§ 7. Понятие о коэффициентах бегущей и стоячей волн

В случае, если нагрузка линии содержит активное и реактивное сопротивления, а также в том случае, если нагрузкой является активное сопротивление, величина которого отличается от волнового сопротивления линии, электромагнитная энергия уже не вся поглощается нагрузкой. Тогда только часть энергии бегущих волн поглощается нагрузкой, а остальная часть энергии возвращается к генератору в виде отраженных волн. Поскольку падающая и отраженная волны распространяются с одинаковой скоростью, то при их сложении, наряду с бегущей волной, образуется стоячая волна.

Для оценки качества согласования применяется понятие коэффициента отражения, которым обозначается отношение напряжения (или тока) отраженной волны к напряжению (или току) падающей волны в месте отражения:

Соотношения между амплитудами бегущей и стоячей волн характеризуются коэффициентом бегущей волны (К_бв) и коэффициентом стоячей волны (К_св).

Коэффициент бегущей волны К_бв представляет собой отношение минимального значения амплитуды напряжения U_min (или тока I_min) в линии к его максимальному значению U_max (или I _max) (рис. 3.2.6).

К_бв = = ;

Величина К_св обратна величине К_бв :

К_св = = ;

Рис. 3.2.6. К определению коэффициентов бегущей и стоячей волн

Если в линии бегущая волна отсутствует, а существует только режим стоячей волны, то U_min = 0, и K_бв = 0.

При отсутствии стоячей волны U_min= U_max . В этом случае K_бв = 1.

Глава 3. Передача энергии свч

Для передачи энергии СВЧ обычно применяются коаксиальные кабели и волноводы.

§ 1. Коаксиальные кабели

Конструкция коаксиального кабеля приведена на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. Конструкция коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель состоит из внутреннего проводника, твердого высокочастотного диэлектрика, внешнего коаксиального проводника и пластмассовой защитной оболочки. Обычно в качестве диэлектрика используется полиэтилен. Внешний проводник выполняется в виде оплетки из тонких голых медных проволок. Защитная оболочка предохраняет внешний проводник от окисления и механических повреждений.

Из-за воздействия поверхностного эффекта ток СВЧ проходит по внутреннему проводнику и внутренней поверхности внешнего проводника. Наружная поверхность внешнего проводника имеет нулевой потенциал, что упрощает прокладку линий.

Волновое сопротивление применяемых на практике коаксиальных кабелей обычно составляет 50 – 90 ом.

К достоинствам коаксиальной линии относятся:

• отсутствие излучения энергии;

• экранирование от внешних электромагнитных полей;

• стабильность параметров.

Коаксиальные кабели используются для передачи СВЧ энергии при длине волны свыше 10 см. При длине волны короче 10 см заметно увеличиваются потери энергии во внутреннем проводнике за счет повышения его сопротивления, вызванного влиянием поверхностного эффекта. Увеличиваются также потери в диэлектрике кабеля.

§ 2. Волноводы

Поскольку наличие внутреннего проводника и полиэтиленовой изоляции в коаксиальном кабеле делает невозможным использование кабеля для передачи энергии СВЧ при длине волны менее 10 см, то становится очевидным, что в таких случаях необходимо использовать линию передачи, не имеющую внутреннего проводника. Такая линия называется волноводом. Волновод представляет собой полую латунную трубу с посеребренной или позолоченной внутренней поверхностью. При использовании волноводов сохраняются все преимущества, присущие коаксиальным линиям. Благодаря отсутствию внутреннего проводника и диэлектрика, в волноводе исключены потери энергии, ограничивающие применение коаксиальных кабелей.

П ринцип передачи энергии по волноводу основан на свойствах длинных линий. Если к проводам длинной линии подключить четвертьволновый короткозамкнутый отрезок линии, то это не повлияет на работу линии, т. к. входное сопротивление этого отрезка бесконечно велико (рис. 3.3.2).

Рис. 3.3.2. Принцип передачи энергии

по волноводу

Увеличивая количество таких четвертьволновых отрезков, можно получить сплошную конструкцию длинной линии прямоугольного сечения – волновод (рис. 3.3.3).

Рис. 3.3.3. Волновод

Для каждого волновода существует критическая длина волны λ_кр, при которой возможна передача СВЧ энергии. Величина критической длины волны λ_кр определяется размером широкой стенки волновода (b):

λ_кр = 2b;

Таким образом, для передачи электромагнитной энергии размер “b” широкой стенки волновода должен составлять не менее половины длины волны передаваемых колебаний.

Если длина волны передаваемых колебаний будет больше критической, то длина короткозамкнутых отрезков длинной линии, образующих стенки волновода, окажется меньшей, чем λ/4, и величина входного сопротивления каждого такого отрезка уже не будет бесконечно большой. Входное сопротивление короткозамкнутых отрезков станет недопустимо малым, и электромагнитная энергия вдоль волновода распространяться не будет.