Волновод

Волново́д — искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. При этом поток мощности, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала или в области пространства, непосредственно примыкающей к каналу.

По природе распространяющихся волн различают электромагнитные и акустические волноводы. Частным случаем первых являются оптоволоконные линии передачи. Наиболее часто под термином «волновод» подразумеваются металлические трубки, предназначенные для передачи энергии электромагнитных волн диапазонов СВЧ и КВЧ. Такой волново́д — линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии.

Историческая справка

Впервые конструкция для передачи волн была предложена английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1893 году, а первым её принцип экспериментально проверил английский физик и изобретатель Оливер Лодж в 1894 году. Первым математический анализ хода электромагнитных волн в металлическом цилиндре выполнил британский физик и механик Лорд Рэлей в 1897 году. В процессе тщательного изучения звуковых волн (поверхностных акустических волн), Лорд Рэлей опубликовал полный математический анализ принципа их распространения в своём фундаментальном исследовании «Теория звука».

В дальнейшем, в 20-е годы двадцатого века началось изучение диэлектрических волноводов (в том числе и оптических волокон). Несколько учёных, среди которых наиболее известными являлись британский физик и механик Рэлей, немецкий физик-теоретик и математик Зоммерфельд, а также нидерландский физик Дебай. Фундаментальные исследования привели к тому, что в 1960-е годы стекловолокна стали привлекать к себе особое внимание в связи с открывающимися возможностями их использования для передачи данных и обеспечения связи.

Типы волноводов

Экранированные

Экранированные волноводы имеют хорошо отражающие стенки для распространяющейся в нем волны, благодаря чему поток мощности волны сосредоточен внутри волновода. Как правило, такие волноводы выполнены в виде полых или заполненных средой со специально подобранными параметрами трубок. Поперечное сечение этих трубок имеет форму окружности, эллипса, прямоугольника, что связано с большей конструктивной простотой, хотя для специальных целей используются волноводы и с другими формами поперечного сечения. Чтобы волна по мере распространения в волноводе не отражалась в обратном направлении, волновод выполняют регулярным: форма и размеры поперечного сечения, а также физические свойства материалов должны быть постоянны вдоль длины волновода. Поскольку волна отражается от стенок экранированного волновода, то в поперечном направлении возникает стоячая волна с определенным составом мод.

Для передачи электромагнитных волн используются металлические трубки, полые или заполненные диэлектриком. Также используются коаксиальные и многожильные экранированные кабели, которые относят к проводным линиям передачи. Термин «радиочастотный волновод» (англ. radiofrequency guide, обозначение RG) подчёркивает назначение и отличие от проводных линий передачи постоянного тока и тока промышленной частоты, а также от низкочастотных коммуникационных кабелей. Металлические волноводы и коаксиальные кабели со сквозными отверстиями-щелями в экране служат для построения волноводно-щелевых антенн и излучающих кабелей.

К экранированным волноводам относят также акустические волноводы, это трубы с достаточно жёсткими стенками, например, металлические или пластмассовые. В таких волноводах акустические колебания распространяются в газе, наполняющем волновод, как правило, в воздухе. Ранее широко применялись на судах и кораблях под названием «переговорные трубы».

Практически все типы волноводов можно рассматривать как разновидности длинных линий передачи, то есть таких, длина которых существенно превышает длину распространяющейся в них волны.

Неэкранированные

В открытых (неэкранированных) волноводах локализация поля обычно обусловлена явлением полного внутреннего отражения от границ раздела двух сред (в волноводах диэлектрических и оптоволоконных световодах), либо от областей с плавно изменяющимися параметрами среды (например, ионосферный волновод, атмосферный волновод, подводный звуковой канал, градиентное оптоволокно). Поле локализуется преимущественно внутри специально предназначенной для этого области поперечного сечения волновода и быстро убывает за пределами этой области. Благодаря этому волна канализируется в волноводе. Открытые планарные волноводы оптического диапазона используются для построения различных интегральных оптоэлектронных устройств.

Акустические открытые волноводы служат основой устройств на поверхностных акустических волнах, в таких волноводах ультразвуковая волна распространяется вдоль границы раздела сред с различными акустическими свойствами.

Свойства волноводов

В волноводах, как в системах с распределёнными параметрами, возможно существование в нём дискретного (при не очень сильном поглощении) набора (ансамбля) типов колебаний (мод), каждый тип колебаний распространяется со своими фазовыми и групповыми скоростями. Все моды обладают дисперсией, то есть их фазовые скорости зависят от частоты и отличаются от групповых скоростей.

В экранированном волноводе фазовые скорости обычно превышают скорость распространения плоской однородной волны в заполняющей среде (скорость света, скорость звука), эти волны называются быстрыми. При неполном экранировании они могут просачиваться сквозь стенки волновода, переизлучаясь в окружающее пространство. Это так называемые утекающие волны. В открытых волноводах, как правило, распространяются медленные волны, амплитуды которых быстро убывают при удалении от направляющего канала.

Каждая мода характеризуется предельной частотой <math>\omega_k</math> , называемой критической; мода может распространяться и переносить вдоль волновода поток энергии только на частотах <math>\omega</math>, превышающих <math>\omega_{kr}</math>. Однако в некоторых случаях (многопроводные линии передачи, полые акустические волноводы) существуют моды, для которых <math>\omega_{kr}=0</math>, их называют главными или квазистатическими.

При больших <math>\omega</math> волновод становится сверхразмерным (поперечные размеры волновода значительно превышают длину волны): тогда в нём одновременно распространяется множество мод, которые при определённых соотношениях между амплитудами и фазами могут группироваться в бегущие вдоль волновода сгустки. В предельном случае, в волноводе образуется стоячая волна с узлами и пучностями, например, для акустических волноводов — узлы акустического давления. В узлах стенки можно убрать, заменив сплошную трубу последовательно расставленными отражателями. Такие, а также аналогичные им линзовые системы классифицируют как квазиоптические волноводы или квазиоптические линии передачи.

Применение волноводов

Радиочастотные электрические волноводы всегда применяются в современных радиолокационных станциях, ускорительной технике элементарных частиц.

Акустические волноводы (переговорные трубы) применяются на современных судах, дублируя электронные переговорные устройства при их отказе.

Волноводы на поверхностных акустических волнах применяются в обработке сигналов для построения электромеханических фильтров.

См. также

• Акустический волновод
• Диэлектрический волновод
• Металлический волновод
• Плазменный волновод
• Радиоволновод
• Лучевод
• Световод
• Квазиоптика

Литература

• Калинин В. А., Лобов Г. Д., Штыков В. В. Радиофизика для инженеров / Под ред. С.И.Баскакова. — М.: Изд-во МЭИ, 1994. — 130 с. — 500 экз.
• Шаров Г.А. Волноводные устройства сантиметровых и миллиметровых волн. — М.: Горячая линия - Телеком, 2015. — 640 с. — 500 экз. — ISBN 978-5-9912-0473-6.

Отрывок, характеризующий Волновод

«Monsieur le prince Koutouzov, – писал он, – j'envoie pres de vous un de mes aides de camps generaux pour vous entretenir de plusieurs objets interessants. Je desire que Votre Altesse ajoute foi a ce qu'il lui dira, surtout lorsqu'il exprimera les sentiments d'estime et de particuliere consideration que j'ai depuis longtemps pour sa personne… Cette lettre n'etant a autre fin, je prie Dieu, Monsieur le prince Koutouzov, qu'il vous ait en sa sainte et digne garde,
Moscou, le 3 Octobre, 1812. Signe:
Napoleon».
[Князь Кутузов, посылаю к вам одного из моих генерал адъютантов для переговоров с вами о многих важных предметах. Прошу Вашу Светлость верить всему, что он вам скажет, особенно когда, станет выражать вам чувствования уважения и особенного почтения, питаемые мною к вам с давнего времени. Засим молю бога о сохранении вас под своим священным кровом.
Москва, 3 октября, 1812.
Наполеон. ]

«Je serais maudit par la posterite si l'on me regardait comme le premier moteur d'un accommodement quelconque. Tel est l'esprit actuel de ma nation», [Я бы был проклят, если бы на меня смотрели как на первого зачинщика какой бы то ни было сделки; такова воля нашего народа. ] – отвечал Кутузов и продолжал употреблять все свои силы на то, чтобы удерживать войска от наступления.
В месяц грабежа французского войска в Москве и спокойной стоянки русского войска под Тарутиным совершилось изменение в отношении силы обоих войск (духа и численности), вследствие которого преимущество силы оказалось на стороне русских. Несмотря на то, что положение французского войска и его численность были неизвестны русским, как скоро изменилось отношение, необходимость наступления тотчас же выразилась в бесчисленном количестве признаков. Признаками этими были: и присылка Лористона, и изобилие провианта в Тарутине, и сведения, приходившие со всех сторон о бездействии и беспорядке французов, и комплектование наших полков рекрутами, и хорошая погода, и продолжительный отдых русских солдат, и обыкновенно возникающее в войсках вследствие отдыха нетерпение исполнять то дело, для которого все собраны, и любопытство о том, что делалось во французской армии, так давно потерянной из виду, и смелость, с которою теперь шныряли русские аванпосты около стоявших в Тарутине французов, и известия о легких победах над французами мужиков и партизанов, и зависть, возбуждаемая этим, и чувство мести, лежавшее в душе каждого человека до тех пор, пока французы были в Москве, и (главное) неясное, но возникшее в душе каждого солдата сознание того, что отношение силы изменилось теперь и преимущество находится на нашей стороне. Существенное отношение сил изменилось, и наступление стало необходимым. И тотчас же, так же верно, как начинают бить и играть в часах куранты, когда стрелка совершила полный круг, в высших сферах, соответственно существенному изменению сил, отразилось усиленное движение, шипение и игра курантов.


Русская армия управлялась Кутузовым с его штабом и государем из Петербурга. В Петербурге, еще до получения известия об оставлении Москвы, был составлен подробный план всей войны и прислан Кутузову для руководства. Несмотря на то, что план этот был составлен в предположении того, что Москва еще в наших руках, план этот был одобрен штабом и принят к исполнению. Кутузов писал только, что дальние диверсии всегда трудно исполнимы. И для разрешения встречавшихся трудностей присылались новые наставления и лица, долженствовавшие следить за его действиями и доносить о них.
Кроме того, теперь в русской армии преобразовался весь штаб. Замещались места убитого Багратиона и обиженного, удалившегося Барклая. Весьма серьезно обдумывали, что будет лучше: А. поместить на место Б., а Б. на место Д., или, напротив, Д. на место А. и т. д., как будто что нибудь, кроме удовольствия А. и Б., могло зависеть от этого.
В штабе армии, по случаю враждебности Кутузова с своим начальником штаба, Бенигсеном, и присутствия доверенных лиц государя и этих перемещений, шла более, чем обыкновенно, сложная игра партий: А. подкапывался под Б., Д. под С. и т. д., во всех возможных перемещениях и сочетаниях. При всех этих подкапываниях предметом интриг большей частью было то военное дело, которым думали руководить все эти люди; но это военное дело шло независимо от них, именно так, как оно должно было идти, то есть никогда не совпадая с тем, что придумывали люди, а вытекая из сущности отношения масс. Все эти придумыванья, скрещиваясь, перепутываясь, представляли в высших сферах только верное отражение того, что должно было совершиться.
«Князь Михаил Иларионович! – писал государь от 2 го октября в письме, полученном после Тарутинского сражения. – С 2 го сентября Москва в руках неприятельских. Последние ваши рапорты от 20 го; и в течение всего сего времени не только что ничего не предпринято для действия противу неприятеля и освобождения первопрестольной столицы, но даже, по последним рапортам вашим, вы еще отступили назад. Серпухов уже занят отрядом неприятельским, и Тула, с знаменитым и столь для армии необходимым своим заводом, в опасности. По рапортам от генерала Винцингероде вижу я, что неприятельский 10000 й корпус подвигается по Петербургской дороге. Другой, в нескольких тысячах, также подается к Дмитрову. Третий подвинулся вперед по Владимирской дороге. Четвертый, довольно значительный, стоит между Рузою и Можайском. Наполеон же сам по 25 е число находился в Москве. По всем сим сведениям, когда неприятель сильными отрядами раздробил свои силы, когда Наполеон еще в Москве сам, с своею гвардией, возможно ли, чтобы силы неприятельские, находящиеся перед вами, были значительны и не позволяли вам действовать наступательно? С вероятностию, напротив того, должно полагать, что он вас преследует отрядами или, по крайней мере, корпусом, гораздо слабее армии, вам вверенной. Казалось, что, пользуясь сими обстоятельствами, могли бы вы с выгодою атаковать неприятеля слабее вас и истребить оного или, по меньшей мере, заставя его отступить, сохранить в наших руках знатную часть губерний, ныне неприятелем занимаемых, и тем самым отвратить опасность от Тулы и прочих внутренних наших городов. На вашей ответственности останется, если неприятель в состоянии будет отрядить значительный корпус на Петербург для угрожания сей столице, в которой не могло остаться много войска, ибо с вверенною вам армиею, действуя с решительностию и деятельностию, вы имеете все средства отвратить сие новое несчастие. Вспомните, что вы еще обязаны ответом оскорбленному отечеству в потере Москвы. Вы имели опыты моей готовности вас награждать. Сия готовность не ослабнет во мне, но я и Россия вправе ожидать с вашей стороны всего усердия, твердости и успехов, которые ум ваш, воинские таланты ваши и храбрость войск, вами предводительствуемых, нам предвещают».
Но в то время как письмо это, доказывающее то, что существенное отношение сил уже отражалось и в Петербурге, было в дороге, Кутузов не мог уже удержать командуемую им армию от наступления, и сражение уже было дано.
2 го октября казак Шаповалов, находясь в разъезде, убил из ружья одного и подстрелил другого зайца. Гоняясь за подстреленным зайцем, Шаповалов забрел далеко в лес и наткнулся на левый фланг армии Мюрата, стоящий без всяких предосторожностей. Казак, смеясь, рассказал товарищам, как он чуть не попался французам. Хорунжий, услыхав этот рассказ, сообщил его командиру.
Казака призвали, расспросили; казачьи командиры хотели воспользоваться этим случаем, чтобы отбить лошадей, но один из начальников, знакомый с высшими чинами армии, сообщил этот факт штабному генералу. В последнее время в штабе армии положение было в высшей степени натянутое. Ермолов, за несколько дней перед этим, придя к Бенигсену, умолял его употребить свое влияние на главнокомандующего, для того чтобы сделано было наступление.
– Ежели бы я не знал вас, я подумал бы, что вы не хотите того, о чем вы просите. Стоит мне посоветовать одно, чтобы светлейший наверное сделал противоположное, – отвечал Бенигсен.
Известие казаков, подтвержденное посланными разъездами, доказало окончательную зрелость события. Натянутая струна соскочила, и зашипели часы, и заиграли куранты. Несмотря на всю свою мнимую власть, на свой ум, опытность, знание людей, Кутузов, приняв во внимание записку Бенигсена, посылавшего лично донесения государю, выражаемое всеми генералами одно и то же желание, предполагаемое им желание государя и сведение казаков, уже не мог удержать неизбежного движения и отдал приказание на то, что он считал бесполезным и вредным, – благословил совершившийся факт.


Записка, поданная Бенигсеном о необходимости наступления, и сведения казаков о незакрытом левом фланге французов были только последние признаки необходимости отдать приказание о наступлении, и наступление было назначено на 5 е октября.
4 го октября утром Кутузов подписал диспозицию. Толь прочел ее Ермолову, предлагая ему заняться дальнейшими распоряжениями.
– Хорошо, хорошо, мне теперь некогда, – сказал Ермолов и вышел из избы. Диспозиция, составленная Толем, была очень хорошая. Так же, как и в аустерлицкой диспозиции, было написано, хотя и не по немецки:
«Die erste Colonne marschiert [Первая колонна идет (нем.) ] туда то и туда то, die zweite Colonne marschiert [вторая колонна идет (нем.) ] туда то и туда то» и т. д. И все эти колонны на бумаге приходили в назначенное время в свое место и уничтожали неприятеля. Все было, как и во всех диспозициях, прекрасно придумано, и, как и по всем диспозициям, ни одна колонна не пришла в свое время и на свое место.