13.2. Возбуждение электромагнитных волн в линиях передачи

Для возбуждения волн в линиях передачи используют спе­циальные элементы, называемые возбуждающими устройст­вами, а для вывода энергии из линии применяют устройства свя­зи с внешними нагрузками. Отметим, что в качестве возбуж­дающих устройств и устройств связи с. внешними нагрузками в технике СВЧ используют одни и те же элементы. Это следует из теоремы взаимности, рассмотренной в гл.5 для случая двух излу­чателей, расположенных в изотропной среде. Эту теорему можно распространить на линии передачи с устройствами ввода и вывода энергии при условии, что и линия, и эти устройства не содержат анизотропных (невзаимных) элементов.

На практике для ввода или вывода энергии из волновода ис­пользуют достаточно малые элементы, содержащие или электрический (рис. 13.4, а)

или магнитный в виде малой рамки (рис. 13.4, б) вибратор. Обычно такие вибраторы конструктивно объединяются с коаксиальной линией, ис­пользуемой или для подвода энергии к виб­ратору, или для отвода энергии, прини­маемой вибратором. В тех случаях, когда две линии передачи имеют общую метал­лическую стенку (см. рис.13.13), передать часть мощности из одной линии в другую можно с помощью отверстия, прорезанного в общей стенке.

Электрический вибратор (рис. 13.4, а) будет принимать энер­гию электромагнитного поля из волновода и передавать ее в коак­сиальную линию, если электромагнитная волна, распространяю­щаяся в волноводе, будет вызывать в нем ток. Для получения наи­большего тока вибратор следует поместить в пучность электри­ческого поля волны в волноводе параллельно линиям вектора Е. Аналогично наибольшая связь рамки (рис. 13.4, б) с полем волны в волноводе будет в случае наведения в ней полем волны макси­мальной ЭДС. Для этого рамку помещают в пучность магнитного поля волны в волноводе так, чтобы ее плоскость была перпенди­кулярна вектору В. Очевидно, при возбуждении волн в линии сле­дует помещать электрический вибратор с током в пучность элек­трического поля параллельно линиям вектора Е возбуждаемой волны, а рамку с током- в пучность магнитного поля, располагая ее плоскость перпендикулярно вектору В. Используя эти правила и зная структуру поля возбуждаемой волны или волны, распростра­няющейся по волноводу, несложно построить конструкцию возбу­ждающего устройства или устройства связи волновода с внешней нагрузкой.

Возбуждение с помощью электрического вибратора. Кон­струкция устройства для возбуждения волны Н_ю в прямоугольном волноводе показана на рис. 13.5, где внешний проводник коак­сиальной линии соединен со стенкой волновода. Строгое эле­ктродинамическое решение задачи о возбуждении волн в волноводе

весьма громоздко (см., например, [14]) и здесь не приводится. Пусть по коаксиальной линии распространяется TЕМ-волна, пере­носящая энергию сигнала от генератора. Эта волна вызывает ток в электрическом вибраторе, вследствие чего в волноводе возбуж­дается электромагнитное поле. Примерная структура электрических силовых линий поля вблизи вибратора показана на рис.13.5. Воз­буждаемое в волноводе поле можно представить в виде су­перпозиции волн типов Е и Н. При расположении вибратора в се­редине широкой стенки в волноводе будут возбуждаться только те волны, у которых в середине поперечного сечения при х=а/2 на­ходится пучность электрического поля, т.е. волны H₁₀, Н₃₀, Н₁₁, Е₁₁ и т.д., и не будут возбуждаться волны с четным первым индексом {Н₂о, Н₄₁, E₂₁ и т.д.). Если выбрать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы, то по волноводу смо­жет распространяться только волна Н₁₀, поля всех остальных воли будут реактивными: они сосредоточены вблизи вибратора и на не­котором расстоянии от него пренебрежимо малы. Поэтому вибра­тор возбуждает в волноводе две волны Н₁₀, бегущие в разные сто­роны, причем на одинаковом расстоянии от вибратора амплитуды и фазы векторов Е этих волн будут одинаковыми. Чтобы вся энер­гия, поступающая в волновод, направлялась в одну сторону, на некотором расстоянии l от вибратора осуществляют режим корот­кого замыкания (рис.13.5). При этом в волноводе справа от вибра­тора будут распространяться две волны Н₁₀ с одинаковыми ампли­тудами векторов Е, а сдвиг по фазе этих векторов зависит от вели­чины l. Величину l подбирают так, чтобы сдвиг по фазе векторов Е волн в любом сечении, правее вибратора, был кратен 2π. Требуе­мое фазовое соотношение можно записать в виде 2βl+π=2πп, где n= 1,2,...; β=2π/Λ. При записи этого соотношения учтено, что при падении плоской волны на идеальную металлическую поверхность фаза вектора Е отраженной волны изменяется на п по отношению к фазе вектора Е падающей волны. Поэтому l=(2п-1)Λ/4. Обычно выбирают. n=1, для которого l=l_min=Λ/4. Отметим, что если вы­брать l кратным Λ/2, то сдвиг по фазе между векторами Е волн справа от вибратора будет равен нечетному числу π. Вследствие этого волны гасят друг друга и энергия из коаксиальной линии в волновод не поступает, она полностью отражается от возбуждаю­щего устройства, т.е. в коаксиальной линии устанавливается стоя­чая волна. Наличие зазора между вибратором и широкой стенкой волновода (см. рис.13.5), где концентрируется электрическое поле, снижает электрическую прочность возбудителя. Поэтому, как пра­вило, длину вибратора делают равной высоте волновода. Отме­тим, что место соединения коаксиальной линии с волноводом представляет собой неоднородность и приводит к появлению от­раженной волны в коаксиальной линии. Для компенсации этой отраженной

волны расстояние l делают несколько отличающимся от Λ/4. Как показывает анализ [14], увеличение диаметра вибратора позволяет уменьшить частотную зависимость активной состав­ляющей входного сопротивления в мес­те соединения коаксиальной линии с волноводом и снизить величину его ре­активной составляющей. Это способст­вует широкополосному согласованию возбудителя с коаксиальной линией. Наибольшую электрическую прочность и наибольшую полосу согласования уда­ется получить при использовании возбудителя пуговичного типа (рис. 13.6), где для расширения полосы согласования применен изменяющийся диаметр вибратора и до­полнительный согласующий элемент- индуктивная диафрагма.

В тех случаях, когда в качестве рабочего типа волны в волно­воде применяется один из высших типов волн, для подавления более низших типов волн в таком волноводе используют специ­альные устройства -так называемые фильтры типов волн. Обыч­но для подавления нежелательного типа волны в плоскости попе­речного сечения волновода размещают один или несколько тонких металлических проводников, параллельных линиям электричес­кого поля подавляемой волны (рис. 13.7). Энергия, переносимая по волноводу нежелательной волной, отражается от проводников об­ратно. Как правило, подобные фильтры включают в конструкцию возбуждающего устройства. На рис. 13.8 показано устройство для возбуждения волны Н₂о в прямоугольном волноводе. Используют­ся два электрических вибратора, введенные в места, где должны находиться пучности электрического поля волны Н₂о. Длины отрез­ков коаксиальной линии от точки разветвления до точек соедине­ния с вибраторами выбирают отличающимися на λ/2. В этом слу­чае, при распространении волны по коаксиальной линии, токи в вибраторах будут иметь одинаковые амплитуды, а их фазы будут отличаться на π. При этом в волноводе будут эффективно возбуж­даться волны Н₂о, Я₄₀,... и затруднено возбуждение волн с нечет­ным первым индексом Н₁₀, Н₃о..... Выбором размеров волновода

создают предельный режим для всех волн, кроме Н₂₀ и Н₁₀. Ме­таллическая пластина, помещенная посередине волновода парал­лельно его узким стенкам, предотвращает распространение неже­лательной в данном случае волны Н₁₀. На расстоянии l=Λ/4(Λ-длина волны Н₂о в волноводе) помещают металлическую пластину, обеспечивающую режим короткого замыкания на конце волновода. На рис. 13.9 показана конструкция возбуждения волны Н₁₁, а на рис.13.10-волны Е₀1 в круглом волноводе. В конструкции рис. 13.9 перпендикулярно оси волновода на расстоянии l=Λ/4(Λ-длина волны Н₁₁ в круглом волноводе) от вибратора устанавливается металлическая пластина.

Возбуждение с помощью малой рамки. Одна из возможных схем возбуждения волны Ню в прямоугольном волноводе показана на рис.13.11. Малая рамка (рис. 13.4, б), радиус которой много меньше длины волны, вводится в середине широкой стенки так, что ее плоскость параллельна узким стенкам волновода. При рас­пространении ТЕМ-волны по коаксиальной линии в рамке про­текает ток. Примерная картина магнитных силовых линий, возни­кающих при этом в волноводе, показана на рис.13.11. Если вы­брать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы, то рамка будет создавать в волноводе две волны Ню, бегущие в разные стороны. При этом на одинаковом рас­стоянии от рамки векторы Н этих волн будут иметь одинаковые амплитуды и фазы, а векторы Е будут иметь одинаковые ампли­туды, а их фазы будут отличаться на π. Чтобы энергия, посту­пающая в волновод, направлялась в одну сторону, в волноводе на

расстоянии l=nΛ/2(n=1,2,3,...) от рамки устанавливают перпен­дикулярно его оси металличе­скую пластину. Обычно выби­рают l = l_тiп=Λ/2.

На рис. 13.12 показана еще одна схема возбуждения волны Н₁₀: рамка вводится через узкую стенку, а ее плоскость совпада­ет с плоскостью поперечного сечения. Там же показана при­мерная картина силовых линий магнитного поля, возникающего вблизи рамки при протекании по ней электрического тока. В этом случае векторы Е волн Н₁₀, рас­пространяющихся в разные сто­роны от рамки, на одинаковом расстоянии от нее будут иметь равные амплитуды и фазы. По­этому обычно величина l выби­рается равной l_min =Λ/4.

Возбуждение с помощью отверстия связи. При конст­руировании ряда волноводных устройств для обеспечения свя­зи между двумя волноводами используют малые (диаметр зна­чительно меньше длины вол­ны) отверстия в их общей стен­ке. Такие отверстия незначи­тельно нарушают структуру по­ля распространяющейся по вол­новоду волны. В первом при­ближении можно считать, что через малое отверстие в стенке волновода ответвляется нор­мальная к плоскости отверстия составляющая электрического поля и касательная - магнитного поля, существующих в волново­де. На рис. 13.13 показана связь двух прямоугольных волново­дов, работающих в одноволновом режиме, через отверстие в общей узкой стенке, вблизи кото­рой существует лишь продольная составляющая магнитного поля волны Н₁₀. Сопоставление рис. 13.12 и рис. 13.13 показывает весь­ма значительное сходство между структурами ответвляющегося магнитного поля и магнитного поля, создаваемого рамкой. Поэтому возбуждение через отверстие (см. рис. 13.13) эквивалентно возбу­ждению с помощью рамки (см. рис.13.12). В общем случае, когда через отверстие ответвляются как электрические, так и магнитные силовые линии (например, отверстие прорезано в общей широкой стенке волноводов), возбуждение через отверстие эквивалентно одновременному возбуждению электрическим излучателем и рамкой.