2. Основные элементы трактов свч

2.1.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.

На практике для ввода или вывода энергии из волновода используют достаточно малые элементы, содержащие или электрический или магнитный в виде малой рамки 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, передать часть мощности из одной линии в другую можно с помощью отверстия, прорезанного в общей стенке.

Электрический вибратор 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 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 магнитной индукции 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.

Возбуждение с помощью электрического вибратора. Конструкция устройства для возбуждения волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе показана на рисунке 49, где внешний проводник коаксиальной линии соединен со стенкой волновода. Пусть по коаксиальной линии распространяется ТЕМ-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 рисунке 49. 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 Н₁₀ ,H₃₀ , Н₁₁ , Е₁₁ и т.д.. и не будут возбуждаться волны с четным первым индексом (H₂₀ , H₄₁, E₂₁, и т.д.). Если выбрать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы, то по волноводу сможет распространяться только волна H₁₀, поля всех остальных волн 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 (рисунке 49). При этом в волноводе справа от вибратора будут распространяться две волны H₁₀ 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.. Поэтому l=(2n-1)λ/4. Обычно выбирают n=1, для которого l=l_min=λ/4. Наличие зазора между вибратором и широкой стенкой волновода, 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.

Рисунок 49 – Возбуждение с помощью электрического вибратора

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 (рисунок 50), 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 (рисунок 50).

Рисунок 50 – Использование возбудителя пуговичного типа

Энергия, переносимая по волноводу нежелательной волной, отражается от проводников обратно. Как правило, подобные фильтры включают в конструкцию возбуждающего устройства

Рисунок 51 – Подавление более низших типов волн

На рисунке 51 показана конструкция возбуждения волны H_l1, волны Е₀₁ в круглом волноводе. В конструкции рис.29.4 перпендикулярно оси волновода на расстоянии l=λ/4 (λ -длина волны Н₁₁ в круглом волноводе) от вибратора устанавливается металлическая пластина.