщательно изготовленные клинья из проводящего материала. Они только поглощают энергию и почти не генерируют отраженных волн. Если вам нужно соединить между собой три элемента, ска­жем один источник и две антенны, то для этого годится устрой­ство в виде «Т», как показано на фиг. 24.11. Мощность, подво­димая центральной секцией этого «Т», расщепляется и расхо­дится по двум рукавам (здесь еще может произойти и отражение волн). Из схемы, представленной на фиг. 24.12, можно качест­венно увидеть, что поля на конце входной секции могут разой­тись и создать электрические поля, которые дадут начало вол­нам, разбегающимся по рукавам. Смотря по тому, перпендику­лярны ли электрические поля «верхушке» нашего «Т» или параллельны ей, поля в месте сочленения могут оказаться либо такими, как на фиг. 24.12, а, либо как на фиг. 24.12, б.

Фиг. 24.10. Сочленение двух секций волновода, да­ющее малые потери.

Фиг. 24.11. Волновод «Т». На фланцы надеты пластмассовые колпачки, предохраняющие внут­реннюю часть «Т» от загрязнения в неработающем состоянии.

Наконец, хотелось бы описать прибор, именуемый «направ­ленным ответвителем». Это очень полезное устройство, когда нужно узнать, что получилось после того, как вы сочленили между собой какое-то сложное расположение волноводов. На­пример, нужно узнать, в какую сторону бегут волны в той или иной секции трубы; скажем, необходимо представить себе, на­сколько сильна в ней отраженная волна. Направленный ответвитель отбирает немножко мощности у волновода, если по нему бежит волна в одну сторону, и не отбирает ничего, если она бе­жит в другую. Подключив выход соединителя к детектору, можно измерить «одностороннюю» мощность в волноводе. Нап­равленный ответвитель (фиг. 24.13) — это кусок волновода АВ, к одной из сторон которого припаян другой кусок волновода CD. Труба CD отогнута в сторону так, чтобы поместился соединительный фланец. Прежде чем спаять трубы, через соседние их стенки насквозь просверлили пару (или несколько) отвер­стий, чтобы через них часть полей в главном волноводе АВ могла пройти во вторичный вол­новод CD. Каждое отверстие действует как антенна — генерирует волны во вторичном волно­воде.

Фиг. 24.12. Электрические поля в волноводе «Т» при двух возможных ориентациях поля.

Фиг. 24.13. Направленный ответвитель.

Если бы отверстие было одно, то волны расходились бы в обе стороны и были бы одинаковы независимо от того, куда направлены волны в первичном волноводе. Но когда отверстий два и когда расстояние между ними равно четверти длины волны в волноводе, то они представляют собой два источника, сдви­нутые по фазе на 90°. А вы помните, мы рассматривали в гл. 29 (вып. 3) интерференцию волн от двух антенн, раздвинутых на Х/4 и возбуждаемых со сдвигом 90° по фазе? Мы установили тог­да, что в одном направлении волны вычитаются, а в другом скла­дываются. То же самое происходит и здесь. Волна, генерируе­мая в CD, будет бежать в ту же сторону, что и АВ.

И если волна в первичном волноводе бежит от А к В, то на выходе D вторичного волновода мы тоже заметим волну. Если же волна в первичном волноводе бежит от В к А , то во вто­ричном волноводе волна побежит к С. А на этом конце стоит такое окончание, что эта волна в нем поглотится и на выходе ответвителя волн вообще не будет.

§ 7. Типы воли в волноводе

Выбранная нами для анализа волна — всего лишь одно из решений уравнений поля. Их на самом деле куда больше. Каж­дое решение представляет собой свой «тип волны» в волноводе. Скажем, в нашей волне вдоль направления х укладывалось только полсинусоиды. Ничуть не хуже решение, в котором вдоль х укладывается вся синусоида; изменение Е y с х тогда показано на фиг. 24.14. У этого типа волн k x вдвое больше и граничная частота много выше. Кроме того, изученная нами волна Е име­ет лишь y-компоненту, но бывают и типы волн с более сложными электрическими полями. Если у электрического поля есть только х- и y-компоненты, так что оно всегда перпендикулярно к оси z, то такой тип волн называется «поперечным электриче­ским» (или сокращенно ТЕ) типом волн. Магнитное поле в вол­не такого типа всегда обладает z-компонентой. Далее, оказы­вается, что когда у Е есть z-компонента (вдоль направления рас­пространения), то у магнитного поля есть только поперечные

Фиг. 24.14. Еще одна возмож­ная зависимость Е у от х.

компоненты. Такие поля называются «поперечными магнитны­ми» (сокращенно ТМ) типами волн. В прямоугольном волно­воде все типы обладают более высокой граничной частотой, чем описанный нами простой TE-тип. Поэтому всегда возможно (и так обычно делают) использовать такой волновод, в котором частота немного превышает граничную частоту этого наиниз­шего типа колебаний, но находится ниже граничных частот всех других типов. В таком волноводе распространяется волна толь­ко одного типа. В противном случае поведение волн услож­няется и его трудно контролировать.

§ 8. Другой способ рассмотрения волн в волноводе

Теперь я хочу по-другому объяснить вам, почему волновод так сильно ослабляет поля, частота которых ниже граничной частоты w с. Я хочу, чтобы вы получили более «физическое» пред­ставление о том, почему так резко меняется поведение волно­вода при низких и при высоких частотах. Для прямоугольного волновода это можно сделать, анализируя поля на языке отра­жений (или изображений) в стенках волновода. Такой подход годится, однако, только для прямоугольных волноводов; вот почему мы начали с математического анализа, который в прин­ципе годится для волноводов любой формы.