178

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

Кафедра радиотехнических устройств и систем

СОГЛАСУЮЩИЕ ВОЛНОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы № 5 по курсу

«Техническая электродинамика» для студентов

специальности 211000.62 «Конструирование и технология

радиоэлектронных средств» очной и заочной форм

обучения

Воронеж 2014

Составитель: канд.физ.-мат.. наук Ю.В.Худяков

УДК621.385.6 Согласующие волноводные устройства: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 5 по курсу «Техническая электродинамика» для студентов специальности 211000.62 очной и заочной форм обучения. / Воронеж. гос. техн. ун-т.; Сост.Ю.В.Худяков. Воронеж, 2014. 40 с.

В работе изложены методические указания к выполнению лабораторной работы № 5 «Согласующие волноводные устройства», главным содержанием которой является изучение принципа действия, конструкций и методов экспериментального исследования основных типов устройств для экранирования электромагнитных волн. Даны изучаемые при выполнении работы задания, методические указания к ним и перечни контрольных вопросов.

Методические указания выполнены на магнитных носителях объемом файла 1 МБ, наименование файла ЛР5 ТЭ. doc

Табл. 4. Ил. 15. Библиогр.: 3 назв. Методические указания содержат домашние и лабораторные задания. Даны рекомендации по их выполнению. С целью проверки знаний студентов приведены контрольные вопросы.

Методические указания подготовлены на магнитном носителе в текстовом редакторе Microsoft Word 6.0 for Windows и содержатся в файле «ЛР5 ТЭ. doc ».Табл. 4. Ил. 15. Библиогр. : 4 назв.

Рецензент канд. техн. наук А.В.Турецкий. Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю. С. Балашов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.

© ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014.

1 ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ 1.1.Цель работы

Цель работы - исследование параметров и характеристик волноводных трактов при включении в них реактивных согласующих диафрагм различного типа, обучение студентов навыкам работы с СВЧ измерительными приборами. Для выполнения лабораторной работы студентам предоставляются следующие приборы и принадлежности:

1. СВЧ генератор качающейся частоты 61;

2. аттенюатор;

3. измерительная СВЧ линия;

4. реактивный волноводный шлейф;

5. короткозамыкатель;

6. стрелочный индикатор типа М242;

7. набор реактивных согласующих диафрагм;

8. штангенциркуль (для измерения геометрических размеров диафрагм);

9. отвертка.

При выполнении лабораторной работы необходимо руководствоваться общими правилами техники безопасности. Кроме того, при пользовании СВЧ приборами нужно следить затем, чтобы СВЧ колебания не излучались в окружающее пространство в местах соединения волноводных элементов. Прежде, чем произвести сборку или разборку волноводного тракта на отдельные составные части, что требуется по условиям выполняемой работы, необходимо выключить СВЧ сигнал или полостью обесточить используемую лабораторную установку.

1.2. Основные сведения о волноводах

В диапазоне сантиметровых волн, а так же в высокочастотной части дециметрового и низкочастотной части миллиметрового диапазонов широкое применение для передачи СВЧ энергии и сигналов нашли устройства, которые принято называть волноводами. Радиоволновод - или просто волновод - это устройство, которое «ведет» волну в нужном направлении. Конструктивно волновод представляет собой в простейшем случае полую трубу прямоугольного или круглого сечения, изготовленную из хорошо проводящего материала (медь, латунь, алюминий и др.). Поперечные сечения волноводов такого типа изображены на рис. 1, где a, b- наибольший и наименьший размеры сечения прямоугольного волновода, а D- диаметр круглого волновода.

Рис. 1

Наряду с этими волноводами, которые по конфигурации можно отнести к выпуклым волноводам, находят применение волноводы вогнутого сечения. Примерами волноводов подобного типа являются Н- и П- образные волноводы, сечения которых представлены на рис. 2, где , - размеры в суженной части сечений волноводов. Волноводы имеют следующие преимущества перед другими линиями передачи.

Активные потери в металле минимальны, так как в волноводе отсутствует внутренний провод, имеющийся в коаксиальной линии, а стенки волновода образуют проводящую поверхность при большом поперечном сечении.

Рис.2

В волноводе, как и в коаксиальной линии, электромагнитные волны сосредоточены между проводящими поверхностями, а поэтому потерь на излучение нет.

В волноводе отсутствует диэлектрическое наполнение и, следовательно, отсутствуют потери в диэлектрике.

Предельная мощность высокочастотных колебаний, передаваемых по волноводу, значительно больше, чем в коаксиальной линии. Это объясняется тем, что в волноводе отсутствует внутренний проводник, уменьшающий расстояние между проводящими поверхностями, от которого зависит допустимое напряжение в линии передачи, а, следовательно, и передаваемая мощность.

Волновод отличается большой механической прочностью и жесткостью, что обеспечивает высокую стабильность его электрических параметров.

Достоинством волноводов является также возможность осуществления по ним эффективной передачи широкого спектра весьма высоких частот с малым затуханием сигналов и хорошей защищенностью их от помех.

К недостаткам волноводов относятся:

- наличие критической длины волны при данном поперечном сечении волновода;

- сложность изготовления, поскольку внутренняя поверхность стенок волновода должна быть тщательно отполирована и для уменьшения потерь покрыта хорошо проводящим металлом (обычно стенки волновода с внутренней стороны серебрят);

- возможность возникновения и распространения нежелательных (паразитных) типов волн;

- громоздкость размеров волноводов в дециметровом диапазоне и уменьшение пробивной прочности в миллиметровом диапазоне;

- наличие дисперсионных свойств, то есть зависимости скоростей распространения энергии и фазы волны от частоты передаваемых колебаний, что приводит к частотным искажениям сигналов.

Принципиальная возможность передачи энергии и сигналов высокой частоты с помощью волноводов может быть показана следующим образом.

Предположим, что имеется двухпроводная линия (рис. 3), вход которой подключен к источнику энергии, а выход - к нагрузке, представляющей собой активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Кроме того, подключим к проводникам линии сверху и снизу четвертьволновые короткозамкнутые отрезки, которые будут иметь в точках а и б сопротивление, равное бесконечности, вследствие чего эти отрезки не будут оказывать никакого влияния на процесс передачи энергии по линии.

Число отрезков (шлейфов) может быть различным. В пределе при увеличении числа отрезков они сольются в сплошную конструкцию, ограничивающую пространство с четырех сторон и называемую прямоугольным волноводом.

Поскольку передача энергии возможна по двухпроводной линии, то возможна она и по волноводу.

Изучение процесса распространения волн по волноводу сводится к решению уравнений Максвелла при наложении определенных граничных условий. Решение этих уравнений дает пространственное распределение составляющих векторов электромагнитного поля во внутренней полости волновода и одновременно показывает, что в нем могут существовать лишь только электрические и магнитные волны (раздельно или совместно).

а – переход ототкрытой двухпроводной линии к прямоугольному волноводу; б – структура электрического поля и эпюра распределения его вдоль стороны а Рис. 3

Электрические волны отличаются тем, что у них вектор напряженности магнитного поля имеет только поперечную составляющую, а вектор напряженности электрического поля, помимо поперечной, имеет также продольную составляющую, то есть составляющую в направлении распространения волны.

Магнитными называют волны, у которых вектор напряженности электрического поля имеет только поперечную составляющую, а вектор напряженности магнитного поля имеет как поперечную, так и продольную составляющую.

Электрические волны обозначают буквой Е, а магнитные - буквой Н с добавлением внизу к этим символам индексов m и n, т.е.E_mn и H_{mn .}В прямоугольном волноводе индексы тип указывают число стоячих полуволн, укладывающихся соответственно вдоль наибольшего и наименьшего размеров поперечного сечения.

Для прямоугольного волновода основной (низшей) является волна типа H₁₀ , при которой критическая длина волны оказывается максимальной, а размеры и масса волновода будут минимальными. Минимальными будут и потери.

Каждой из волн соответствует своя критическая длина волны, определяемая соотношением

_. (1)

Для H₁₀ . Волны с по волноводу не распространяются.

Распространение электромагнитных волн вдоль волновода характеризуется фазовой и групповой скоростями. Фазовая скорость определяет только скорость перемещения вдоль оси волновода точек поля, находящихся в одинаковой фазе. Эта скорость не является скоростью движения материи и поэтому она может быть больше скорости света. Передача энергии вдоль волновода характеризуется групповой скоростью, которая не может превышать скорость света.

Поскольку фазовая скорость в волноводе оказывается больше скорости света, то длина волны в волноводе, определяемая расстоянием между точками ноля, находящимися в одинаковой фазе, будет больше, чем в свободном пространстве. Длина волны в волноводе определяется формулой

_, (2)

где - длина волны в воздушном пространстве (или вакууме).

Волну, распространяющуюся в волноводе от источника энергии к нагрузке, называют падающей, а волну, распространяющуюся в обратном направлении - отраженной.

Характер распределения поля вдоль оси волновода зависит от величины и характера нагрузки.

При по волноводу распространяются только бегущие волны, энергия в этом случае полностью поглощается нагрузкой и отраженных волн не будет. В режиме бегущей волны амплитуда поля неизменна по всей длине волновода, что обеспечивает меньшую опасность пробоя и независимость входного сопротивления линии от ее длины. При бегущих волнах передача энергии происходит с минимальными потерями.

Стоячие волны в волноводе возникают тогда, когда он на своем конце либо замкнут накоротко, либо разомкнут, либо нагружен на чисто реактивное сопротивление, т.е.

, (3)

где - сопротивление реактивной нагрузки.

При стоячих волнах в идеальном случае энергия полностью отражается от конца волновода и поэтому амплитуды падающей и отраженной волн будут равными. В действительности при открытом конце волновода это равенство несколько нарушается, так как часть энергии будет излучаться в пространство.

В режиме стоячих волн амплитуды напряженностей электрического и магнитного полей вдоль волновода распределяются по определенному закону, не изменяющемуся во времени.

При нагрузке волновода на активное, не равное волновому, или на комплексное сопротивление в волноводе устанавливается режим комбинированных волн, причем справедливо равенство

(4)

Здесь при комплексной нагрузке величина может быть любой, в том числе и равной , но отличной от нуля и бесконечности.

При рассмотрении структуры электромагнитных полей в волноводах следует учитывать, что электрические силовые линии подходят к стенкам волновода практически перпендикулярно, поскольку потери в них малы; магнитные силовые линии вблизи стенок располагаются параллельно их поверхности, причем в плоскости поперечного сечения волновода электрическое и магнитное поля имеют всегда характер стоячих волн.

Распределение напряженности поля (например, электрического) вдоль волновода в режиме бегущих, стоячих и комбинированных волн характеризуется коэффициентом бегущей волны под которым понимают отношение минимальной напряженности поперечной составляющей электрического поля к ее максимальному значению

. (5)

По величине можно судить о степени согласования волновода с нагрузкой.

Наряду с коэффициентом бегущей волны в технике СВЧ широко используется и обратная ему величина, называемая коэффициентом стоячей волны

. (6)

Таким образом, .

Коэффициент может принимать значения от нуля до единицы, а от единицы до бесконечности.

Режим работы волновода характеризуется также коэффициентом отражения, модуль которого равен отношению амплитуд отраженной и падающей волн

.

Величину можно вычислить через коэффициенты и по формулам

, (8)

. (9)

Совершенно ясно, что и могут быть выражены через

,

. (10)

Величина изменяться может в пределах от 0 до 1, а Р от -1 до +1.

В волноводной технике для характеристики отражения наиболее часто используется . Режиму бегущей волны соответствует , равный 1, а режиму стоячей волны - равный бесконечности. Обычно считают, что нагрузка хорошо согласована с волноводом, если измеренный , удовлетворительно согласована, если , и не согласована, если .

Вообще любые неоднородности волноводного тракта могут создавать отражения. Это свойство и используется для согласования: около нагрузки помещают такую неоднородность, чтобы отраженная от нее волна была равна по величине и противоположна по фазе волне, отраженной от нагрузки, что приводит к взаимной компенсации обеих отраженных волн. На участке от согласующей неоднородности до генератора будет существовать только бегущая волна и лишь на небольшом участке от нагрузки до неоднородности волна будет комбинированной. На практике в качестве согласующих устройств часто используют диафрагмы и реактивные шлейфы.

1.3. Краткие сведения о волноводных диафрагмах и методах изме­рения их параметров.

Диафрагмами, используемыми в волноводных трактах в качестве со­гласующих элементов, называют тонкие металлические пластины, распо­ложенные в плоскостях, перпендикулярных оси волновода, и частично пе­рекрывающие его поперечное сечение. Для нормальной работы диафрагм их толщины должны быть значительно меньше длины волны в волноводе , но в то же время значительно больше глубины проникновения токов СВЧ в металл волноводных стенок с их внутренней стороны. Следует иметь ввиду, что минимальная толщина пластин может быть ограничена их механической прочностью.

В результате существенного изменения размеров поперечного сечения волновода в месте установки диафрагмы в непосредственной близости от нее возникают поля высших типов волн, однако они быстро затухают по мере удаления от диафрагмы, поскольку размеры сечения волновода выбраны таким образом, что условия для распространения выполняются лишь для волны низшего типа, то есть для волны H_10.

На практике в прямоугольном волноводе наиболее часто находят применение симметричные диафрагмы индуктивного (рис.4, а ), емкостного (рис.5, а ) и резонансного ( рис.6, а ) типов.

На указанных рисунках приняты следующие обозначения a, b - наибольший и наименьший размеры поперечного сечения волновода; , - зазоры между соответственно горизонтальными и вертикальными пластинами диафрагм

а) б)

Рис.4

а) б)

Рис.5

а) б)

Рис.6

.

Индуктивная, или L-диафрагма (рис.4,а) образована пластинами, свободные края которых параллельны электрическим силовым линиям волны H₁₀. При этом в пластинах возникают вертикальные токи, что равно­значно увеличению поперечных токов проводимости волновода, образую­щих местные магнитные поля. В силу указанных причин действие диа­фрагмы эквивалентно включению в волновод индуктивности L (рис.4, б).

Приближенный расчет нормированной проводимости L - диафрагмы может быть произведен по формуле

. (11)

Отрицательный знак перед правой частью (11) указывает на индук­тивный характер проводимости.

Отметим, что L - диафрагма практически не влияет на электриче­скую прочность волновода.

Емкостная, или C- диафрагма (рис.5, а) образована пластинами, свободные края которых перпендикулярны линиям электрического поля волны H₁₀. В результате происходит укорочение длины электрических си­ловых линий и увеличение их густоты в месте установки диафрагмы, что эквивалентно включению в волноводный тракт емкости С (рис.5, б).

Нормированную проводимость С - диафрагмы можно определить с помощью соотношения

(12)

Проводимость имеет положительный знак и, следовательно, носит емкостный характер.

В отличие от индуктивной С - диафрагма существенно уменьшает электрическую прочность волновода и поэтому не рекомендуется к приме­нению в волноводных трактах с высоким уровнем мощности.

Сочетание L - и С - диафрагм позволяет получить диафрагму резонансного типа (рис.6, а), эквивалентная схема которой представляет собой параллельный колебательный контур (рис.6, б).

В соответствии с (11) и (12) нормированная проводимость LС- диафрагмы будет равна

(13)

При резонансе и поэтому волна H₁₀ будет проходить через LС - диафрагму без отражений, поскольку волны, отраженные индуктивностью L и емкостью С, компенсируют друг друга, так как они одинаковы по амплитуде и противоположны по фазе.

К недостаткам всех рассматриваемых диафрагм относится их узкополостность и невозможность регулировки их реактивных сопротивлений в процессе эксплуатации волноводного тракта.

Измерение параметров диафрагм (реактивной проводимости, емкости и индуктивности) можно произвести методом так называемых S - кривых, сущность которого излагается ниже.

К волноводной измерительной линии (ИЛ) подключается последова­тельно короткозамкнутый реактивный шлейф (РШ) с подвижным поршнем. При отсутствии диафрагмы расстояние между поршнем и любым узлом (или пучностью) возникшей в рассматриваемом волноводном тракте стоя­чей волны электромагнитных колебаний не зависит от положения, занимаемого поршнем РШ, в чем наглядно можно убедиться, воспользовав­шись рис.7, где в виде двух последовательно включенных двухпроводных линий изображены эквивалентные схемы ИЛ и РШ соответственно с вол­новыми сопротивлениями: и причем . Независимость указанного расстояния от положения поршня обусловлена тем, что при стоячих волнах амплитуды тока и напряжения распределяются вдоль линии по оп­ределенному закону, не изменяющемуся во времени. При перемещении поршня стоячие волны тока и напряжения не изменяют своей формы, а лишь смещаются в ту же сторону и на ту же величину, что и поршень РШ.

На рис.7 ИЛ и РШ вместе образуют короткозамкнутую линию, для которой правомерны соотношения

,

, (14)

где , - значения напряжения и тока в точках линии отстоящих от ее конца, то есть поршня, на расстояние .

Внизу на рис.7 представлены отсчетные шкалы ИЛ и РШ, для которых ха­рактерным является то, что увеличение или уменьшение показаний по ним происходит в одинаковую сторону. Следовательно, справедливым окажется равенство

(15)

где , - соответственно первоначальные расстояния от конца ИЛ до произвольно выбранного узла напряженности электрического поля Е, принятого за опорный, и до подвижного поршня РШ;

, новое произвольное положение поршня шлейфа и соответствующее ему расстояние до смещенного узла напряженности Е. Рис.7

Соотношение (15) записано для показаний по отсчетным шкалам ИЛ и РШ, а не для соответствующих им расстояний, для которых равенство (15) имеет несколько иной вид, а именно

(16)

Расстояние выбирается равным

,

где - целое положительное число. В результате входное сопротивление шлейфа в точках подключения его к измерительной линии будет равно нулю; величину при измерениях целесообразнее всего выбирать равной . На основании (15) электрические длины участков ИЛ и РШ, на которые сместились узел напряженности поля Е волны Н₁₀ и поршень шлейфа, будут равны

, (17)

. (18)

Поскольку , то = . Зависимость представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (рис.8) под углом в 45° к каждой из координатных осей при условии, что масштабы по осям выбраны одинаковыми. При разных масштабах углы к осям будут другими и отличными друг от друга.