книги / Элементы и устройства систем низких и сверхвысоких частот

Е.М.Мазеева

М.А.Фурсаев

АЛГОРИТМ СИНТЕЗА ДВУХСТОРОННЕГО ТРАНСФОРМАТОРА СОПРОТИВЛЕНИЙ НА ОТРЕЗКАХ ДЛИННОЙ ЛИНИИ

При проектировании радиоэлектронных устройств СВЧ диапазона приходится решать задачу синтеза двухсто­ роннего трансформатора сопротивлений, представляющего собой пассивный четырехполюсник, который должен обес­ печивать :

- при заданной величине проводимости нагрузки Ya, подключенной к одному, например, правой стороне этого четырехполюсника, как показано на рис.1,а, заданную величину входной проводимости Yc, измеряемую на левой его стороне;

- при заданной величине проводимости нагрузки YB, подключенной к противоположной, левой стороне этого четырехполюсника, также заданную величину входной проводимости Yd/ измеряемую на правой его стороне.

Рис.1

В простейшем случае такой трансформатор сопротив­ лений представляет собой отрезок длинной линии, со­ стоящей из двух участков, каждый из которых характе­ ризуется величиной волновой проводимости и электриче­ ской длиной. Величины этих параметров подлежат опре­ делению при решении задачи синтеза. Ниже рассматрива­ ется решение задачи синтеза двухступенчатого, двух­ стороннего трансформатора сопротивлений на отрезках

Решение системы уравнений (5) и (б) позволяет за­

тем определить значения функций tgcpi и tgcp2, а, следо­

вательно, и длину отрезков длинной линии трансформа­

тора. Ими являются действительные части корней урав­

нений (3) и (4). Каждое из этих уравнений даст по два

решения. Поэтому возможны четыре сочетания значений

tgcpi и tgcp2. Критерием выбора сочетания, являющегося решением задачи синтеза, служит удовлетворение им со­ отношений (1) и (2) .

Очевидно, при решении системы уравнений (5) и (б) варьирование значениями проводимостей Yi и Y2 должно

проводиться в определенном интервале, зависящем от

вида длинной линии, формирующей трансформатор. Так, данные на рис.2 приведены для случая выполнения трансформатора на отрезках микрополосковой линии, ис­ пользующей подложку из коликора толщиной 1 мм. Прак­ тически реализуемая ширина полосков такой линии обес­ печивается в интервале значений волновых проводимо­ стей 0,02 - 0,14 См. Как следует из рис.2, при приве­

выполнения трансформатора сопротивлений. Если при за­ даваемых значениях проводимостей Ya, YB, Yc и Y* реше­

мостей, используемого в трансформаторе типа длинной линии, необходимо искать другой вариант выполнения трансформатора сопротивлений.

ЛИТЕРАТУРА

1.Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. 4.1 Линейные электрические цепи. М.: Энергия, 1970.

СОГЛАСУЮЩИЙ ПЕРЕХОД СО СТАНДАРТНОГО ВОЛНОВОДА НА Н-ВОЛНОВОД

Основное условие при проектировании СВЧ нагрева­ тельных систем равномерного нагрева на волноводах сложного сечения (ВСС) - неотражающая передача в ра­ бочую камеру (РК) СВЧ мощности от генератора, выход которого, как правило, выполнен на отрезках стандарт­ ных волноводов (СВ) ( прямоугольный, цилиндрический, коаксиальный). Для выполнения данного условия, как правило, создают плавные нелинейные согласующие пере­ ходы (СП) между СВ и ВСС. Для расчёта геометрии со­ гласующего перехода необходимо решить обратную внут­ реннюю краевую задачу электродинамики для ВСС.

Наиболее простой способ нахождения оптимальной геометрии перехода - графоаналитический метод [1,2]. Это наиболее упрощённый и наглядный метод получения оптимальной геометрии, так как результаты расчета собственных электродинамических параметров Ас0, Aci, и 5 (где: Ас0 -критическая длина волны основного типа по

различных конфигураций поперечного сечения ВСС пред­ ставлены в одной системе. Данное решение приведено в работе [1] . Но в большинстве случаев, когда определя­ ется геометрия сложного согласующего перехода, ре­ зультаты решения ВКЗЭ представить в одной системе не удаётся, а это усложняет определение геометрии пере­ хода . Примером такого сложного перехода является СП между прямоугольным и Н - волноводом. При выборе со­ гласующего перехода исходили из того, что Н волновод нашёл широкое применение в СВЧ энергетики в установ­ ках равномерного нагрева листовых диэлектрических ма­ териалов, что позволяет пропускать обрабатываемый ма­ териал по центру емкостного зазора, так как эта об­ ласть имеет однородность электрического поля основной волны Н - волновода. В связи с этим, расчёт геометрии конструкции согласующего перехода ПрВ - НВ было реше­ но проводить автоматизированным численным расчётом.

В связи с этим/ при определении оптимальной гео­ метрий СП ПрВ-НВ наиболее рациональным является авто­ матизированный расчёт продольной формы перехода.

В основе расчета геометрии СП ПрВ - НВ лежат зави­ симости :

конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок, после чего были занесены в память компьютера в виде трёхмерной матрицы с помощью про­

Ac0(z) и Aci(z), которые соответствуют данной геометрии

продольная координата, определяющая направление рас­ пространения волны) .

Второй подход в создании согласующего перехода ПрВ-НВ основан на задании характера изменения крити­

и автоматически определяются значения t/a(z), d/b(z), a(z), то есть геометрия перехода. При этом, оптималь­ ной геометрией будет та, у которой максимально плавно изменяется продольная геометрия перехода. Поскольку при решении данной задачи величины Ас0свг Ас1св и Ксовсс, Aciacc заданы, то кривых соединяющих точки Ас0сВ/ AciCB/ а также Асовсс, AdBCC - и удовлетворяющих условиям (2) бесконечно много. В связи с этим, оптимизация геомет­ рии перехода в данном случае представляет наиболее трудоемкую часть задачи.

Пример самого простого перехода приведён на рис.1, изменение его геометрических параметров - t(z), d(z),a(z) носит линейный характер.

t

Рис.1 Конфигурация перехода с линейным изменением геометрических параметров

Существенным недостатком данного перехода является малая полоса пропускания доминантного диапазона длин

полоса пропускания такого перехода ДА, как показали исследования, составляет не более 70% от полосы про­ пускания доминантного диапазона длин волн прямоуголь­ ного волновода. Несмотря на это, такой переход может использоваться при создании СВЧ нагревательных уста­ новок на основе квазистационарных волноводов сложного сечения, так как допустимый диапазон длин волн волн отведённый для целей СВЧ - энергетики А0±2,5%, что значительно ниже полосы пропускания данного перехода.

Добиться максимальной полосы пропускания перехода ПрВ - НВ можно только путем нелинейного изменения со­ гласующего перехода, которое по характеру изменения геометрических параметров в направлении распростране­ ния волны можно разделить на три типа:

1)переход с нелинейным изменением Н выступов (верх­ него и нижнего) и линейным изменением внешней геометрии Н волновода (переход А типа);

2)переход с линейным изменением Н выступов и нели­ нейным изменением внешнего профиля (переход В ти­ па) ;

3)переход с одновременным нелинейным изменением как внутренней так и внешней формы согласующего пере­ хода (переход D типа).

Существенное влияние на диапазонные свойства СП оказывает изменение формы Н выступов, что позволяет

зования в конструкции СВЧ нагревательных установок исходят из технологии термообработки и габаритов нагреваемого материала.

В данной работе были рассчитаны геометрии перехо­ дов в которых критические длины волн основного и пер­ вого высшего типов линейно изменяются по длине пере­

длин волн основного и первого высшего типа по длине

зволяет уменьшить отражение СВЧ мощности, вызванное продольным изменением геометрии перехода. Одно из главных достоинств данного перехода является простота его изготовления, благодоря чему его можно успешно использовать в СВЧ нагревательных установках на осно­ ве Н волновода.

Теперь рассмотрим случаи, когда внутренняя геомет­ рия согласующего перехода ПрВ—НВ получена изменением

ПрВ-НВ

в

Рис.2. Продольный профиль СП ПрВ-НВ а- полоса пропускания перехода,; б- вид сверху, t/a - переменно; в- вид сбоку, d/b-переменно

а

б

ПрВ-НВ

60

40

-40 -60

Z/L

В

Рис.З. Продольный профиль СП ПрВ—НВ. а- полоса пропускания перехода, б - вид сбоку, d/b-переменно; в- вид сверху t/a переменно