1.10. Резонаторы

Рассмотрим штыревые возбуждающие устройства, предназначенные для возбуждения волны Н₁₀, так как они наиболее часто применяются в волноводных трактах. Штыревые возбудители осуществляют передачу электромагнитной энергии от коаксиальной линии в волновод, поэтому их часто называют коаксиально-волноводными переходами.

Простейший штыревой возбудитель представляет собой продолжение центрального проводника коаксиальной линии (рис. 1.19). Наружный проводник коаксиальной линии при этом присоединяется к стенке волновода.

Рис. 1.19. Простейший штыревой возбудитель

Исходя из качественной картины возбуждения волновода, штырь необходимо располагать параллельно электрическим силовым линиям в том месте, где электрическое поле максимально. Проанализируем более подробно условие эффективного возбуждения волновода (или эффективного вывода энергии) при помощи штыря.

Возбуждающий штырь является нагрузкой коаксиальной линии. Чтобы вся подводимая энергия передавалась в волновод, штырь должен быть согласован с подводящей линией, т.е. входное сопротивление Z_вх.ш штыря должно быть равно волновому сопротивлению коаксиальной линии.

Рис.1.20. Структура электрического поля, возбуждаемого штырём

На рис. 1.20 показана примерная структура электрического поля, возбуждаемого штырем. Как видно из рисунка, кроме основной волны, штырь возбуждает волны высших типов. Следовательно, полная мощность, передаваемая в волновод, представляет сумму мощностей

Р = Р_осн + Р_высш ,

где Р_осн – мощность, расходуемая на возбуждение основной волны;

Р_высш – мощность, расходуемая на возбуждение волн высших типов (потери).

В общем случае Р_осн является комплексной мощностью, а Р_высш – реактивной мощностью, так как в обычных условиях волны высших типов не переносят активной мощности.

Из сказанного следует, что в общем случае штырь представляет для коаксиальной линии комплексную нагрузку

Z_Н = Z_вх.ш = R + jX

Активная составляющая этого сопротивления характеризует среднюю энергию, поступающую из коаксиальной линии в волновод, реактивная составляющая – пульсацию энергии между волноводом и коаксиальной линией. Реактивная составляющая обусловлена как полем основной волны, так и полями волн высших типов, т.е. в общем случае

X= X_осн + X_высш

Можно показать, что входное сопротивление тонкого штыря определяется выражением

где h_д – действующая высота штыря (высота штыря, у которого ток по длине распределен равномерно, а амплитуда I₀ в основании и площадь тока S_i = I₀ h_д такие же, как у данного);

x– расстояние от штыря до боковой стенки волновода;

l – расстояние от штыря до короткозамкнутого конца

Анализируя выражение (1.8), можно определить условия, при которых обеспечивается согласование штыря, т.е. условия, при которых

R = , а X = 0

На рис. 1.21 показаны графики зависимости активной и реактивной частей входного сопротивления штыря от места его расположения относительно узкой стенки волновода. Эти составляющие максимальны, когда штырь располагается в середине широкой стенки волновода, и убывает по мере приближения штыря к боковым стенкам.

Рис. 1.21. График изменения составляющих входного сопротивления штыря при перемещении его вдоль широкой стенки

Рис. 1.22. График изменения составляющих входного сопротивления штыря при изменении расстояния до закороченной стенки

На рис. 1.22 представлены графики зависимости составляющих входного сопротивления штыря от расстояния до короткозамкнутого конца волновода. Из графика видно, что активная составляющая достигает максимума, если

При этом реактивная составляющая, обусловленная полем основной волны, равна нулю. Максимум X_осн будет при

Реактивная составляющая X_высш, обусловленная полями волн высших типов, практически не зависит от места расположения штыря. Экспериментально доказано, что эта составляющая зависит от высоты штыря и его диаметра. При h</4 она имеет емкостной характер (X_высш< 0); при h>/4 – индуктивный характер (X_высш> 0); при h/4 обращается в нуль (X_высш = 0).

Таким образом, из анализа выражения (3.1) следует, что штырь можно согласовать путем выбора его размеров и места включения. Чтобы штырь имел чисто активное входное сопротивление, его длина должна быть порядка четверти длины волны

h/4

Закороченный участок l волновода (рис. 1.19) должен иметь длину

l_в/4

В этом случае входное сопротивление закороченного волновода в сечении штыря равно бесконечности и не влияет на входное сопротивление Z_вх.ш штыря, так как эти сопротивления включены параллельно. Если при выбранных параметрах штыря оказывается, что активная составляющая R входного сопротивления больше волнового сопротивления коаксиальной линии, то штырь смещают из центра поперечного сечения волновода. Окончательно все размеры уточняются экспериментально.

Штыревой возбудитель, схема которого показана на рис. 1.19, очень прост по конструкции, однако он узкополосен (полоса пропускания не более 6%) и имеет малую электрическую прочность. Малая электрическая прочность объясняется концентрацией электрического поля между концом штыря и противоположной стенкой волновода.

Для уменьшения концентрации электрического поля применяют штыри специальной формы, например, каплевидные (рис. 1.23, а), пестиковые (рис. 1.23)

б). Увеличение электрической прочности в данном случае достигается за счет перехода от коаксиальной линии к волноводу.

Рис.1.23. Штыревые возбуждающие устройства:

а – каплевидная форма штыря; б – пестиковая форма штыря; в – пуговичная форма штыря

Разновидностью пестиковой конструкции является пуговичная конструкция штыря (рис. 1.23, в). Такое возбуждающее устройство при =10 см позволяет передавать в волновод без пробоя мощности порядка 1 Мвт.

Важным свойством штырей специальной формы является то, что наряду с увеличением электрической прочности увеличивается диапазонность возбуждающих устройств. Это объясняется тем, что плавный переход создает меньшие отражения и тем, что при увеличении диаметра уменьшается реактивная составляющая X_высш входного сопротивления, обусловленная полями волн высших типов. При уменьшении реактивной составляющей входное сопротивление штыря в меньшей степени зависит от частоты.