Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн (стр. 5 из 13)
В результате получаем устройство, в котором осуществляется направленное распространение пучков электромагнитных волн. Такие канализирующие системы получили название лучевых волноводов. Линзовый лучевой волновод впервые был предложен Губо.
Назначение линз в линии Губо — периодически исправлять, корректировать распределение фазы по сечению пучка без заметного изменения его амплитудного распределения. Поэтому линзу в такой линии рассматривают как фазовый корректор. Линза из диэлектрика не является единственно возможным видом фазового корректора. Были предложены лучевые волноводы, где роль фазовых корректоров выполняют металлические фокусирующие зеркала. Такие линии передачи получили название зеркальных лучевых волноводов или зеркальных линий.
Пучок в лучевом волноводе представляет собой распространяющуюся электромагнитную волну, занимающую в пространстве область примерно цилиндрической формы, которую можно охарактеризовать некоторым эффективным радиусом. На расстояниях от центра пучка, превышающих этот радиус, поле экспоненциально убывает. Поперечное сечение фазовых корректоров выбирают так, чтобы «перехватить» возможно большую часть распространяющейся энергии, однако часть вышедшей из каждой предыдущей линзы энергии все же не достигает последующей, поэтому в лучевом волноводе всегда имеют место дифракционные потери.
Доказано, что пучок волн, направляемый лучевым волноводом, может быть разложен на элементарные пучки с вполне определенным устойчивым распределением полей в поперечном сечении. Эти элементарные пучки являются собственными волнами лучевого волновода. Как и у обычных волноводов, собственные волны лучевого волновода удовлетворяют соотношениям ортогональности. Вследствие того, что дифракционные потери растут с увеличением номера волны, энергия, переносимая высшими типами волн, быстро падает и по волноводу в конечном счете распространяется волна низшего типа, обычно называемая основной. Таким образом, заметное отличие дифракционных потерь различных типов волн и обусловливает свойства самофильтрации лучевого волновода.
Существует глубокая физическая аналогия между линиями из фазовых корректоров и соответствующими открытыми резонаторами. Оказывается, процесс распространения электромагнитных пучков в лучевых волноводах и колебания в соответствующих резонаторах близки настолько, что собственные колебания резонаторов и собственные волны лучевых волноводов описываются тождественным образом, дифракционные потери в резонаторах и волноводах одинаковы и т. п.
Оба вида устройств описываются одними и теми же однородными интегральными уравнениями Фредгольма второго рода. Аналогия между линиями и резонаторами широко использовалась уже в первых исследованиях квазиоптических систем. В частности, при расчете типов колебаний в открытых резонаторах Фокс и Ли применили эквивалентную математическую модель лучевых волноводов, а с другой стороны, Губо использовал эквивалентный открытый резонатор для экспериментального исследования дифракционных потерь и изучения установления стационарного процесса в линзовой линии.
При резонансе на определенном виде колебаний в резонаторе поле состоит из двух встречных волн эквивалентной линии. Поэтому все формулы и графики, полученные для собственных функций и собственных значений для открытых резонаторов, полностью переносятся на эквивалентные регулярные открытые линии.
Как в лучевых волноводах, так и в резонаторах поле формируется в виде длинных пучков. Обычно ширина пучка значительно меньше его длины и много больше длины волны. В таких системах большими числами являются следующие отношения:
и 
(3.3)где а — радиус раскрыва и d — расстояние между корректорами. Одной из основных характеристик системы является дифракционный параметр
. (3.4)Практически все теоретические результаты для линий и резонаторов получены для условий, когда соотношения хорошо выполняются (резонаторы и линии для квантовых генераторов).
Потери в лучевых волноводах:
1. Дифракционные потери являются характерной особенностью лучевых волноводов. Благодаря этому виду потеоь лучевые волноводы обладают хорошо выраженными свойствами самофильтрации. Дифракционные потери регулярного конфокального лучевого волновода определяются только величиной параметра С. Соответствующим выбором значения С дифракционные потери могут быть сведены к сколь угодно малым значениям. Следует оговорить, что вопрос о допустимом уровне дифракционных потерь при расчете линии передачи должен быть решен с учетом всех остальных видов потерь, так как при очень малых дифракционных потерях (по отношению к остальным) свойства лучевого волновода ухудшаются - теряются селективные свойства и неоправданно возрастают габариты.
2. Потери на отражение для одной линзы линзового лучевого волновода равны
Дб , (3.5)где Г - коэффициент отражения по мощности.
3. Тепловые потери в линзе определяются в первую очередь величиной тангенса угла потерь tg
исходного диэлектрика и его толщиной. Поскольку линза неравномерна по толщине, то поглощение в ней зависит еще и от распределения поля.Величина тепловых потерь на одиночной линзе для волн ТЕМmn определяется следующим выражением:
Дб, (3.6)где D0—максимальная толщина линзы.
4. Потери в среде всегда должны учитываться при построении субмиллиметровых линий передачи. Средой, в которой происходит распространение радиоволн при использовании квазиоптических методов, является, как правило, атмосферный воздух. Известно, что для волн с частотой ниже 1 Ггц атмосфера является практически прозрачной. Ослабление энергии весьма мало даже при большой протяженности линии передачи. На более высоких частотах сказываются два фактора:
- поглощение и рассеивание радиоволн на сосредоточенных объектах, присутствующих в воздухе;
- резонансное поглощение в атмосферных газах и парах воды.
5. Потери на возбуждение возникают в том случае, когда амплитудное и фазовое распределение волны, поступающей на вход лучевого волновода, отличается от распределения рабочей волны (первой собственной волны). Действительно, возбуждающее поле может быть разложено в ряд по собственным волнам регулярного лучевого волновода. Коэффициенты разложения будут представлять собой амплитуды возбуждаемых волн. Поскольку волны высших порядков при распространении в линии быстро затухают, энергия, затраченная на их возбуждение, теряется впустую.
4. Элементы трактов субмиллиметрового диапазона
В связи с изобретением и широким применением на практике лучевых волноводов возникла необходимость в разработке вспомогательных устройств, позволяющих управлять канализируемой энергией электромагнитных волн. В СВЧ диапазоне используются различные волноводные элементы: тройники, двойные тройники, направленные ответвители, аттенюаторы, делители мощности, согласованные поглощающие нагрузки, различного вида согласующие устройства и т. д.
Как и в обычных металлических волноводных линиях, связь генератора или передающей квазиоптической линии с измерительными приборами различного назначения осуществляется с помощью направленного ответвителя. Основное назначение этого устройства - ответвить некоторую часть энергии электромагнитных колебаний, проходящей по линии передачи в прямом или обратном направлении. Кроме этого он может использоваться как постоянный или переменный аттенюатор при измерении больших уровней энергии, в измерителях проходящей мощности, измерителях коэффициента стоячей волны, для связи индикаторов или спектральных приборов, контролирующих работу линии при настройке, и т. д.
4.1 Направленные ответвители
Рассмотрим различные варианты построения направленных ответвителей.
Если электромагнитная волна падает под углом 45° на проволочную решетку или диэлектрическую пластину, то ее энергия делится на две части: одна часть проходит прямо, а другая отражается под прямым углом к направлению пришедшей волны. Величина ответвленной энергии зависит от коэффициентов пропускания и отражения полупрозрачной пластины. В случае применения проволочной решетки коэффициент отражения зависит от густоты расположения проволок, точнее от отношения шага к длине волны облучающего сигнала. По мере укорочения длины волны или при увеличениишага решетки коэффициент отражения уменьшается.
Заметим, что коэффициент отражения делителя с решеткой зависит от поляризации волны. Благодаря этому имеется возможность изменять величину отражения. Если угол между направлением вектора Е и проволочками равен
, то коэффициент отраженияг' = г sin
. (4.1)Коэффициент отражения тонкой диэлектрической пластинки, как известно, определяется величиной диэлектрической проницаемости
материала. Для пластины, расположенной под углом 45° к направлению распространения электромагнитной волны, он может быть найден из соотношения: 
. (4.2)Если один диэлектрик расположен вблизи другого, как, например, в случае двух призм, то, как было замечено Бозе, происходит переход энергии из одной призмы в другую. Изменяя расстояние между призмами, можно получить отношение переданной и отраженной энергии электромагнитной волны от нуля до очень большой величины.