Волновод: что это, типоразмеры WR и как выбрать

Что такое волновод

Волновод — металлическая труба, по которой энергия сверхвысокой частоты распространяется как волна внутри, отражаясь от стенок. В отличие от коаксиального кабеля, у волновода нет центрального проводника и диэлектрика: потери в нём определяются только стенками, поэтому они в разы меньше, а допустимая мощность — в разы больше. Плата за это — жёсткость, размеры и ограниченная полоса частот.

Волноводы применяют там, где кабель уже не справляется: в трактах радиолокаторов и радиорелейных станций, в спутниковой связи, в мощных передатчиках и в измерительных стендах миллиметрового диапазона. В каталоге KADAMM раздел волноводов — 12 серий: прямые секции, изгибы, скрутки, гибкие, двухгребневые и эллиптические волноводы.

Каждое сечение работает в своей полосе — примерно от 1,25 до 1,9 частоты среза; ось частот логарифмическая.

Частота среза и рабочая полоса

Прямоугольный волновод пропускает волну только выше определённой частоты — частоты среза. Для основной волны она определяется шириной широкой стенки a: fc = c / 2a, где c — скорость света. Ниже частоты среза волна затухает и не проходит; значительно выше — появляются высшие типы волн, и тракт перестаёт работать предсказуемо.

Поэтому каждое сечение имеет свою рабочую полосу — примерно от 1,25 до 1,9 частоты среза. Узкая стенка обычно вдвое меньше широкой: от неё зависят потери и допустимая мощность, но не частота среза основной волны.

Как волна идёт по волноводу

В прямоугольном волноводе рабочей служит основная волна TE10: электрическое поле направлено поперёк широкой стенки, максимально в середине сечения и равно нулю у узких стенок. Поэтому по середине широкой стенки можно прорезать узкую продольную щель — ток через неё почти не течёт, и волна не выходит наружу. На этом построены измерительные линии и волноводно-щелевые антенны, где щели наоборот смещают, чтобы они излучали.

Типоразмеры WR

Сечения обозначают по американскому стандарту EIA буквами WR и числом — шириной широкой стенки в сотых долях дюйма. WR90 — это 0,90 дюйма, то есть 22,86 мм. В таблице — сечения из серии прямых волноводов KADAMM: ширина стенки, рассчитанная частота среза, рабочая полоса по каталогу и тип фланца.

Всего в серии прямых волноводов KADAMM 34 сечений — от метровых волн до 330 ГГц. Рабочая полоса каждого сечения укладывается в диапазон от 1,25 до 1,9 рассчитанной частоты среза — это легко проверить по таблице.

Волновод или кабель: потери

Главная причина выбрать волновод — потери. На частотах выше нескольких гигагерц даже толстый коаксиальный кабель теряет десятые доли децибела на метр, а волновод того же диапазона — в разы меньше. Сравнение на данных каталога KADAMM:

Для трассы в десятки метров от аппаратной до антенны на мачте разница — несколько децибел, то есть в разы по мощности. Поэтому радиорелейные станции с выносом радиомодуля в аппаратную соединяют с антенной эллиптическим волноводом: он гибкий на изгибах трассы, поставляется бухтой и имеет малые потери.

Мощность и пробой

Допустимая мощность волновода ограничена пробоем воздуха внутри и нагревом стенок. Чем больше сечение, тем выше предельная мощность, поэтому мощные передатчики нижних диапазонов работают с крупными волноводами. На пробой влияют влажность, пыль и неровности стыков: грязный фланец или неправильная прокладка становятся местом искрения. Избыточное давление сухого воздуха повышает запас по пробою и не пускает влагу.

Круглый волновод

Кроме прямоугольных применяют круглые волноводы. В них основная волна может иметь любую ориентацию поляризации, поэтому круглые волноводы используют во вращающихся сочленениях и облучателях, где нужны две поляризации или вращение. Переход с прямоугольного сечения на круглое делают плавным, чтобы не возбуждать высшие типы волн.

Как соединить волновод с кабелем

Приборы и радиомодули часто имеют коаксиальный выход, а тракт — волноводный. Их соединяют коаксиально-волноводным переходом: внутри перехода штырь от центрального проводника возбуждает волну в волноводе. Переход выбирают по сечению волновода, фланцу и серии коаксиального разъёма — рабочая полоса перехода обычно совпадает с полосой сечения.

Изгибы, скрутки и гибкие волноводы

Изгибы

Волноводный тракт поворачивают изгибами: в плоскости E (по узкой стенке) и в плоскости H (по широкой). Плавный изгиб даёт меньшее отражение, уголковый компактнее. В каталоге KADAMM есть плавные и уголковые изгибы для прямоугольных и двухгребневых волноводов.

Скрутки

Скрутка поворачивает сечение вокруг оси — например, на 90°, чтобы сменить ориентацию поляризации между узлами. Длина скрутки зависит от частоты: слишком короткая скрутка отражает волну.

Гибкие волноводы

Гибкие волноводы компенсируют неточности монтажа и вибрацию: их ставят между жёсткими узлами, на подвижных частях и у антенны. Скручиваемые гибкие волноводы можно не только изгибать, но и скручивать; бесшовные держат давление, но только изгибаются. Потери у гибких выше, чем у жёстких, поэтому длину их делают минимальной.

Двухгребневые волноводы

Н-образный, или двухгребневый, волновод — прямоугольный волновод с выступами-гребнями на широких стенках. Гребни снижают частоту среза основной волны и отодвигают высшие типы, поэтому рабочая полоса двухгребневого волновода — несколько октав вместо полутора. Его применяют в широкополосных измерительных трактах и антеннах; плата — большие потери и меньшая мощность, чем у обычного прямоугольного.

Российские и зарубежные обозначения

В отечественной документации сечения обозначают размерами в миллиметрах: волновод 23×10 соответствует WR90 (22,86×10,16 мм), 28,5×12,6 — WR112 (28,50×12,62 мм), 35×16 — WR137 (34,85×15,80 мм), 48×22 — WR187 (47,55×22,15 мм), 72×34 — WR284 (72,14×34,04 мм). Размеры в таблице каталога даны по WR, но по ширине широкой стенки легко найти соответствие: округлённые до десятых миллиметра размеры совпадают. Фланцы по ГОСТ и по международным стандартам не всегда стыкуются напрямую — для сопряжения используют переходные фланцы. При заказе указывайте и сечение, и тип фланца с обеих сторон узла.

Двухгребневые волноводы обозначают WRD с числом, которое указывает нижнюю границу рабочей полосы: WRD180 — от 18 ГГц, WRD580 — от 5,8 ГГц. Верхняя граница у них в 2–3 раза выше нижней.

Фланцы и герметизация

Секции соединяют фланцами. Тип фланца должен совпадать у всех узлов тракта: фланец с канавкой под уплотнение стыкуют с плоским, два плоских — через прокладку. Для наружных трактов под избыточным давлением применяют герметизируемые волноводы и уплотнительные кольца: сухой воздух или азот внутри не пускают влагу, которая резко увеличивает потери и вызывает пробой при большой мощности.

Прокладки из токопроводящей резины одновременно держат давление и не выпускают излучение через стык. Свободные фланцы при монтаже и хранении закрывают заглушками.

Типовые ошибки

• Сечение выбрали по одной частоте, а система работает в двух диапазонах — вторая полоса не проходит.
• Соседние узлы с разными фланцами соединили без переходного фланца — появилась щель и отражение.
• Наружный тракт без избыточного давления — влага внутри увеличила потери и привела к пробою.
• Гибкий волновод изогнули в плоскости H по радиусу для плоскости E — волновод деформирован.
• Тракт собрали с разным количеством прокладок на стыках — потери и КСВН скачут от сборки к сборке.

Материалы

• Медь — наименьшие потери, для точных и мощных трактов.
• Алюминий — легче, для больших сечений нижних частот и бортовой аппаратуры.
• Латунь — прочность и простота обработки для узлов сложной формы.
• Внутреннее серебрение снижает потери в миллиметровом диапазоне.

Что уточнить перед заказом

• Рабочие частоты — от них зависит сечение.
• Сечение и тип фланцев на соседних узлах тракта.
• Трассу: длины прямых участков, изгибы, скрутки, подвижные соединения.
• Мощность и нужна ли работа под избыточным давлением.
• Условия: аппаратная, мачта, борт, вибрации.
• Нужны ли переходы на коаксиальные разъёмы приборов и какие серии разъёмов на них.

Модели KADAMM

Все серии — в разделе «Волноводы» каталога KADAMM.

KADAMM · ВП

волноводы: прямые секции

Частоты	320 МГц – 330 ГГц
Моделей	34

Перейти к товару →

KADAMM · ВИ-П

волноводы: плавные изгибы

Частоты	1,72 – 330 ГГц
Моделей	50

Перейти к товару →

KADAMM · ВГ-С

волноводы: гибкие скручиваемые

Частоты	3,22 – 50,1 ГГц
Моделей	13

Перейти к товару →