HEM и TE/TM моды, Вопрос для знатоков Опции

[diomidovich]

Andreysar, спасибо за дискуссию.

Таким образом, правильно ли я понимаю, что:

1) В случае, если существуют и электрическая и магнитная компоненты поля в аксиальном направлении (НЕМ мода), как это есть в спиральных системах или в гофрированных системах на достаточно высоких частотах, или когда волновод заполнен диэлектриком (полностью или частично) то у такой НЕМ моды существует отсечка.

2) Для гофрированных структур - Если частоты достаточно низкие, такие что по периметру гофрированной структуры не укладывается больше половины длины волны, то ТЕ компонента отсутствует (не возбуждается осциллирующим по азимуту магнитным полем) и существует только ТМ компонента. В этом случае отсечка по частоте отсутствует. Получется в этом случае ТМ00 мода без отсечки, как какой-то частный стучай НЕМ моды (без ТЕ компоненты).

Получется, что ТМ00 есть с одной стороны замедленная в аксиальном направлении ТЕМ мода, а с другой стороны - можно сказать, что это НЕМ мода (замедленная мода) без ТЕ компоненты.

Самый простой ответ на Ваш вопрос - это спираль в трубе, или коаксиал со спиральной канавкой на наружном проводнике.
У такой зам системы есть продольная составляющая и у электрического и у магнитного поля, и раздельть их по модам не удастся, что и требовалось.

Или, например ЗС, рассмотренная нами в соседней ветке, где просто гофрированный центральный проводник: продольная составляющая электрического поля уже есть (см. мой рисунок). Теперь если диаметр коаксиала достаточно большой, так, что по периметру будет укладываться больше половины длины волны, то появится тип волны с продольной компонентой магнитного поля (на сколько я понимаю), что опять же и требовалось.

[andreysar]

Я немного запутался в Ваших рассуждениях, поэтому скажу как я понимаю.

В односвязных волноведущих системах существует отсечка для всех типов волн. (исключения: спираль и ее модификации, а также провод со слоем диэлектрика, на сколько я знаю). Самый прстой пример - прямоугольный волновод.

В двусвязых (например, таких как коаксиал), а тем более многосвязных, снизу отсечки нет для низшего типа волны, но у этих систем есть высшие типы волн, для которых снизу отсечка уже есть.

Замедляющая система - это та же самая волноведущая система, только более сложная. Тут могут быть, а могут и не быть смешанные моды.

Как в нашем рассматриваемом примере, добавление гофра к коаксиалу ведет к появлению продольной составляющей электрического поля, но магнитное поле остается поперечным для низшего типа. Но у того высшего типа волны в простом коаксиальном волноводе, у которого была продольная составляющая магнитного поля, в случае появления гофра появится продольная компонента электрического поля: получили волну с обеими продольными компонентами. Но у этой моды уже есть отсечка.

Кстати, у полностью заполненного диэлектриком прямоугольного волновода у низшего типа волны не будет продольной составляющей электрического поля. А остальные типы будут аналогичны тем, которые были у волновода без заполнения, только частоты отсечек сместятся.

И встречный вопрос: а зачем Вам именно иметь именно обе компоненты продольного поля? Обычно достаточно электрической.

[diomidovich]

У меня есть интерес (по работе) к пониманию особенностей СВЧ колебаний в коаксиальном гофрированном волноводе у которго гофрировка ориентирована как в аксиальном направлении, так и в азимутальном. В последнем случае это будет обычный многорезонаторный магнетрон.

В магнетроне (без связок), как я теперь понимаю, колебания происходят на низшем типе волны, которая является ТЕМ по существу, но замедленна в азимутальном направлении. Таким образом, гофрировка в азимутальном направлении приводит к появлению у низщего типа моды (ТЕМ волна коаксиального волновода) ещё и продольной составляющей магнитного поля, "но электрическое поле остаётся поперечным для низшего типа", пользуясь Вашей формулировкой.

Если говорить более конкретно - то вопрос в следующем: как сделать так, чтобы в коаксиальном волноводе с гофрировкой в азимутульном направлении (в магнетроне) иметь обе компоненты продольного поля, и магнитную которая уже есть, и электрическую в добавок. Без увеличения длины резонаторной системы и без существеного изменения конструкции анода и без работы магнетрона на высших модах.

Вот такая небольшая проблема.

Я немного запутался в Ваших рассуждениях, поэтому скажу как я понимаю.

В односвязных волноведущих системах существует отсечка для всех типов волн. (исключения: спираль и ее модификации, а также провод со слоем диэлектрика, на сколько я знаю). Самый прстой пример - прямоугольный волновод.

В двусвязых (например, таких как коаксиал), а тем более многосвязных, снизу отсечки нет для низшего типа волны, но у этих систем есть высшие типы волн, для которых снизу отсечка уже есть.

Замедляющая система - это та же самая волноведущая система, только более сложная. Тут могут быть, а могут и не быть смешанные моды.

Как в нашем рассматриваемом примере, добавление гофра к коаксиалу ведет к появлению продольной составляющей электрического поля, но магнитное поле остается поперечным для низшего типа. Но у того высшего типа волны в простом коаксиальном волноводе, у которого была продольная составляющая магнитного поля, в случае появления гофра появится продольная компонента электрического поля: получили волну с обеими продольными компонентами. Но у этой моды уже есть отсечка.

Кстати, у полностью заполненного диэлектриком прямоугольного волновода у низшего типа волны не будет продольной составляющей электрического поля. А остальные типы будут аналогичны тем, которые были у волновода без заполнения, только частоты отсечек сместятся.

И встречный вопрос: а зачем Вам именно иметь именно обе компоненты продольного поля? Обычно достаточно электрической.

В магнетроне со спиральным катодом - существует ли продольная компонента электрического поля в пространстве взаимодействия?

[andreysar]

Все не так.

В коаксиале волна бежит вдоль продольной оси. Если закоротить коаксиал с обоих концов будет стоячая волна, но она с точки зрения работы магнетрона бесполезна.

Зам система магнетрона - это гребенка, свернутая в кольцо. Волна в магнетроне бежит по кольцу. Поскольку система замкнурая, здесь тоже будет стояк, но волна, повторяю, совсем другая.
Чтобы было взаимодействие, добавлены еще два постоянных поля:
- электрическое аксиальное (т.е. по радиусу)
- магнитное, перпендикулярное электрическому, направленное соосно катоду.
Эти поля задают характеристики траекторий полета электронов.

Электроны летят по искаженным циклоидам и для них "продольным" полем будет - аксиальное электрическое СВЧ-поле волны, бегущей по кольцу. С магнитным полем СВЧ-волны электроны не взаимодействуют (ну или почти не взаимодействуют).

Если статические поля "неправильные" синхронизм теряется - взаимодействия нет. Поэтому, на сколько я знаю, тяжело сделать магнетроны с "длинными" катодами: магнитное поле на большой длине начинает разезжаться - взаимодействие на краях подает.

Зачем Вам оба продольных СВЧ-поля непонятно. И какие поля Вы в случае магнетрона считаете продольными?

[diomidovich]

Ну, не совсем так, всё-таки.

Это только в классическом магнетроне со связками длина анодного блока как правило ограничивается четвертью длины волны и вся резонаторная система (по длине) также не намного больше этой величины. Действительно, тогда по оси магнетрона (или коаксиала, внешняя поверхность которого гофрированна в азимутальном направлении) осевая компонента СВЧ поля есть стоячая волна (для низких частот) (или, вернее, вообще никакой волны нет, так как нет вариаций электрического поля по длине) а по азимуту - азимутальная компонента есть (для этих же и для всех остальных высших гармоник) бегущая волна.

Однако, уже в релятивистких магнетронах без связок, длина анодного блока, как правило, составляет половину длины волны, на которой магнетрон работает. При этом, существует два варианта вывода энергии из релятивистского магнетрона. Радиальный - через щель прорезанную по длине задней стенки одного из резонаторов анодного блока, и аксиальный - когда тот торец магнетрона, который противоположный тому, откуда подаётся импульс напряжения, полностью открыт и переходит в цилиндрический волновод (антенну).

В последнем случае - коаксиал уже не закорочен со стороны выхода СВЧ мощности и волна образуется не стоячая, а бегущая. Если теперь у такого магнетрона увеличить длину анодного блока, до какой степени - это другой вопрос, то тем более волна будет не стоячая, а бегущая в двух перпендикулярных направлениях - в азимутальном и в аксиальном.

Нерелятивистские магнетроны также делаются и с длинными катодами и серийно производятся, например, в Англии, e2v. Там, конечно, связки (straps) не работают, но есть другие технологии, которые позволяют магнетронам с длинным катодом (больше половины длины волны) вполне нормально функционировать. Электрическая компонента СВЧ поля по оси магнетрона в этом случае ненулевая, но волна стоячая, так как резонатор закрытый со всех сторон.

Теперь ответ на Ваш вопрос. В случае коаксиального магнетрона продольными полями я называю поля направленные по оси магнетрона параллельно катоду и перпендикулярно радиальному электрическому полю. В классическом магнетроне со связками (~1/4 длины волны) и с гладким цилиндрическим катодом предполагается существование только продольного магнитного поля.

Теперь я задаюсь следующим вопросом - каким образом в классическом (ну, и в релятивистком так-же) магнетроне организовать также и продольное ненулевое электрическое поле осциллирующей СВЧ волны, тем или иным способом (не увеличивая длину анода). И ещё "меня терзают смутные сомнения" - а не возникает ли продольное электрическое поле в классическом магнетроне со связками и со СПИРАЛЬНЫМ катодом, который, в общем-то, есть элемент винтовой замедляющей системы расположенной на оси резонаторной системы магнетрона.

[andreysar]

А Вы не боитесь того, что при введении замедления поперек магнетрона, т.е. вдоль оси, сократится длина катода (при той же длине в лямбдах), а следовательно уменьшится ток, а следовательно уменьшится и мощность?

В случае спирального катода продольное электрическое поле несомненно возникнет, но оно будет больше "прижато" к катоду, в то время, как основное СВЧ-поле, с которым взаимодействуют электроны ближе к аноду. Может не получиться заметного эффекта. Не говоря уже о больших сложностях (в моем понимании), связанных с изготовлением и работой металлопористого катода очень сложной формы.
Так, что лучше все делать на аноде.

Делайте в аноде вместо чисто поперечных (т.е. продольных в Вашем понимании, т.к. они параллельны оси) канавок или резонаторов, наклонные, т.е. по спирали слегка или сильно, и будете несомненно иметь "продольное" электрическое поле.
Но тогда вопрос: чтобы взаимодействовать с этим полем электроны должны иметь компоненту скорости вдоль него? Т.е. электроны должны смещаться вдоль оси?