Стоячие волны двухпроводных линий.

Образуются в результате интерференции падающих и отраженных волн. Волна называется стоячей, т.к. максимальные напряжения называемые пучностью и минимальные называемые узлами находятся в одних и тех же сечениях линии. Эти сечения отстоя друг от друга на расстояние Х/4. Пучность тока совпадает с узлом напряжения. Стоячие волны образуются в том случае, если на конце линии нет нагрузки способной поглотить энергию падающей волны. Стоячие волны наблюдаются:

1. Линия разомкнута на конце.

2. Коротко - замкнутая линия.

3. Линия нагружена на реактивное сопротивление.

Разомкнутая на конце двухпроводная линия.

Электроны дойдя до конца линии, не имеют дальнейшего пути, поэтому напряжение на конце линии удваивается. Это аналогично включению в конце линии воображаемого генератора с той же фазой и той же амплитудой, что и у падающей волны. Ток в конце линии равен нулю, т.к. электроны поворачиваются в обратном направлении, то ток меняет фазу на

противоположную, следовательно напряжение отражается от конца разомкнутой линии с той же фазой, а ток с противоположной.

Стоячие волны в коротко - замкнутой двухпроводной линии.

В конце линии нет нагрузки способной поглотить энергию электромагнитных волн, т.к. есть путь для тока, то ток отражается без изменения фазы, а напряжение отражается с изменением фазы на 180°, т.е. вся энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля.

Свойства стоячих волн в коротко - замкнутой линии.

1. В коротко - замкнутой линии сопротивление нагрузки равно нулю и соответственно напряжение на ней тоже равно нулю.

2. При отражении от коротко-замкнутого конца, волна напряжений меняет знак фазы, а волна тока не меняет.

3. Удвоение энергии магнитного поля возможно только при удвоении тока.

4. Кривые напряжения и тока коротко- замкнутой линии смещены по оси X, относительно аналогичных кривых для разомкнутой линии π/4.

Изменение входного сопротивления двухпроводной линии в зависимости от ее длины.

Характер входного сопротивления линии зависит от ее длины.

Zвx коротко - замкнутой линии.

Режим смешанных волн.

Если линия нагружена на сопротивление на равное волновому сопротивлению, то на конце линии не происходит поглощение энергии падающей волны и энергия частично отражается в направлении к генератору. В результате интерференции отраженной и падающей волны образуется стоячая волна, но в

то же время в линии присутствует и падающая волна - такие волны называются смешанными.

О тражение характеризуется коэффициентом отражения который равен

Волноводы.

Представляют собой металлические трубы прямоугольного или круглого сечения, внутри которых распространяется электромагнитная волна. Волноводы используются для передачи энергии в сантиметровом диапазоне, а так же в качестве колебательной системы в сантиметровом диапазоне. Процесс распространения электромагнитных волн в волноводе можно представить как последовательное отражение электромагнитной энергии от стенок волновода.

Рассмотрим двухпроводную линию по которой распространяется электромагнитная энергия. В зависимости от того какая нагрузка подключена к линии, в линии может быть режим бегущих, стоячих или смешанных волн. Если к этой линии подключить короткозамкнутый четвертьволновый отрезок длиной λ/4, то режим работы линии не изменится, так как входное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового отрезка равно бесконечности. Если соединить бесконечно много таких отрезков, то они сольются в волновод. По проводам двухпроводной линии протекает ток, причем его направление меняется через каждые полпериода. Силовые линии электрического поля располагаются между проводами, а силовые линии магнитного поля охватывают провода в виде концентрических окружностей. В двухпроводной линии электромагнитная энергия распространяется по проводам и пространству вокруг проводов, образуя поперечную электромагнитную волну, т.е. вектора электрического и магнитного полей лежат в одной плоскости перпендикулярной направлению распространения электромагнитной энергии. В волноводе обязательно существует продольная составляющая электрического и магнитного полей.

Критическая длина волны в волноводе. А=2λ/4, λкр=2а

если λ<2а, то а>λ/2 или а/2>λ/4. Если длина волны меньше, чем λкр, то волна свободно распространяется в волноводе, так как если λ/2 >а/2> λ/4, то короткозамкнутые отрезки имеют бесконечно большое сопротивление и не забирают энергию из двухпроводной линии. Если λ >2а, то а/2< λ/4, а значит входное сопротивление короткозамкнутой линии имеет какое то конечное значение и поглощает энергию бегущих волн, то есть в волноводе волн длина которых меньше, чем λкр =2а.

Типы волн в волноводе.

В отличие от двухпроводной линии, в которой распространяется поперечная электромагнитная волна, то есть вектора Е и Н расположены в одной плоскости перпендикулярной распространению электромагнитной энергии в волноводе, существует продольная составляющая электрического или магнитного поля. Если есть продольная составляющая электрического поля, значит есть волна типа Е или ТН (поперечно-магнитная), если есть продольная составляющая магнитного поля, значит существует волна типа Н или ТЕ (поперечно-электрическая). Магнитные волны обозначаются Hmn, где m -количество стоячих полуволн вдоль широкой стенки волновода, n -количество стоячих полуволн вдоль узкой стенки волновода. В общем случае критическая длина волны в волноводе определяется по формуле:

Наиболее распространенной волной является волна Н10, для нее λкр =2а.

Распределение электромагнитных полей в волноводе. Предполагаем, что волновод аналогичен двухпроводной линии и считаем, что эта линия согласована с нагрузкой. Получаем вдоль линии бегущую волну тока и напряжения, причем они совпадают по фазе. Этот продольный ток вызывает появление электрического поля между широкими стенками волновода. В короткозамкнутых отрезках возникают стоячие волны, в которых ток и напряжение сдвинуты по фазе на 90°, следовательно поперечный ток сдвинут на 90° от напряжения. Вдоль линии амплитуда стоячих волн изменяется по закону изменения стоячих волн. X у

Распределение напряжения между широкими стенками волновода, создаваемого продольным током проводимости, это напряжение бегущей волны.

Вид сверху на волновод. Распределение магнитных силовых линий внутри волновода. Магнитное поле вызванное токами проводимости.

Возбуждение волновода. Согласование волновода с нагрузкой.

Возбуждение колебаний в волноводе может происходить за счет электрической или магнитной связи с возбудителем. Возможна апериодическая связь с возбудителем. Апериодическая связь осуществляется через щель, прорезанную в общей стенке волновода и объемного резонатора, при этом объемный резонатор является колебательной системой СВЧ генератора. Электрическая связь осуществляется с помощью штыря помещенного в пучности электрического поля. Штырь является внутренним проводом коаксиального кабеля. Наружная оплетка припаивается к наружной поверхности волновода. Длина штыря находящегося внутри волновода регулирует величину связи. Штырь обычно помещается в широкой стенке волновода, в max электрического поля. Чтобы вся энергия излучалась в направлении к нагрузке, нерабочий конец волновода закрывается поршнем, перемещение которого изменяет расстояние I2 от короткозамкнутого конца до штыря сопротивления этого короткозамкнутого отрезка. Это сопротивление должно быть равно бесконечности, чтобы в него не ответвлялась энергия и распространялась к нагрузке. Регулировкой отрезков I₂, I3 достигают того, что реактивная составляющая входного сопротивления штыря компенсируется реактивной составляющей входного сопротивления короткозамкнутого отрезка I₂. Магнитная связь осуществляется с помощью петли помещенной в max магнитного поля.

Петля помещается в торцовой стенке волновода в max магнитного поля. Плоскость петли перпендикулярна плоскости магнитных силовых линий, то есть параллельна узкой стенке волновода. Величина связи регулируется изменением угла, между плоскостью магнитных силовых линий. Петля представляет собой внутренний провод коаксиального кабеля вытянутый из него и загнутый. Наружная оплетка коаксиального кабеля приваривается к наружной стенке волновода. Согласование волновода с нагрузкой имеет целью создание в волноводе режима бегущих волн, с тем, чтобы максимальная часть энергии передавалась в нагрузку. Согласование волновода с нагрузкой осуществляется с помощью диафрагм, которые располагаются в поперечных стенках волновода вблизи от сопротивления нагрузки. Тогда в основной части волновода распространяется бегущая волна, а от диафрагмы до нагрузки - смешанная волна.

Если в диафрагме щель параллельна широкой стенке волновода, то это эквивалентно увеличению емкости в данном сечении волновода.

Если щель параллельна узким стенкам волновода, это эквивалентно увеличению индуктивности.

Если щель представляет собой комбинацию индуктивной и емкостной диафрагмам, то она эквивалентна параллельному колебательному контуру.