ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра радиоэлектронных устройств и систем

Свч линии передачи

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам №1, 2 по дисциплине

«Электродинамика и распространение радиоволн»

для студентов специальности 210302 «Радиотехника»

очной и заочной форм обучения

РШ

Воронеж 2009

Составители: канд. техн. наук В.И. Филатов,

канд. техн. наук И.А. Филатов.

УДК 621.385.6

СВЧ линии передачи: методические указания к лабораторным работам

№1, 2 по дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн» для

студентов специальности 210302 «Радиотехника» очной и заочной форм обучения / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.И. Филатов, И.А. Филатов. Воронеж, 2009. 29 с.

Методические указания содержат домашние и лабораторные задания; даны рекомендации по их выполнению. С целью проверки знаний студентов приведены контрольные вопросы.

Табл. 8. Ил. 9. Библиогр. 5 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. З.Н. Федорова

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», 2009

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ВОЛНОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА С РЕАКТИВНЫМИ ДИАФРАГМАМИ

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 за тем, 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 полностью обесточить используемую ла­бораторную установку.

1.2. Основные сведения о волноводах

В диапазоне сантиметровых волн, а также 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 а, b - наибольший и наименьший размеры поперечного сечения прямоугольного волновода, D - диаметр круглого волновода.

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 а', в'- 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.

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, 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).

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, n , т.е. Е_mn и Н_mn. В прямо­угольном волноводе индексы m, n указывают число стоячих полуволн, укла­дывающихся соответственно вдоль наибольшего и наименьшего размеров поперечного сечения.

Для прямоугольного волновода основной (низшей) является волна типа Н10, 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:

Для Н10 λк_Р =2а. Волны с λ > λк_Р 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 поля, находящимися в одинаковой фазе, будет больше, чем в свободном пространстве. Длина волны в волноводе определяется формулой:

где λ - 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 н = RН =ρ 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.

где Хн - 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 напряженности элегического 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 R_H может быть любой, в том числе и равной ρ, 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 К_бв, под которым понимают отноше­ние минимальной напряженности поперечной составляющей электрического поля к ее максимальному значению:

По величине Кбв, 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 Ксв:

Таким образом, КбвּКсв=1.

Коэффициент К_бв может принимать значения от нуля до единицы, a K_св от единицы до бесконечности.

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

Величину ׀P׀ можно вычислить через коэффициент Кбв и К_св по

формулам:

Совершенно ясно, что Кбв и Кcв могут быть выражены через ׀P׀:

Величина ׀P׀ изменяется в пределах от 0 до 1, а Р от -1 до +1.

В волноводной технике для характеристики отражения наиболее часто используется К_св. Режим бегущей волны соответствует Ксв, равному 1, а режиму стоячей волны - К_св, равный бесконечности. Обычно считают, что нагрузка хорошо согласована с волноводом, если измеренный К_св < 1,05 1,2; удовле­творительно согласована, если К_св ≤1,05÷1,2, и не согласована, если

Kсв ≥5÷10.

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.

Для согласования оконечной нагрузки с волноводом или отдельных элементов волноводного тракта между собой широко используется волноводные диафрагмы.

Волноводная диафрагма - это помещенная поперек волновода тонкая металлическая пластинка с отверстием. При правильном выборе размеров прямоугольного отверстия диафрагма может быть согласована с волноводом.

Для использования в качестве элементов согласования пригодны индуктив­ная и емкостная диафрагмы, показанные на рис. 4 и рис. 5.

У индуктивной диафрагмы размер а' меньше размера широкой стенки волновода, а размер в равен размеру его узкой стенки.

У емкостной диафрагмы размер в' меньше в, а размер а равен размеру широкой грани волновода. Меняя размеры диафрагм можно в широких пре­делах изменять их эквивалентные сопротивления. Однако в процессе работы производить регулировку диафрагм невозможно. Это, наряду с узкополосностью, является их недостатком.

Иногда находят применение также индуктивно-емкостные диафрагмы, или резонансные окна (рис. 6).

Более часто волноводные окна используются в виде согласованных

на­грузок. Подобрав размер окна и закрыв его тонким слоем диэлектрика (стек­ло, слюда), можно получить неотражающий узкополосный вывод СВЧ

энергии. Применяется такое устройство там, где в отпаянных электровакуумных приборах СВЧ необходимо вывести энергию в вакуумную часть прибора от внешней, невакуумной.