Волноводы П- и Н-образной формы

Одноволновый режим в стандартном прямоугольном волноводе, как было показано ранее, сохраняется в двукратной полосе частот. Однако используемый на практике диапазон частот обычно не превышает полуторакратного, поскольку в области частот, близких к критической, велики тепловые потери и мала допустимая мощность.

В значительно большей полосе частот можно сохранить одноволновый режим при использовании П- и Н-образных волноводов, которые часто называют более коротко просто П- и Н-волновод. Если так подобрать поперечные размеры этих волноводов, чтобы коэффициент их широкополосности был равен коэффициенту широкополосности прямоугольного волновода, то П- и Н-волноводы будут иметь меньшие габариты, чем прямоугольный волновод. На рисунке 26 показана структура электрического поля соответственно волн и в поперечном сечении П-волновода. Эти волны названы и условно. Основанием для этого является то, что при плавном уменьшении высоты прямоугольного выступа (обычно его называют ребром) они постепенно преобразуются в волны и прямоугольного волновода.

Рисунок 26 − П-образный волновод

Рисунок 27 − Н-образный волновод

При равных размерах и расширение рабочей полосы частот у Н- и П-волноводов по сравнению с прямоугольным достигается за счет того, что они имеют практически равные критические частоты для волны , а критическая частота для волны в Н- и П-волноводах существенно ниже, чем в прямоугольных. Сказанное можно объяснить следующим образом. Ребро (или ребра у Н-волновода) находится в пучности напряженности электрического поля волны , где концентрация электромагнитного поля относительно велика. Наличие ребра приводит к еще большей концентрации поля и энергии в этом месте. Поэтому свойства волны и, в частности, критическая частота, определяются в основном структурой поля в зазоре. Пока отношение ширины ребра к ширине волновода не превышает , энергия электрического и магнитного полей вблизи боковых стенок волновода мала и мала продольная составляющая магнитного поля. Распространяющаяся в П-волноводе волна близка по структуре к ТЕМ-волне. Поэтому введение ребра приближает структуру волны к структуре ТЕМ-волны и приводит к понижению критической частоты волны . Напомним, что у ТЕМ-волны .

Чем больше высота ребра, т.е., чем ближе отношение к единице, тем выше концентрация поля в зазоер и тем, следовательно, ниже критическая частота волны . В то же время влияние относительно узкого ( ) ребра (или ребер в Н-волноводе) на критическую частоту волны незначительно, так как ребро вводится в сечение, где напряженность электрического поля волны мала. Поэтому при коэффициент широкополосности Н- и П-образного волновода существенно выше, чем прямоугольного волновода с теми же размерами и . Дальнейшее увеличение отношения приводит к уменьшению коэффициента широкополосности, так как боковые стенки волновода приближаются к краям ребер, возрастает концентрация энергии полей вблизи боковых стенок и увеличивается продольная составляющая напряженности магнитного поля, повышается критическая частота волны , уменьшается коэффициент широкополосности.

Недостатком П- и Н-волноводов является повышенный по сравнению с прямоугольным волноводом уровень потерь и пониженная электрическая прочность. Чем больше высота ребра , тем меньше предельная мощность и выше потери. Поэтому обычно применяют Н- и П-волноводы с .