3.2.5.5 Согласующие устройства (реактивные диафрагмы и штыри, компенсирующий реактивный контур и трансформатор).

Общая теория и методы согласования были изложены ранее в разделе 3.2.2. Здесь приведем конструкции наиболее часто используемых согласующих устрой-ств и принципы их работы.

Реактивные диафрагмы.

Диафрагмами называют тонкие металлические пластины, введенные перпе-ндикулярно оси линии передачи и перекрывающие часть ее поперечного сечения.Они широко применяются как согласующие устройства, элементы связи в объем-ных резонаторах, в фильтрах, замедляющих структурах и других устройствах. На рис. 5.5,а.б,в показаны индуктивная (a), емкостная (б) и резонансная (в)диаф-рагмы в прямоугольном волноводе.

Рис.5.5,а,б,в

Как известно, у волны типа H₁₀составляющие электрического и магнитного полей не зависят от координатыy. Введение индуктивной диафрагмы не нарушает регулярности волновода вдоль этой оси. Поэтому все составляющие электромагнитного поля, образующиеся в результате дифракции волны H₁₀ на диафрагме, не должны зависеть от координатыy, т.е. поле в окрестностях диафрагмы описывается суперпозицией волн типа H_m0. А отсутствие вариаций поля по координате yпредопределяет невозможность возбуждения поля волн типа H_mn.Кроме того, такая диафрагма (рис. 5.5, а), не перекрывающая центральную часть волновода, где напряженность электрического поля имеет максимальное значение, воздействует только на магнитное поле, концентрируя его в области прозрачного окна. По своему воздействию на магнитное поле такая диафрагма аналагична индуктивности, откуда и получила соответствующее название. Реактивная проводимость любого элемента, концентрирующего магнитное поле назависимо от конструкции, носит индуктивный характер.

Емкостный характер проводимости объясняется следующим образом. Между верхней и нижней половинками диафрагмы (рис. 5.5,б),а также вблизи нее, образуются искривленные в продольной плоскости силовые линии электрического поля, т. е. эта диафрагма воздействует в основном только на электрическое поле. Поэтому реактивное поле вблизи диафрагмы состоит преимущественно из нераспространяющихся волн типаE, а ее проводимость носит емкостный характер, что отражено соответствующей эквивалентной схемой.

Диафрагма, изображенная на рис.5.5,в образована совмещенными в одной плоскости индуктивной и емкостной диафрагмами. Поэтому эквивалентная схема этой диафрагмы имеет вид параллельного контура. Диафрагма называется резонансной, если реактивная проводимость диафрагмы для волны H₁₀равна нулю.В этом случае падающая волна проходит через диафрагму без отражений. Проводимость диафрагмы, как и у обычного параллельного контура на частотах выше резонансной, имеет индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной- емкостный характер. На определенной частоте наступает резонанс, т.е. равенство электрической и магнитной реактивных энергий, и электромагнитное поле безпрепятственно проходит через диафрагму. Размеры окна для обеспечения резонанса на данной частоте f₀приближенно определяются из условия согласования основной волны;при этом считается, что одновременно достигается равновесие в реактивных полях высших волн.

Реактивный стержень (штырь)

Реактивным стержнем ( штырем)называется металлический проводник, вве-денный в волновод. Для начала рассмотрим тонкий стержень (радиус проводника которого много меньше длины волны в прямоугольном волноводе), ось которого параллельна , а высота равна его узкой стенкиb (рис. 5.6). В этом случае введе-ние штыря не нарушает регулярности волновода вдоль оси yи ближнее поле, как и в случае индуктивной диафрагмы, полностью описывается волнами типа H_mn.

Рис.5.6

Полное поле в волноводе , образовавшееся в результате дифракции волны H₁₀ на штыре, является суперпозицией первичного падающего типа H₁₀и вторичного, получающегося в результате действия токов, наведенных в штыре первичным полем. Так как силовые линии магнитного поля волны H_mnперпендикулярны оси штыря, то ток проводимости ориентирован параллельно оси штыря. Т. е., по сути, введение в волновод штыря, у которого =b, соответствует велючению в длинную линию индуктивности. Поэтому рассматриваемый штырь является индуктивным. Когда высота штыря меньше расстояния между широкими стенками воновода, то картина несколько меняется. В этом случае штырь можно рассма-ривать как отрезок однопроводной линии передачи. В зазоре между торцом штыря и широкой стенкой волновода образуется повышенная концентрация энергии электрического поля, т.е. штырь нагружен на торцевую емкость. Так как штырь предполагается весьма тонким, то эта емкость невелика. Поэтому распределение тока вдоль штыря близко к синусоидальному, как в линии, работающей в режиме холостого хода. Из теории длинных линий известно, что разомкнутый на конце отрезок линии передачи длиной меньше , имеет емкостное, а при длине - индуктивное входное сопротивление. Следовательно, штырь, длиной эквивалентен включению в линию параллельной емкости, в противном случае- включению параллельной индуктивности. Подобная зависимость входного сопротивления от частоты характерна для последовательного контура. Поэтому полная эквивалентная схема тонкого штыря неполной высоты имеет вид последовательного контура, включенного параллельно в линию. При резонансе ( ) входное сопротивление контура равно нулю, волновод оказывается замкнутым накоротко и вся энергия отражается от штыря. При очень малом зазоре между торцом штыря и нижней стенкой волновода торцевая емкость весьма велика. В результате распределение тока вдоль штыря приближается к равномерному. Параметры такого штыря мало отличаются от параметров штыря, введенного на полную высоту волновода.

Компенсирующий реактивный контур и трансформаторбыли рассмотрены ранее в разделе, где излагалась теория согласований линий тпередач.