ЭД и РРВ Лекции1-24 И.П / Лекция 10 Возбуждение волн в линиях

Лекция 10. Возбуждение электромагнитных волн в линиях передачи

Электромагнитные волны в линиях передачи возбуждаются сторонними токами. Для создания сторонних токов в технике СВЧ используют специальные элементы связи линии с источником (например, генератором). Следует отметить, что по теореме взаимности в регулярной линии элементы связи можно использовать не только для ввода энергии, но и для вывода энергии из линии, например, для связи с внешними нагрузками. При этом линия и элементы связи не должны содержать анизотропных (невзаимных) элементов.

На практике для возбуждения электромагнитных волн в волноводах ис­пользуют достаточно малые по сравнению с длиной волны элементы связи. Это элементарный электрический вибратор (используется и термин штырь), элементарный магнитный вибратор в виде малой рамки (используется и термин петля). Обычно такие вибраторы конструктивно объединяются с коаксиальной линией, ис­пользуемой для подвода энергии к виб­раторам (рис.4.8).

Рис. 4.8 а) электрический вибратор

б) магнитный вибратор

В тех случаях, когда две линии передачи имеют общую метал­лическую стенку, передать часть мощности из одной линии в другую можно с помощью элемента связи в виде щели, прорезанной в общей стенке. Щель, как и петля, является физическими аналогами элементарного магнитного вибратора.

Строгое эле­ктродинамическое решение задачи о возбуждении волн в волноводе достаточно сложно и громоздко (см., например, [1]) и здесь не приводится. Для наглядности и простоты изложения некоторых практических выводов по возбуждению волн в волноводах воспользуемся выражениями мощности сторонних токов. Учтем, что электрический вибратор описывается сторонним электрическим током, рамка - сторонним магнитным током, ориентированным перпендикулярно плоскости рамки.

,

где - поля возбуждаемой волны.

Мощность сторонних источников максимальна, когда векторы, входящие в подинтегральные скалярные произведения коллинеарны, и мощность сторонних источников равна нулю, если векторы в скалярных произведениях взаимно перпендикулярны. Из этого следует, что при возбуждении волн в линии электрический вибратор с током нужно помещать в пучность элек­трического поля параллельно линиям вектора Е возбуждаемой волны. Рамку с током следует помещать в пучность магнитного поля, располагая ее плоскость перпендикулярно вектору Н возбуждаемой волны. Используя эти правила и зная структуру поля возбуждаемой волны, распростра­няющейся по волноводу, можно построить конструкцию возбу­ждающего устройства или устройства связи волновода с внешней нагрузкой.

Возбуждение с помощью электрического вибратора. Кон­струкция устройства для возбуждения волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе показана на рис. 4.9, где внешний проводник коак­сиальной линии соединен со стенкой волновода.

Рис. 4.9 возбуждение волны Н₁₀

По коаксиальной линии распространяется волна типа Т, 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 рис. 4.9. Вблизи вибратора (равно как и любой неоднородности) возбуждаются волны высших типов и поле представляет собой суперпо­зицию Е- и Н - волн. 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, Н₃₀, H_11, Е₁₁ и т.д. Не будут возбуждаться волны с четным первым индексом (H₂₀. H₄₁, E₂₁, и т.д.), имеющие нулевую амплитуду электрического поля при х=а/2. Если выбрать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы< < , то по волноводу смо­жет распространяться только волна Н₁₀. Амплитуды всех остальных нераспространяющихся волн, сосредоточенных вблизи вибратора, будут экспоненциально убывать и на расстоянии порядка длины волны от вибратора поля этих волн пренебрежимо малы. Вибра­тор возбуждает в волноводе две волны Н₁₀ (рис.4.9 в продольном сечении), 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 (рис.4.9). При этом в волноводе справа от вибра­тора будут распространяться две волны Н₁₀ 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. Требуе­мое фазовое соотношение можно записать в виде:

2βl + π =2πn,

где n=1,2,3,….; β =2π /λ_в.

При записи этого соотношения учтено, что при падении плоской волны на идеальную металлическую поверхность фаза вектора Е отраженной волны изменяется на π по отношению к фазе вектора Е падающей волны. Искомое расстояние будет равно l=(2n-1)λ_в /4. Обычно выбирают n=1, для которого l= l_min= λ_в /4. Если вы­брать расстояние l кратным λ_в /2, то сдвиг по фазе между векторами Е волн справа от вибратора будет равен нечетному числу π. Вследствие этого волны гасят друг друга и энергия из коаксиальной линии в волновод не поступает, она полностью отражается от возбуждаю­щего устройства, т.е. в коаксиальной линии устанавливается стоя­чая волна. 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_в/4. Как по­казывает анализ, 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.

В тех случаях, когда в качестве рабочего типа волны в волно­воде применяется один из высших типов волн, то 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. Энергия, переносимая по волноводу нежелательной волной, отражается от проводников обратно. Как правило, подобные фильтры включают в конструкции возбуждающего устройства.

На рис.4.10 показано устройство для возбуждения волны Н₂₀ в прямоугольном волноводе.

Рис.4.10 Возбуждение волны Н₂₀

Используются два электрических вибратора, введенные в места, где должны находиться пучности электрического поля волны H₂₀. Длины отрезков коаксиальной линии от точки разветвления до точек соединения с вибраторами выбирают отличающимися на λ₀/2. В этом случае, при распространении волны по коаксиальной линии, токи в вибраторах будут иметь одинаковые амплитуды, а их фазы буду отличаться на π. В волноводе будут эффективно возбуждаться также волны Н₂₀,Н₄₀,... и затруднено возбуждение волн с нечетным первым индексом Н₁₀, Н₃₀...... Выбором размеров волновода создают предельный режим для всех волн, кроме Н₂₀ и Н₁₀. Ме­таллическая пластина, помещенная посередине волновода парал­лельно его узким стенкам, предотвращает распространение неже­лательной в данном случае волны Н₁₀. На расстоянии l = λ_в /4 (λ_в -длина волны H₂₀ в волноводе) помещают металлическую пластину, обеспечивающую режим короткого замыкания на конце волновода.

На рис.4.11 показана конструкция возбуждения волны H₁₁ в круглом волноводе, а на рис.4.12 возбуждение волны E₀₁ в круглом волноводе.

Рис. 4.11 возбуждение Рис. 4.12 возбуждение волны E₀₁

воны H₁₁

В конструкции рис.4.11 перпендикулярно оси волновода на расстоянии

l=λ_в /4 (λ_в-длина волны H₁₁ в круглом волноводе) от вибратора устанавливается металлическая пластина.

Возбуждение с помощью малой рамки. Одна из возможных схем возбуждения волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе показана на рис. 4.13.

Рис.4.13 Возбуждение волны Н₁₀

Малая рамка (рис.4.8б), радиус которой много меньше длины волны, вводится в середину широкой стенки так, что ее плоскость параллельна узким стенкам волновода и перпендикулярна Н_x составляющей волны Н₁₀ . При рас­пространении Т волны по коаксиальной линии в рамке про­текает ток. Картина магнитных силовых линий, охватывающих ток в рамке и возни­кающих в волноводе, показана на рис. 4.14. в продольной плоскости, перпендикулярной плоскости рамки.

Рис. 4.14. Картина магнитных силовых линий

Если вы­брать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы, то рамка будет создавать в волноводе две волны Н₁₀, бегущие в разные стороны. На одинаковом рас­стоянии от рамки векторы Н этих волн будут иметь одинаковые амплитуды и фазы, а векторы Е будут иметь одинаковые ампли­туды, а их фазы будут отличаться на π. Чтобы энергия, посту­пающая в волновод, направлялась в одну сторону, в волноводе на расстоянии l=nλ_в /2, (n-1,2,3,...) от рамки устанавливают перпен­дикулярно его оси металличе­скую пластину. Обычно выби­рают расстояние l= l_min= λ_в /2.

На рис.4.15 показана еще одна схема возбуждения волны Н₁₀: рамка вводится через узкую стенку, а ее плоскость совпада­ет с плоскостью поперечного сечения и перпендикулярна Н_z составляющей волны Н₁₀. Ниже показана при­мерная картина силовых линий магнитного поля, возникающего вблизи рамки при протекании по ней электрического тока.

Рис. 4.15 Возбуждение волны Н₁₀

В этом случае векторы Е волн H₁₀, рас­пространяющихся в разные сто­роны от рамки, на одинаковом расстоянии от нее будут иметь равные амплитуды и фазы. По­этому обычно величина l выби­рается равной l_min= λ_в /4.

Возбуждение с помощью отверстия связи. При конст­руировании ряда волноводных устройств для обеспечения свя­зи между двумя волноводами используют малые (диаметр зна­чительно меньше длины вол­ны) отверстия в их общей стен­ке. Такие отверстия незначи­тельно нарушают структуру по­ля распространяющейся по вол­новоду волны. В первом при­ближении можно считать, что через малое отверстие ответвляется нор­мальная к плоскости отверстия составляющая электрического поля и касательная составляющая магнитного поля, существующие в волново­де. На рис.4.16 показана связь двух прямоугольных волново­дов, работающих в одноволновом режиме, через отверстие в общей узкой стенке, вблизи кото­рой существует лишь продольная составляющая магнитного поля волны Н₁₀.

Рис. 4.16 Возбуждение волны Н₁₀ с помощью отверстия связи

Сопоставление рис.4.15 и рис.4.16 показывает значительное сходство между структурами ответвляющегося магнитного поля (рис.4.16) и магнитного поля, создаваемого рамкой (рис.4.15). Поэтому возбуждение через малое отверстие связи в общей узкой стенке эквивалентно возбу­ждению с помощью рамки, введенной в узкую стенку. В общем случае, когда через отверстие ответвляются как электрические, так и магнитные силовые линии (например, отверстие прорезано в общей широкой стенке волноводов), возбуждение через отверстие эквивалентно одновременному возбуждению электрическим вибратором и рамкой.

Трансформаторы типов волн. Трансформаторами типов волн называют переходы с одной линии передачи на другую. Эти устройства должны эффективно преобразовывать волну одного типа в волну другого типа, обеспечивать допустимое согласование с подключаемыми линиями в рабочей полосе частот. Такие переходы могут быть использованы и как возбуждающие устройства. Рассмотренные выше возбуждающие устройства представляют собой трансформаторы Т волны, распространяющейся в коаксиальной линии, в одну из волн прямоугольного или круглого волновода. Данные устройства называют еще коаксиально-волноводными переходами.

Плавный переход от прямоугольного волновода к круглому с постепенной деформацией формы поперечного сечения от прямоугольной к круглой служит возбудителем волны Н₁₁ в круглом волноводе (рис. 4.17)

Рис.4.17 Возбуждение волны Н₁₁

Волна Н₁₀ из прямоугольного волновода плавно трансформируется в волну Н₁₁ в круглом волноводе (оба волновода работают в одномодовом режиме на основном типе волны). При длине перехода l> λ_в волны высших типов практически не возбуждаются.

Для возбуждения волны основного типа в полосковой линии используют переход от коаксиальной линии к полосковой линии. Схема перехода к симметричной полосковой линии показана на рис.4.18 и называется сосной.

Рис. 4.18 Возбуждение Т волны в симметричной полосковой линии

Внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной линии выбирают равным толщине диэлектрика b. Для расширения полосы согласования соосной конструкции используется плавный переход от внутреннего проводника коаксиальной линии к полоске симметричной линии. Волновые сопротивления сочленяемых линий делают одинаковыми.

Схема перехода к несимметричной полосковой линии показана на рис.4.19 и называется перпендикулярной. Внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной линии выбирают равным удвоенной толщине диэлектрика 2h. Согласование перпендикулярной конструкции обеспечивается подбором металлического стержня 2R₁, вводимого в полосковую линию, диаметра отверстия D в экране линии, а также подбором длины согласующего шлейфа

l_шл , разомкнутого на конце. Волновые сопротивления сочленяемых линий делают одинаковыми.

Рис. 4.19 Возбуждение несимметричной полосковой линии