Существует множество типов волноводов, но наиболее распространённый — прямоугольные волноводы. В самом простом случае такие волноводы представляют собой прямоугольный профиль, но боковые стенки в некоторых случаях могут отсутствовать. Стенки выполняются из проводящего материала.

Геометрия волновода проектируется чаще всего таким образом, чтобы в нём распространялся лишь один тип волн (мода). Мода с наинизшей граничной частотой (наибольшей длиной волны, которая ещё может распространяться по волноводу с данным размером) называется основной модой. Для прямоугольного волновода такой модой является H10, а для круглого — H11, поэтому данные типы волноводов чаще всего рассчитываются для этих типов волн. Мода H10 подразумевает, что силовые линии расположены строго вертикально в полости волновода. В каждом сечении волновода на верхней и нижней стенках может располагаться только один максимум волны, а на боковых стенках ноль максимумов.

Силовые линии мод E и H в волноводе

Волноводы излучают только в сторону открытого конца, а источник сигнала (возбудитель) располагается на одной из стенок волновода, на расстоянии четверть длины волны от закрытого конца, который в данном случае можно условно назвать отражателем. Если в качестве возбудителя используется штыревая антенна, располагать её следует строго вертикально в указанной точке. В таком случае отраженная от закрытого конца волновода волна будет совпадать по фазе с волной, излучаемой антенной. Источником сигнала в волноводе может быть также любой другой тип антенны, например щелевой излучатель (или просто примыкание другого волновода). Антенну-возбудитель обычно выполняют в диэлектрическом корпусе и с металлическим колпачком (как на излучателе магнетрона из микроволновки).

Волноводы работают в режиме т.н. «бегущей волны» — это состояние, при котором волна распространяется без отражений, перенося энергию только в одном направлении с некоторой конечной скоростью (постоянной и зависящей от среды). Для этого необходимо согласование волнового сопротивления волновода с нагрузкой (например, с помощью согласующих элементов или поглотителя). В таком режиме амплитуда волны постоянна вдоль волновода (если нет потерь).

Один из самых часто задаваемых вопросов это вопрос об отражении волны от открытого конца волновода — почему это происходит и как это вообще возможно. В волноводе отражение от открытого конца возникает из-за резкого изменения волнового сопротивления на границе «волновод–свободное пространство».

Происходит это потому что электрическое поле, распространяющееся в волноводе, существует не само по себе, а между верхней и нижней стенками волновода. По этим стенкам протекают высокочастотные токи, точно также, как они протекают в полотне любой другой антенны бегущей волны, например V-образной антенны. Но если в V-образной антенне ток в полотне постепенно преобразуется в электрическое поле между отрезками этой антенны, то в случае волновода этого не происходит. Высокочастотный ток на верхней и нижней стенках волновода доходит до конца полотна и из-за резкого увеличения волнового сопротивления волне в полотне легче отразится обратно, нежели моментально превратиться в электрическое поле. Данное явление аналогично отражению в линии передачи при несогласованной нагрузке.

Для того, чтобы минимизировать отражение от открытого конца и обеспечить плавный переход высокочастотных токов в электрическое поле, то есть в излучение, применяют рупоры. Рупорная антенна — это расширяющийся волновод.

Рупорная антенна тем эффективнее, чем она длиннее и чем меньше угол раскрыва рупора. За счёт большой длины рупора и за счёт маленького угла раскрыва достигается почти плоский фронт излучения, а значит острая диаграмма направленности, а также плавность перехода в электрическое поле и высокий КПД.

На практике очень невыгодно делать длинные рупоры, поэтому их выполняют конечной длины выбирая оптимальные конструкционные параметры. Реальный рупор обычно весьма короткий и с большим углом раскрыва, из-за чего фронт излучения у него близок к сферическому, и диаграмма направленности получается не такая острая. В коротком рупоре высокочастотные токи не успевают полностью перейти в электрическое поле, из-за чего они затекают на внешнюю поверхность рупора и создают боковые лепестки, что в некоторых случаях даже иногда может быть полезно.

Помимо прочего, чем больше угол раскрыва, тем хуже согласование самого рупора с волноводом. Из-за чего волны в волноводе могут отражаться и от начала раскрыва рупора.

Есть несколько способов повысить эффективность коротких рупоров.

Первый способ — применение специальных линз и отражателей (зеркал). Если пропускать сферическое излучение рупора через радиолинзу, либо направлять излучение на отражатель нужной кривизны, то можно выровнять фронт волны и сделать острую диаграмму направленности.

Второй способ — использовать гофрированные рупоры.

Во-первых, гофрированные рупоры имеют большую площадь поверхности, за счет чего высокочастотные токи лучше переходят в электрическое поле.
Во-вторых, гофрирование рупора препятствует затеканию высокочастотных токов на внешнюю поверхность рупора, что избавляет от боковых лепестков.
И в-третьих, гофрированный рупор представляет собой замедляющую структуру. То есть последовательную цепочку емкостей и индуктивностей, как в магнетроне. Иногда, замедляющую структуру даже выносят за пределы рупора. Несмотря на свою компактность замедляющая структура способна заметно улучшить диаграмму направленности.

Обычно замедляющая структура выглядит как ребристая пластинка. С электродинамической точки зрения это последовательность колебательных контуров. Выемки играют роль индуктивностей, а выступающие ребра — это емкости. Можно сказать, что силовые линии электрического поля цепляются за эти ребра, и идут вдоль замедляющей структуры. Если собственная частота колебаний элементов замедляющей структуры совпадает с частотой излучения, то замедляющая структура идеально согласованна и с антенной, и с волноводом, и с рупором. Ее применение в таком случае полностью оправдано и приводит к увеличению КПД системы и улучшению всех параметров.

Также стоит отметить, что существуют не только гофрированные рупора, но и гофрированные волноводы — такая конструкция используется когда важна изгибаемость тракта, а небольшие потери, возникающие вследствие неоднородностей волновода допустимы.


Основные моменты для закрепления:

1. Для согласования возбуждающей антенны с волноводом, антенну необходимо размещать на расстоянии четверть длины волны от закрытого конца волновода.
2. Рупоры применяют для уменьшения отражения от открытого конца волновода.
3. Идеальный рупор должен быть большой длины и с маленьким углом раскрыва. В реальных условиях приходится сокращать длину рупора, и увеличивать его угол раскрыва.
4. Улучшить диаграмму направленности и КПД можно, применяя радиолинзы, зеркала, гофрированные рупоры и замедляющие структуры.