Волноводы. Виды и применения. Свойства и особенности

Волноводы в первую очередь различаются своей конструкцией и основными техническими характеристиками. Эти различия хорошо заметны при рассмотрении их геометрических размеров (диаметра поперечного сечения, в частности), а также формы и расположения центрального проводника.

Для передачи СВЧ колебаний с минимальными потерями особое внимание уделяется наличию наружной экранирующей оболочки. Кроме того, большое значение придается правильному подбору материала, которым заполняются внутренние полости канала СВЧ излучения.

Какими бывают волноводы

По особенностям своего внутреннего устройства они подразделяются на экранированные и неэкранированные конструкции. Характерный признак первой разновидности – наличие у нее герметичных стенок, отличающихся высоким коэффициентом отражения электромагнитных колебаний высокой частоты.

Благодаря этой особенности поток высокочастотной энергии надежно удерживается во внутреннем пространстве любого волноводного изделия. Такие волноводы чаще всего изготавливаются в виде трубчатых полостей, заполненных специально отобранными электропроводящими материалами.

Особенности экранированных изделий

Основная задача, стоящая перед разработчиками экранированных волноводов – исключить возможность образования отраженной волны, распространяющейся в обратном направлении. Для этого обязательно выполнение требований, касающихся геометрических размеров и формы всей конструкции в целом.

При их изготовлении должно выполняться условие постоянства этих параметров (включая физические свойства и поперечное сечение) по всей длине изготавливаемого волновода.

Неэкранированные аналоги

Известны также как «проводящие каналы открытого типа». В этом случае удерживать СВЧ колебания во внутренних полостях конструкции удается за счет отражения излучения от границы раздела двух сред с различными физическими свойствами (коэффициентами).

Благодаря наличию такого разделения основная часть СВЧ энергии при ее распространении остается в пространстве между конструктивными границами волноводов. Важно отметить, что за их пределами концентрация э/м поля снижается очень резко (по экспоненциальному закону).

Классификация волноводов по их прямому назначению

В соответствие с этим признаком волноводы подразделяются на следующие виды:

Изделия для передачи радиоволнового сигнала.
Так называемые «лучеводы».
Диэлектрические изделия.
Каналы «прокачки» инфракрасных излучений.

Радио-волноводы

Такие конструкции предназначаются для передачи гармонических колебаний, частоты которых располагаются в радиодиапазоне. Поперечные размеры таких волноводов сравнимы с длинами пропускаемых по ним радиоволн.

Радио-волноводы в свою очередь классифицируются по форме поперечного сечения конструкции. По этому признаку возможны следующие исполнения волноводов:

Овальные.
Прямоугольной формы.
П и Н-образные.

Volnovody 2

В полостях этих каналов радиоволны распространяются за счет многократного отражения и интерференции электромагнитных колебаний.

Особо отмечается, что все эти разновидности радио-волноводов относятся к категории закрытых конструкций. На практике встречаются варианты изделий, в которых проводник изготавливается в виде металлической ленты с диэлектрическим покрытием (они называются «поверхностными»).

Лучеводы и оптические передающие линии

Этот тип изделий относится к особой разновидности волноводов из категории квазиоптических линий передач, по которым распространяются волны миллиметровой длины. Подобные конструкции нередко используются в оптике, где их применение ограничивается чисто исследовательскими целями.

Так называемые «оптические» волноводы изготавливаются на основе диэлектриков и более известны как оптоволоконные кабели. Конструктивно они состоят из какого-либо прозрачного материала (например, стекла или пластика), помещенного в отражающую свет оболочку. За счет этого излучения видимого спектра диапазона и УФ лучи распространяются по такому волноводу с минимальными потерями.

Volnovody 3

Диэлектрические изделия нередко называется «оптоэлектронным волноводом». Оптические характеристики «сердцевины» канала и его оболочки выбираются исходя из того, какие задачи решаются с помощью данного кабеля.

Наибольшее распространение в практике передачи высокочастотных колебаний получили конструкции, называемые «ступенчатыми» и «градиентными» световодами. В ступенчатых показатель преломления центральной части неизменен по всей длине волнового канала. Вместе с тем он резко отличается от того же параметра для внешней оболочки. Их градиентные аналоги характеризуются плавным переходом показателя преломления волоконного материала от центрального проводника по направлению к периферии.

Ступенчатые световоды в свою очередь подразделяются на одно- и многомодовые. Первые характеризуются тем, что диаметр их сердцевины примерно сравним с длиной пропускаемой через световод волны. Эта особенность таких волноводов позволяет «прокачивать» через них световые колебания только одной частоты. Во втором типе изделий диаметр сердечника намного превышает длину волны, так что по ним свободно распространяются волны практически любой частоты.

Обобщая весь материал, можно сказать, что существуют следующие виды оптических световодов:

Одномодовые ступенчатые волноводы.
Их многомодовые аналоги.
Ступенчатые многомодовые изделия.

Volnovody 4

Особенность диэлектрических волноводов проявляется в том, что функцию проводника электромагнитной энергии в них выполняет специальный сердечник. На границе его контакта с оболочкой создаются идеальные условия для отражения волны, что обеспечивает ее передачу с минимальными потерями. Наличие такого разделения – надежная гарантия того, что энергия передаваемого излучения не будет рассеиваться в окружающее пространство.

ИК волноводы

Световоды этой разновидности представляют собой специальные каналы передачи излучений, длины волн которых соответствуют инфракрасному диапазону. Долгое время реализация такого способа передачи электромагнитной энергии была недоступна. Это объяснялось отсутствием нужных материалов, способных проводить и удерживать в пределах световода колебания ИК частот.

Используемые в то время наполнители не обеспечивали требуемого отражающего эффекта, что приводило к большим потерям сигнала на сравнительно небольших расстояниях. Добавим к этому, что при его распространении наблюдались значительные по амплитуде помехи, существенно ухудшавшие условия передачи колебаний выбранного диапазона.

И только в наши дни появились особые структуры, при применении которых удалось добиться нужного показателя прозрачности и возможности пропускания ИК сигналов. К числу материалов, обладающих такими способностями, следует отнести:

Кристаллы некоторых разновидностей галогенов.
Халькогенидные стеклообразные вещества.
Стекла, изготовленные из фторидов тяжелых металлов.

Из перечисленных разновидностей материалов для пропускания ИК лучей особой привлекательностью отличаются кристаллы галогенов.

К числу достоинств волноводов на их основе относятся следующие преимущества:

Прозрачность в широком диапазоне частот ИК излучений.
Сравнительно низкий уровень оптических потерь.
Невосприимчивость к ВЧ помехам.
Механическая прочность проводящего материала и его гибкость.

Подобно кристаллам галогенов халькогенидные стекла, а также материалы на основе фторидов тяжелых металлов характеризуются достаточно широким диапазоном пропускания.

Однако все они по сравнению с кристаллами галогенов имеют один существенный недостаток, проявляющийся в увеличении оптических потерь при значительной длине волновода. Причина кроется в особенностях структуры стеклообразных материалов, отдельные зерна которых имеют сравнительно большие размеры. Помимо этого к их недостаткам относят токсичность и низкий показатель механической прочности (хрупкость).

Области применения ИК световодов

Несмотря на недостатки, световоды на основе кристаллов галогенов, в частности, способны передавать несложные ИК изображения на значительные расстояния. Кроме того, с их помощью удается «прокачивать» информацию о текущем состоянии труднодоступных или удаленных от исследователя объектов (чаще всего они применяются для измерения их температуры).

Такие волноводы изготавливаются в виде гибкого оптического кабеля, посредством которого удается работать не только с ИК волнами. С их помощью нередко передаются мощные лазерные излучения, которые широко применяются в энергетической области, в медицине, металлургии, а также во многих других сферах человеческой деятельности.