Конструкция с диэлектрическими шайбами.

Форма диэлектрической шайбы выбирается такой, что бы при минимальном количестве материала, обладающего большими диэлектрическими потерями по сравнению с воздухом, достигнуть максимальной величины пробивного напряжения, а так же необходимой центровки внутреннего проводника коаксиальной линии. В начале рассмотрим конструкцию жесткой коаксиальной линии с диэлектрической шайбой простейшей формы Рис.10 (а). Такая шайба вызывает изменение волнового сопротивления и нарушает однородность линии. Шайбу можно представить в виде участка линии длиной с волновым сопротивлением и паразитной емкостью Рис. 10 (б).

Рис. 10. Диэлектрическая опорная шайба простейшей формы в коаксиальной линии (а) и ее схема замещения отрезком линии и емкостью (б): 1 - внутренний проводник; 2 - внешний проводник; 3 – диэлектрическая опорная шайба

Для компенсации параллельной емкости (для согласования волновых сопротивлений шайб и линий) на участке линии занимаемом шайбой изменяют диаметры проводников линии Рис.11. Степень компенсации слабо зависит от частоты до тех пор пока 1313\* MERGEFORMAT () где,

- средняя длинна волны рабочего диапазона частот.

-действующая длина шайбы

Лекция 4.

где, - относительная диэлектрическая проницаемость шайбы в остальных случаях 1414\* MERGEFORMAT () (Рис.11). Размеры утопленных шайб выбираются таким образом что бы волновой сопротивление на участке шайбы было бы равно волновому сопротивлению самой линии. Например для шайбы представленной на Рис.11 волновое сопротивление 1515\* MERGEFORMAT (). Для уменьшения отражений от шайбы а так же в случае когда из конструктивных соображений размер s выбирается больше расчетного уменьшают действующее значение диэлектрической проницаемости шайбы путем удаления части диэлектрика (выточки, проточки на шайбе Рис.12).

Рис. 12. Диэлектрическая шайба с выточкой

Для повышения прочности коаксиальной линии довольно часто применяют диэлектрическую шайбу представленную на Рис.13.

Рис. 13. Диэлектрическая шайба с повышенной электрической прочностью

Такая шайба позволяет получить электрическую прочность коаксиальной линии того же порядка что и при использовании «металлических изоляторов». Такая шайба как правило получается из целого куска Фторопласта-4 а закрепляется на проводнике при помощи плотной посадки. Основным элементом шайбы препятствующим появлению поверхностного разряда является «ступица» А.

Прямоугольный волновод. Основные понятия.

В сантиметровом а так же в части дециметрового (<30см) потери в коаксиальной линии значительно увеличиваются. Поэтому с целью уменьшения потерь для передачи эл-маг энергии применяют волноводы. Волновод представляет собой полую металлическую трубу которая в зависимости от формы поперечного сечения бывает прямоугольной, круглой, эллиптической «П» и «Н» образной. Основные преимущества волноводов следующие

1. Наибольшая простота и жесткость конструкции, причем его однородность по длине обеспечивается легче чем в случае двух проводной или коаксиальной линии.

2. Волновод не имеет потерь на излучение поскольку эл-маг поле целиком заключено внутри металлической трубы. Это выполняется в том случае когда толщина стенок превышает глубину проникновения поля в металл, что выполняется практически во всех встречающихся случаях.

3. Поскольку отсутствует внутренний проводник, то отпадает необходимость введения специальных опор и соответственно исключаются потери в диэлектрике, часто препятствующие применению таких линий на весьма высоких частотах.

4. Потери в стенках волновода должны быть меньше чем потери в проводниках обычных линий, например коаксиальных. Это связано с отсутствием внутреннего проводника малого диаметра с большой плотностью тока.

5. Электрическая прочность волноводов выше чем у коаксиальной или двух проводной линии, поскольку увеличен путь возможного электрического пробоя в области максимальной напряженности электрического поля.

Наибольшее применение нашли прямоугольные волноводы так как они вносят наименьшие искажения в распределение эл-маг поля. При анализе прямоугольного волновода применим обозначения приведенные на Рис.14

Рис. 14. Прямоугольный волновод

Передача энергии в прямоугольном волноводе, как и в случае коаксиальной линии должна осуществляться в направлении оси Z. Причем распространение эл-маг волн можно рассматривать как результат многократных отражений от параллельных проводящих поверхностей т.е. стенок волновода Рис.15

Рис. 15. Распространение волны между параллельными проводящими поверхностями: в случае (а) отношение меньше, чем в случае (б)

Чем ближе длинна волны подходит к критической тем меньше угол падения . Наконец в критическом режиме ( ) волна падает нормально к поверхности и отражаясь от противоположной плоскости создает резонанс в поперечном направлении, при этом переноса энергии в направлении Z не происходит. Поскольку волна типа ТЕМ распространяется по линии передач без отражений Рис.4, то в прямоугольном волноводе волна ТЕМ распространяться не будет. Следовательно в волноводе могут распространятся волны типа Е и Н. Независимо от того какие тип волн существуют в прямоугольном волноводе их продольные составляющие в поперечной плоскости будут характеризоваться так называемыми мембранными уравнениями. Такое название эти уравнения получили поскольку взяты из теории мембран. Мембранные уравнения имеют вид 1616\* MERGEFORMAT (). Для расчета распространения волн в прямоугольном волноводе необходимо найти решения частных решений мембранного уравнения. Частные решения для определенных граничных условий выбираются в виде произведения двух независимых функций, каждая из которых в свою очередь является функцией одной независимой переменной 1717\* MERGEFORMAT (), где - законы распределения законной составляющей вдоль оси х и у на расстояниях a и b Рис.14. Определим граничные условия для решения мембранного уравнения. Для этого необходимо рассмотреть распределение волн E и H с точки зрения их распространения на границе раздела двух сред (воздух-проводник).