Vlnovod (vysokofrekvenční) - Waveguide (radio frequency)

Sbírka standardních komponent vlnovodu.

Část série článků o
Elektromagnetismus
Elektřina Magnetismus Dějiny Učebnice
Elektrostatika Elektrický náboj Coulombův zákon Dirigent Hustota náboje Permitivita Elektrický dipólový moment Elektrické pole Elektrický potenciál Elektrický tok  / potenciální energie Elektrostatický výboj Gaussův zákon Indukce Izolátor Hustota polarizace Statická elektřina Triboelektřina
Magnetostatika Ampereův zákon Biot – Savartův zákon Gaussův zákon pro magnetismus Magnetické pole Magnetický tok Magnetický dipólový moment Magnetická propustnost Magnetický skalární potenciál Magnetizace Magnetomotorická síla Pravidlo pravé ruky
Elektrodynamika Lorentzův silový zákon Elektromagnetická indukce Faradayův zákon Lenzův zákon Zdvihový proud Potenciál magnetického vektoru Maxwellovy rovnice Elektromagnetické pole Elektromagnetický puls Elektromagnetická radiace Maxwellův tenzor Poyntingův vektor Liénard – Wiechertův potenciál Jefimenkovy rovnice Vířivý proud Londýnské rovnice Matematické popisy elektromagnetického pole
Elektrická síť Střídavý proud Kapacita Stejnosměrný proud Elektrický proud Elektrolýza Hustota proudu Joule topení Elektromotorická síla Impedance Indukčnost Ohmův zákon Paralelní obvod Odpor Rezonanční dutiny Sériový obvod Napětí Vlnovody
Koviantní formulace Elektromagnetický tenzor (tenzor napětí a energie ) Čtyřproudové Elektromagnetický čtyř potenciál
Vědci Ampér Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Jindřich Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Zpěvák Tesla Volta Weber

v vysokofrekvenční inženýrství a komunikační inženýrství, vlnovod je dutá kovová trubka sloužící k přepravě rádiové vlny.^[1] Tento typ vlnovod se používá jako přenosové vedení většinou na mikrovlnná trouba frekvence, například pro připojení mikrovln vysílače a přijímače jejich antény, v zařízení, jako je mikrovlnné trouby, radar sady, satelitní komunikace a mikrovlnné rádiové spoje.

Elektromagnetické vlny ve vlnovodu (s kovovou trubkou) lze představit jako postupující po vodítku klikatou cestou, které se opakovaně odráží mezi protilehlými stěnami vodítka. Pro konkrétní případ obdélníkový vlnovod, na tomto pohledu je možné založit přesnou analýzu. Na šíření v dielektrickém vlnovodu lze pohlížet stejným způsobem, přičemž vlny jsou omezeny na dielektrikum celková vnitřní reflexe na jeho povrchu. Některé struktury, jako např neradiační dielektrické vlnovody a Goubau linka, použijte k omezení vlny kovové stěny i dielektrické povrchy.

Zásada

Příklad vlnovodů a diplexer v radaru řízení letového provozu

V závislosti na frekvenci mohou být vlnovody konstruovány buď z vodivých nebo dielektrikum materiály. Obecně platí, že čím nižší je frekvence, která má být předána, tím větší je vlnovod. Například přírodní vlnovod, který Země vytváří, daný rozměry mezi vodivou ionosférou a zemí, stejně jako obvod ve střední výšce Země, je rezonanční při 7,83 Hz. Toto je známé jako Schumannova rezonance. Na druhou stranu vlnovody používané v extrémně vysoká frekvence (EHF) komunikace může mít šířku menší než milimetr.

Dějiny

George C. Southworth který vyvinul vlnovody na počátku 30. let 20. století před míli dlouhým experimentálním vlnovodem vedeným v laboratořích Bell Labs v Holmdel v New Jersey, který použil při svém výzkumu^[2]

Southworth (vlevo) demonstrovat vlnovod v HNĚV setkání v roce 1938,^[2] znázorňující mikrovlny 1,5 GHz procházející 7,5m pružnou kovovou hadicí registrující se na diodovém detektoru.

V 90. letech 20. století teoretici provedli první analýzy elektromagnetických vln v potrubí.^[3] Kolem roku 1893 J. J. Thomson odvodil elektromagnetické režimy uvnitř válcové kovové dutiny.^[3] V roce 1897 Lord Rayleigh provedl definitivní analýzu vlnovodů; vyřešil problém mezní hodnoty elektromagnetických vln šířících se jak vodivými trubkami, tak dielektrickými tyčemi libovolného tvaru.^[3][4][5][6] Ukázal, že vlny mohou cestovat bez útlumu pouze konkrétně normální režimy buď s elektrické pole (TE režimy ) nebo magnetické pole (Režimy TM ), nebo obojí, kolmo ke směru šíření. Také ukázal, že každý režim má mezní frekvence pod kterou by se vlny nešířily. Vzhledem k tomu, že mezní vlnová délka pro danou trubici byla stejného řádu jako její šířka, bylo jasné, že dutá vodivá trubice nemůže nést rádiové vlnové délky mnohem větší, než je její průměr. V roce 1902 R. H. Weber pozoroval, že elektromagnetické vlny cestují v trubkách pomaleji než ve volném prostoru, a odvodil důvod; že vlny se pohybují „klikatou“ cestou, jak se odrážejí od stěn.^[3][5][7]

Před 20. léty 20. století se praktická práce na rádiových vlnách soustředila na nízkofrekvenční konec rádiového spektra, protože tyto frekvence byly lepší pro komunikaci na velké vzdálenosti.^[3] Ty byly hluboko pod frekvencemi, které se mohly šířit i ve velkých vlnovodech, takže během tohoto období bylo na vlnovodech málo experimentálních prací, ačkoli bylo provedeno několik experimentů. V přednášce "Práce Hertze" před 1. červnem 1894 před královská společnost, Oliver Lodge demonstroval přenos 3 palcových rádiových vln z a jiskřiště krátkým válcovým měděným kanálem.^[3][8] Ve svém průkopnickém výzkumu mikrovlny v letech 1894-1900 Jagadish Chandra Bose použil k vedení vln krátké délky potrubí, takže mu některé zdroje připisují vynalezení vlnovodu.^[9] Poté však koncept rádiových vln nesených trubicí nebo kanálem prošel technickými znalostmi.^[3]

Ve dvacátých letech 20. století byly vyvinuty první spojité zdroje vysokofrekvenčních rádiových vln: Barkhausen-Kurzova trubice,^[10] první oscilátor, který může vyrábět energii při UHF frekvence; a magnetron s dělenou anodou které do 30. let 20. století generovaly rádiové vlny až do 10 GHz.^[3] To umožnilo první systematický výzkum mikrovln v 30. letech 20. století. Bylo zjištěno, že přenosové linky slouží k přenosu nízkofrekvenčních rádiových vln, paralelní linie a koaxiál, měl nadměrné ztráty energie na mikrovlnných frekvencích, což vyvolalo potřebu nové metody přenosu.^[3][10]

Vlnovod byl vyvinut nezávisle v letech 1932 až 1936 společností George C. Southworth na Bell Telephone Laboratories^[2] a Wilmer L. Barrow na Massachusetts Institute of Technology, kteří pracovali bez vzájemné znalosti.^{[3][5][6][10]} Zájem Southwortha byl zapálen během jeho doktorské práce ve dvacátých letech, kdy měřil dielektrická konstanta vody s vysokofrekvenční frekvencí Lecherova linie v dlouhé nádrži s vodou. Zjistil, že i když odstranil linii Lecher, nádrž s vodou stále vykazovala rezonanční vrcholy, což naznačuje, že fungovala jako dielektrický vlnovod.^[3] V Bell Labs v roce 1931 pokračoval v práci v dielektrických vlnovodech. V březnu 1932 pozoroval vlny ve vodních měděných trubkách. Rayleighova předchozí práce byla zapomenuta a Sergej A. Schelkunoff, matematik Bell Labs, provedl teoretické analýzy vlnovodů^[3][11] a nově objevené režimy vlnovodu. V prosinci 1933 bylo zjištěno, že s kovovým pláštěm je dielektrikum zbytečné a pozornost byla přesunuta na kovové vlnovody.

Barrow se začal zajímat o vysoké frekvence v roce 1930 studiem pod Arnold Sommerfeld v Německu.^[3] Na počátku roku 1932 pracoval na MIT na vysokofrekvenčních anténách pro generování úzkých paprsků rádiových vln pro lokalizaci letadel v mlze. Vynalezl a klaksonová anténa a narazil na myšlenku použití duté trubky jako napájecího vedení k napájení rádiových vln k anténě.^[3] V březnu 1936 odvodil režimy šíření a mezní frekvenci v obdélníkovém vlnovodu.^[10] Zdroj, který používal, měl velkou vlnovou délku 40 cm, takže pro své první úspěšné experimenty s vlnovodem použil 16 stopový úsek vzduchového potrubí o průměru 18 palců.^[3]

Barrow a Southworth si byli navzájem vědomi své práce několik týdnů předtím, než měli oba předložit dokumenty o vlnovodech na společné setkání Americká fyzická společnost a Institute of Radio Engineers v květnu 1936.^[3][10] Smírně vypracovali dohody o sdílení úvěrů a patentovém dělení.

Vývoj centimetrů radar během druhé světové války a první vysoce výkonné mikrovlnné trubice, klystron (1938) a dutinový magnetron (1940), vyústil v první rozšířené použití vlnovodu.^[10] Byly vyrobeny standardní „instalatérské“ součásti vlnovodu s přírubami na konci, které bylo možné sešroubovat. Po válce v padesátých a šedesátých letech se vlnovody staly běžnými v komerčních mikrovlnných systémech, jako jsou letištní radary a mikrovlnné relé sítě, které byly vybudovány k přenosu telefonních hovorů a televizních programů mezi městy.

Popis

Obdélníkový dutý vlnovod

Flexibilní vlnovod z radaru J-Band

Typická aplikace vlnovodu: anténní přívod pro armádu radar.

V mikrovlnná trouba oblast elektromagnetické spektrum, vlnovod obvykle sestává z dutého kovového vodiče. Tyto vlnovody mohou mít formu jednoduchých vodičů s nebo bez dielektrického povlaku, např. the Goubau linka a spirálovité vlnovody. Duté vlnovody musí mít průměr jedné poloviny vlnové délky nebo více, aby podporovaly jeden nebo více režimů příčných vln.

Vlnovody mohou být naplněny stlačeným plynem, aby se zabránilo jiskření a zabránilo se multipaction, což umožňuje vyšší přenos energie. Naopak může být nutné evakuovat vlnovody jako součást evakuovaných systémů (např. Systémy elektronových paprsků).

A štěrbinový vlnovod se obecně používá pro radar a další podobné aplikace. Vlnovod slouží jako napájecí cesta a každá štěrbina je samostatným zářičem, čímž vytváří anténu. Tato struktura má schopnost generovat radiační vzorec pro spuštění elektromagnetická vlna konkrétním relativně úzkým a kontrolovatelným směrem.

A uzavřený vlnovod je elektromagnetický vlnovod (a), který je trubkový, obvykle s kruhovým nebo obdélníkovým průřezem, (b), který má elektricky vodivé stěny, (c), který může být dutý nebo vyplněný dielektrikum materiál, (d) který může podporovat velké množství diskrétních režimů šíření, i když jen některé mohou být praktické, (e) ve kterém každý diskrétní režim definuje konstanta šíření pro tento režim (f), ve kterém pole kdykoli je to popsatelné z hlediska podporovaných režimů, (g) ve kterých není žádný záření pole a (h) ve kterém diskontinuity a ohyby mohou způsobit konverzi režimu, ale ne záření.^{[Citace je zapotřebí ]}

Rozměry dutého kovového vlnovodu určují, které vlnové délky může podporovat, a ve kterých režimech. Vlnovod je obvykle provozován tak, že je přítomen pouze jediný režim. Obvykle je vybrán režim nejnižšího řádu. Frekvence pod mezní frekvencí průvodce se nebudou šířit. Je možné provozovat vlnovody v režimech vyššího řádu nebo s více režimy, ale to je obvykle nepraktické.

Vlnovody jsou téměř výlučně vyrobeny z kovu a většinou tuhých konstrukcí. Existují určité typy „vlnitých“ vlnovodů, které mají schopnost ohýbat a ohýbat, ale používají se pouze tam, kde je to nezbytné, protože zhoršují vlastnosti šíření. Kvůli šíření energie ve vzduchu nebo prostoru ve vlnovodu je to jeden z typů přenosových vedení s nejnižší ztrátou a vysoce preferovaný pro vysokofrekvenční aplikace, kde většina ostatních typů přenosových struktur přináší velké ztráty. V důsledku kožní efekt při vysokých frekvencích elektrický proud podél stěn proniká typicky jen několika mikrometry do kovu vnitřního povrchu. Jelikož zde dochází k největšímu úbytku odporu, je důležité udržovat vodivost vnitřního povrchu co nejvyšší. Z tohoto důvodu je většina vnitřních povrchů vlnovodu pokovena měď, stříbrný nebo zlato.

Poměr stojatých vln napětí (VSWR ) lze provést měření, aby bylo zajištěno, že vlnovod je souvislý a nemá netěsnosti ani ostré ohyby. Pokud jsou na povrchu vlnovodu takovéto ohyby nebo díry, může to snížit výkon vysílače i přijímače připojeného na obou koncích. Slabý přenos vlnovodem může také nastat v důsledku hromadění vlhkosti, která koroduje a degraduje vodivost vnitřních povrchů, což je zásadní pro nízké šíření ztrát. Z tohoto důvodu jsou vlnovody nominálně vybaveny mikrovlnná okna na vnějším konci, který nebude zasahovat do šíření, ale bude udržovat prvky mimo. Vlhkost může také způsobit houba hromadění nebo vytváření elektrického oblouku ve vysoce výkonných systémech, jako jsou rádiové nebo radarové vysílače. Vlhkosti vlnovodů lze obvykle zabránit pomocí silikonový gel, a vysoušedlo nebo mírné natlakování dutin vlnovodu suchým dusík nebo argon. Kanystry s vysoušedlem na silikagel lze připevnit šroubovacími hroty a systémy s vyšším výkonem budou mít tlakové nádrže pro udržování tlaku, včetně monitorů úniku. Oblouk může také nastat, pokud je ve vodivých stěnách díra, trhlina nebo boule, pokud se přenáší při vysokém výkonu (obvykle 200 wattů nebo více). Vlnovod instalatérské práce^[12] je rozhodující pro správný výkon vlnovodu. K stojatým vlnám napětí dochází, když nesoulady impedance ve vlnovodu způsobí, že se energie odrazí zpět v opačném směru šíření. Kromě omezení účinného přenosu energie mohou tyto odrazy způsobit vyšší napětí ve vlnovodu a poškodit zařízení.

Krátká délka obdélníkového vlnovodu (WG17 s Připojovací příruby UBR120 )

Sekce pružného vlnovodu

Vlnovod (kotník 900MHz)

Design

V praxi vlnovody fungují jako ekvivalent kabelů pro super vysoká frekvence (SHF) systémy. Pro takové aplikace je žádoucí provozovat vlnovody pouze s jedním režimem šířícím se vlnovodem. U pravoúhlých vlnovodů je možné navrhnout vlnovod tak, aby frekvenční pásmo, přes které se šíří pouze jeden režim, bylo vysoké až 2: 1 (tj. Poměr horní hrany pásma k dolní hraně pásma jsou dva). Vztah mezi rozměry vlnovodu a nejnižší frekvencí je jednoduchý: pokud ${displaystyle scriptstyle W}$ je větší z jeho dvou dimenzí, pak je nejdelší vlnová délka, která se bude šířit ${displaystyle scriptstyle lambda; =; 2W}$ a nejnižší frekvence je tedy ${displaystyle scriptstyle f; =; c / lambda; =; c / 2W}$

U kruhových vlnovodů je nejvyšší možná šířka pásma umožňující šíření pouze jednoho režimu pouze 1,3601: 1.^[13]

Protože obdélníkové vlnovody mají mnohem větší šířku pásma, přes kterou se může šířit pouze jeden režim, existují standardy pro obdélníkové vlnovody, ale ne pro kruhové vlnovody. Obecně (ale ne vždy) jsou standardní vlnovody navrženy tak, že

• jedno pásmo začíná tam, kde končí jiné pásmo, s dalším pásmem, které tyto dvě pásma překrývá^[14]
• spodní okraj pásma je přibližně o 30% vyšší než vlnovod mezní frekvence
• horní okraj pásma je přibližně o 5% nižší než mezní frekvence následujícího režimu vyššího řádu
• výška vlnovodu je polovina šířky vlnovodu

První podmínkou je umožnit aplikace blízko okrajů pásma. Druhá podmínka omezuje disperze, jev, ve kterém je rychlost šíření funkcí frekvence. Rovněž omezuje ztrátu na jednotku délky. Třetí podmínkou je vyhnout se vazba evanescentních vln prostřednictvím režimů vyššího řádu. Čtvrtá podmínka je ta, která umožňuje šířku pásma provozu 2: 1. I když je možné mít provozní šířku pásma 2: 1, když je výška menší než polovina šířky, mít výšku přesně polovinu šířky maximalizuje výkon, který se může šířit uvnitř vlnovodu před dielektrický rozpad dojde.

Níže je uvedena tabulka standardních vlnovodů. Název vlnovodu WR znamená vlnovod obdélníkový, a číslo je šířka vnitřního rozměru vlnovodu v setinách an palec (0,01 palce = 0,254 mm) zaokrouhleno na nejbližší setinu palce.

^* Výbor pro normalizaci rádiových komponent

^† Z historických důvodů jsou vnější a vnitřní rozměry těchto vlnovodů 2: 1 (s tloušťkou stěny WG6 – WG10: 0,08 "(2,0 mm), WG11A – WG15: 0,064" (1,6 mm), WG16 - WG17: 0,05 "( 1,3 mm), WG18 – WG28: 0,04 "(1,0 mm))^[15]

U frekvencí v tabulce výše je hlavní výhodou vlnovodů přes koaxiální kabely je, že vlnovody podporují šíření s nižší ztrátou. Pro nižší frekvence se rozměry vlnovodu stanou neprakticky velkými a pro vyšší frekvence se rozměry stanou neprakticky malými (výrobní tolerance se stane významnou částí velikosti vlnovodu).

Matematická analýza

Elektromagnetické vlnovody jsou analyzovány řešením Maxwellovy rovnice nebo jejich zmenšenou formu rovnice elektromagnetických vln, s okrajové podmínky určeno vlastnostmi materiálů a jejich rozhraními. Tyto rovnice mají několik řešení neboli režimů vlastní funkce systému rovnic. Každý režim je charakterizován a mezní frekvence pod kterou režim nemůže v příručce existovat. Režimy šíření vlnovodu závisí na provozu vlnová délka a polarizace a tvar a velikost vodítka. The podélný režim vlnovodu je zvláštní stojatá vlna vzor tvořený vlnami uzavřenými v dutině. The příčné režimy jsou rozděleny do různých typů:

• Režimy TE (příčné elektrické) nemají žádné elektrické pole ve směru šíření.
• Režimy TM (příčné magnetické) nemají magnetické pole ve směru šíření.
• Režimy TEM (příčné elektromagnetické) nemají žádné elektrické ani magnetické pole ve směru šíření.
• Hybridní režimy mají složky elektrického i magnetického pole ve směru šíření.

Vlnovody s určitou symetrií lze řešit pomocí metody oddělení proměnných. Obdélníkové vlnovody lze řešit v pravoúhlých souřadnicích.^[16]:143 Kruhové vlnovody lze řešit ve válcových souřadnicích.^[16]:198

V dutých jednovodičových vlnovodech nejsou vlny TEM možné. Řešení Maxwellovy rovnice protože taková vlna ukazuje, že elektrické pole musí mít nulovou divergenci i nulovou vlnu^{[je zapotřebí objasnění ]}. Protože tečna elektrického pole k vodivým hranicím musí být rovna nule, musí být všude nulová. Ekvivalentně ${displaystyle abla ^ {2} Phi = 0}$ s okrajovými podmínkami zaručuje pouze triviální řešení bez pole. To kontrastuje s dvouvodičovým přenosové linky používá se při nižších frekvencích; koaxiál, paralelní drátové vedení a páskové vedení, ve kterém je možný režim TEM. Navíc režimy šíření (tj. TE a TM) uvnitř vlnovodu lze matematicky vyjádřit jako superpozici vln TEM.^[17]

Režim s nejnižší mezní frekvencí se nazývá dominantní režim průvodce. Je běžné zvolit velikost průvodce tak, aby ve frekvenčním pásmu provozu mohl existovat pouze tento jeden režim. V pravoúhlých a kruhových (dutých trubkách) vlnovodech jsou dominantní režimy označeny TE_1,0 režim a TE_1,1 režimy.^[18]

• 

  TE_1,1 režim kruhového dutého kovového vlnovodu.

Dielektrické vlnovody

A dielektrický vlnovod zaměstnává solidní dielektrikum tyč spíše než dutá trubka. An optické vlákno je dielektrický průvodce navržený pro práci na optických frekvencích. Přenosová vedení jako mikropáskový, koplanární vlnovod, páskové vedení nebo koaxiál lze také považovat za vlnovody.

Dielektrické tyčové a deskové vlnovody se používají k vedení rádiových vln, většinou v milimetrová vlna frekvence a vyšší.^[19][20] Ty omezují rádiové vlny celková vnitřní reflexe od vstupu index lomu kvůli změně v dielektrická konstanta na povrchu materiálu.^[21] Při frekvencích milimetrových vln a vyšších není kov dobrým vodičem, takže kovové vlnovody mohou mít rostoucí útlum. Na těchto vlnových délkách mohou mít dielektrické vlnovody nižší ztráty než kovové vlnovody. Optické vlákno je forma dielektrického vlnovodu používaného na optických vlnových délkách.

Jeden rozdíl mezi dielektrickými a kovovými vlnovody je ten, že na kovovém povrchu jsou elektromagnetické vlny těsně uzavřeny; při vysokých frekvencích elektrické a magnetické pole proniká do velmi krátké vzdálenosti do kovu. Naproti tomu povrch dielektrického vlnovodu je rozhraní mezi dvěma dielektriky, takže pole vlny pronikají mimo dielektrikum ve formě evanescentní (nešířící se) vlna.^[21]

Viz také

Reference

Tento článek je částečně založen na materiálu z Federální norma 1037C a od MIL-STD-188, a ATIS

• J. J. Thomson, Nedávné výzkumy (1893).
• O. J. Lodge, Proc. Roy. Inst. 14, str. 321 (1894).
• Lord Rayleigh, Phil. Mag. 43, str. 125 (1897).
• N. W. McLachlan, Teorie a aplikace Mathieuových funkcí, str. 8 (1947) (dotisk Dover: New York, 1964).

Další čtení

• George Clark Southworth, "Principy a aplikace přenosu vlnovodem". New York, Van Nostrand [1950], xi, 689 s. Il. 24 cm. Bell Telephone Laboratories series. LCCN 50009834

externí odkazy

Patenty

• Southworth, US patent 2 407 690 , "Vlnovodný elektroterapeutický systém"
• Násypka, US patent 2806138 , "Frekvenční měnič vlnovodu “, 10. září 1957

Webové stránky

• Příčné elektrické a magnetické pole ve vlnovodu
• Rozměry vlnovodu
• Odvození polí v obdélníkovém vlnovodu antenna-theory.com
• Vlnovody v urychlovačích částic obsahující Klystrony