Рассмотрим типы электромагнитных колебаний в волноводе

На рисунках ниже показана ориентация электрического (пунктирные линии) и магнитного (сплошные линии) полей основных простейших типов распространения волн (мод) – типов колебаний, которые могут поддерживать резонанс в круглом волноводе.

Рис. 1. Структура поля волны ТМ01. Рис. 2. Структура поля волны TE01.

 

Рис. 3. Структура поля волны ТМ11. Рис. 4. Структура поля волны TЕ11.

Из представленных типов электромагнитных колебаний в круглом волноводе, нас устраивают все, но необходимо выбрать способ возбуждения колебаний. Это я оставляю на Ваш выбор, поскольку самому мне экспериментировать не с чем. Возбуждать колебания частотой 18,8 ГГц через щелевую антенну, с помощью магнетрона от микроволновой печи – смешно, там своя, практически не регулируемая частота, поэтому будем это делать простейшими способами.
Возбуждение волноводных резонаторов осуществляется с помощью антенн: металлического штыря (электрического диполя) – емкостная связь, или петли (магнитного диполя) – индуктивная связь. Электрический диполь должен быть ориентирован по линиям Е поля нужной моды, петля должна пронизываться линиями Н. Эффективность возбуждения зависит также от характеристик антенны, обычно оптимальным является равенство её внутреннего сопротивления сопротивлению излучения в данную моду. Другими словами, источник СВЧ-тока должен быть согласован с приёмником СВЧ-тока. Для согласования мы можем даже сделать петлю из нескольких витков. Не забывайте, что СВЧ-ток в проводнике распространяется не по его сечению, а по скин-слою (по поверхности). Это в свою очередь означает, что для передачи большой энергии нам необходим штырь, или петля из толстого провода, а это наоборот будет препятствовать распространению волны в волноводе, или возбуждать паразитные виды колебаний. Поэтому нам необходимо выбирать самый простой способ возбуждения.
Попробуем рассмотреть петли и штыри возбуждения колебаний и определим, что нам более подходит.
К волне ТМ₀₁ изображённой на рисунке 1 «приспособить» диполь некуда – линии Е идут по кругу, а петля будет выглядеть следующим образом:

Рис. 5. Структура поля волны ТМ01 и петля возбуждения.

Из рисунка видно, что петля располагается вдоль стенки трубки – по кругу, и пронизана линиями Н. Расстояние от края волновода до отверстия входа петли – 1/4 длины волны, что соответствует 1,22 / 4 = 0,3см или 3мм от края. Вымерять это расстояние сложно, а подбирать в ходе экспериментов тем более. Меня этот вариант не привлекает.
К волне ТЕ₀₁ изображённой на рисунке 2, наоборот приспособить петлю некуда, а штырь элементарно можно ввести с торца волновода параллельно линиям Е. Кроме того, введя его на 1/4 длины волны, что равняется 3мм, мы элементарно можем регулировать глубину его ввода в волновод при проведении экспериментов.

Рис. 6. Структура поля волны TE01 и штырь возбуждения.

По третьему рисунку видно, что туда вообще ничего не приспособишь, волна ТМ₁₁ как вариант –отпадает.
К волне ТЕ₁₁ мы можем приспособить и петлю и штырь. Но тоже не очень удобно. Вводятся они на глубину 1/2 длины волны. Петля – с торца, а штырь сбоку. При этом штырь вводится на глубину - до середины (центра круга) волновода.

Рис. 7. Структура поля волны TЕ11 и петля возбуждения.

 

Рис. 8. Структура поля волны TЕ11 и штырь возбуждения.

Хоть я выбирал и экспериментировал с типом электромагнитных колебаний в волноводе, изображённым на рисунке 6 – он более простой и удобный, но рисунок 8, меня также привлекает. Судя по рисункам самого Мэйера, велика вероятность, что именно такой тип электромагнитных колебаний в волноводе он использовал. Преимущества заключаются в отсутствии необходимости добавлять дополнительный электрод, и как следствие – упрощение и лучшая прочность конструкции.

Выбор за Вами:
Вариант 1 - волна ТМ₀₁;
Вариант 2 - волна ТЕ₀₁;
Вариант 3 - волна ТЕ₁₁.

Следующий вопрос: Как превратить волновод в резонатор? Элементарно! Выбираем длину волновода кратную длине волны и закрываем концы волновода «отражающими» - металлическими заглушками.