Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Диденко А.Н. Сверхпроводящие волноводы и резонаторы

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.47 Mб
Скачать

где De и Do — табулированные коэффициенты разложения. При чет­

ном m необходимо брать /=0

для четных волн и /=2 для нечетных,

а при нечетном m j = ï.

 

Определив векторы Ü Z E

и ,Пг н, с помощью соотношений, которые

связывают их с компонентами поля, можно записать выражения для последних. Задавая граничные условия для тангенциальных состав­ ляющих поля, можно определить фазовые скорости и критические волны каждой из волн Е- или Н-тнпа [156, 157].

Для Е-волны граничное условие, как обычно, сводится к равен­

ству

£ 2 = 0

на

внутренней поверхности волновода

(£=£о):

Rem (ëo,

<7)=0 для четных волн,

 

 

(П.61)

Ro„i(î;o, q)=0

для нечетных воли.

 

 

 

 

 

Пусть q m n

и q m n

соответственно корни этих уравнении. При подста­

новке

q m n

и q m n

в решение уравнения (П.57) получим различные

моды

£-волиы,

которые будем обозначать индексами Етп.

Здесь

 

 

 

ні—число вариаций

поля по

 

 

 

угловой

координате

т|.

 

 

 

Для

Я-волн граничные

 

 

 

условия

имеют

следующий

 

 

 

вид:

 

 

 

" Г

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

1 п

О

0,2

0,t

0,Б О.в е

Рис. П.4. Зависимость критических длин различных волн эллиптических волноводов от эксцентриситета. Пря­ моугольниками обозначены экспери­ ментальные значения.

Re'„,(|o, q)=0 для чет­ ных волн,

(П.62) Ro'm(|o, q) = 0 для не­

четных волн.

Типы колебаний Я т п - в о л н находят аналогично.

Если в круглом 'волно­ воде Як-р определяется ве­ личиной радиуса (или же периметра 2я;/?), то для эл­ липтического волновода сле­ дует учитывать и форму эл­ липса. Эллиптичность харак­ теризуется эксцентриситетом е=Іі/а. Для волноводов та­ кого вида критическая дли­ на волны является функцией двух переменных

Л„р =/•(<!, е): (П.&З)

Вычисление осложняется тем, что коэффициенты разложения Ст, Sm

зависят от параметра q. Так

как при f =

/ к Р волновое число й к Р =

= 2 Vq/h, то Лк Р = 7zh/Vqmn.

Поскольку

нас интересует влияние

эксцентриситета на критическую длину волны, то и значение функции удобно выражать в безразмерных величинах

XKV/a = T.e/Vqmn

или ХхѴ=

ке/Удтп.

(П.64)

Наибольший интерес в области

СВЧ

представляют

самые низко­

частотные типы колебаний Н 0 1 ,

Е 0 1 ,

E j ' , 0 ,

# f } ° , где

индексом „0°

обозначены нечетные, а «е» — четные типы колебаний.

220

Рассмотрим Eoi-волму. Для определения ее критической длины следует решить уравнение

S (_ l ) r D e § f / l r ( 2 Ѵ Ѵ Но ) = 0 .

(П.65)

г=0

 

Ввиду быстрой сходимости рядов учет только четырех членов даст достаточную точность. Коэффициенты De>r «находим интерполирова­ нием табличных значений по трем точкам.

Аналогично можно определить критические длины волн других типов колебаний. Графики зависимости Х„р /а от эксцентриситета

представлены на рис. П.4. Вычисления

показали, что с

увеличением

эксцентриситета

ХКр/а для всех волн

уменьшается. Как следует из

рисунка значения параметра Х„ѵнечетных

волн меньше значений

Якр/а соответствующих четных

воли.

 

 

 

Определим теперь коэффициенты затухания при распространении

волн в гладких

эллиптических

волноводах.

Используя

материалы

гл. 2, можно показать, что для эллиптических

волноводов [158]

С<Е >=

где

(H)

C<H> =

Rs ШГ- sh2 £0 2Z0 кг

сШzE. 2 i

dx

(П.66)

2Z0

K2kk.

 

rfn.

Sin- 7) rf-/)

 

zH

 

dx

 

\

I r r z H I2

d-ndt

in.•zH 1 ' i di\

Здесь (i = a(l—e2 cos2

v))1 /2 ; x=x/ichg.

v=k/x,=f/fup. Тогда ко­

Введем понятие

относительной частоты

эффициент затухания

может быть записан

следующим образом:

 

 

R,

Ä 2 sh 2 £ 0 v

 

 

 

2Z„

y^TZTT

 

 

 

 

 

(П.67)

,(Н)

_ о

( ѵ 2 _ 1 ) С < и > - С < н >

 

 

2Z„

| / Ѵ 2 .

 

221

где

I dll.

dt]

dx I (! —e^cos^T))'/2

С<Е > =

^ « ^ І П ^ І М І - ^ с о з ^ / ] ) 1 / 2

c<H>

В настоящее время в литературе подробно просчитано с учетом ко­ нечной величины фактора когерентности поверхностное сопротивление для свинца и ниобия иа частоте /=11,2 Ггц. Тогда сопротивление на любой частоте, как уже отмечалось, можно выразить через его со­ противление на частоте 11,2 Ггц,'т. е. Rs({) =Rst (///О2 , где R.,i—.по­

верхностное сопротивление металла при /і*=11,2 Ггц и выражения для а'Е> и а ( И ) запишутся в виде

(/.р/П.2) =

 

 

 

 

(П. 68)

« < н > «

Rsi

a [ С | И ) ѵ (ѵ= — 1) +C^""vJ

(/„p/11,2)=

2Z0

Ѵ^— 1

На рис. П.5 и П.6 построены графики частотных зависимостей коэффициентов затухания волн Е0 і и Ноі для ниобиеЕых волноводов

ctg -10s

аа 101

1,5

1,0

" A

О

2,0

2,5

О, I 1,5

Рис. П.5. Зависимость затуха­ ния от V для волны £ о і волно­ вода эллиптического сечения.

Рис. П.6. Зависимость затуха­ ния от V для волны Яш волно­ вода эллиптического сечения.

222

при 7"=4,2К для трех

значении эксцентриситета Ci =0,35; е2 =0,50 и

ез=0,65. При расчетах

предполагалось, что на частоте 11,2 ГГц при

7'=4,2К поверхностное

сопротивление Rt i = 3,29 • 10 - s Ом. Аналогично

могут быть построены графики для других температур других типов волн и других материалов. На основании этих графиков можно сде­ лать следующие выводы.

1. Затухание принимает минимальное значение при определенных частотах. Так, для Е-волны ѵ М і ш = 1 , 2 І , для Н-воли v M n u зависит от геометрии поперечного сечения. Острые минимумы показывают более сложную, чем при обычных температурах, зависимость поверхностно­ го сопротивления от частоты.

2.

С увеличением эксцентриситета затухание электромагнитных

волн увеличивается;

особенно чувствительна

к этому волна Еоі.

3.

В

области

сверхпроводимости

волна

Ноі теряет свое

отличи­

тельное

'Свойство — уменьшение затухания

с

увеличением

частоты.

Даже

когда

е = 0 , то, как уже

 

 

 

 

 

указывалось

в гл. 2,

затухание

 

 

 

 

 

волны

Ноі,

начиная с ѵ=3,

 

 

 

 

 

остается

постоянным. С

увели­

 

 

 

 

 

чением

е

коэффициент

затуха­

 

 

 

 

 

ния волны

Ноі

то

же

будет

 

 

 

 

 

иметь

минимум

при определен­

 

 

 

 

 

ных V, однако по-прежнему ве­

 

 

 

 

 

личина

 

затухания

остается

 

 

 

 

 

меньше соответствующих

значе­

 

 

 

 

 

ний затухания для волн типов

 

 

 

 

 

ЕОІ, Е°и и Е е ц .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следующим важным вопро­

 

 

 

 

 

сом является вопрос о рас­

 

 

 

 

 

пространении электромагнитных

 

 

 

 

 

волн

в

диафрагмированных

Рис.

П.7.

Диафрагмированный

волноводах

эллиптического се­

волновод

эллиптического

сечения

чения.

Как

уже

отмечалось,

 

 

 

(в разрезе).

 

это представляет

значительный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

интерес. В последнее

время по­

 

 

 

 

 

явились сведения о том, что такие -системы могут быть использованы в различных областях [154, 159]. Итак, пусть имеется диафрагмиро­ ванный волновод эллиптического сечения (рис. П.7). Пусть уравнение внешнего контура £ = § 2 , а уравнение эквипотенциальной кривой, разделяющей 'пространство взаимодействия и пространство резона­ торов, | = ё і .

Рассмотрим сначала распространение Е-волны. Как обычно, дис­ персионное уравнение может быть получено из приравнивания состав­

ляющих

электромагнитного

поля на границе раздела двух областей

 

Ii

 

 

 

(П.69)

 

 

 

 

 

В общем

случае

 

 

 

 

 

 

L f C m R e m ( i .

qmr)

+ DmFeym

(g,

qmr)\cem

(Ï), qmT),

£z =

 

 

 

 

 

(П.70)

S fS m Ro m (Ç,

qmr)

+ £>'mGe yM

(£,

qmr)]sem

(i\, q„.

 

m=0

I S

rCm Re'n l (Ê,

qmr) +

D,„ Fey',„ (Ç, qmr)] ce,„ (т),

^,„r ),

2J

[S m Ro' m (Ç,

(/„„.)+

D'„,G'ey„1 (i, gm ,.)]sem (-»),

(Jm r ).

I m=0

 

 

 

 

Верхние выражения относятся к четным, а нижние—-к нечетным Е-волнам.

Поскольку «сшивание» всех членов в пространстве резонаторов и пространстве взаимодействия приводит к очень громоздким выра­ жениям, то ограничимся пока импедапсным приближением, для кото­ рого достаточно учитывать в каждой области только по одному типу колебаний.

Решения уравнения Матье могут быть записаны в виде рядов функций Бесселя первого и второго рода [155]:

Re2P (t. Я) = £

£ £

 

Й

^

Е

( - ° " D e |

f / 2 n ( X , l d

l

Re2 p + 1

(i,

q) =

 

x / j D e 2 p + i

^

 

 

 

œ

 

 

 

 

 

 

 

 

X

2

( -

1)"

 

 

(*A ch Ç).

(П.71)

 

 

rt=0

 

 

 

 

 

 

 

Fey2 p (Ç, <?) =

ce2

 

(n/2,

 

q)

со

 

О* De|gWï n

(*ft ch 5),

 

 

 

( -

(П.72)

0 6

p " ^ '

?

)

 

 

 

 

 

 

 

00

 

 

F e y 2 p + 1 (Ij, </) =

2 C e

^ p e £ /

+

2 i '

? )

J ] ( - »)" D e £ + X + 1

И ch Q,

 

„„

 

 

 

 

2se 2 p + , (я/2, g)

 

 

X t h i ; ^ ( - l ) " ( 2 / i + l ) D o U + j / l B + 1 ( x A c h S ) ,

(П.73)

n=0

224

• 4 s e , a p + 2

(я/2,

?)

х

Л

 

pь/и,-+2

2

 

2

0X

 

 

 

 

2

 

/ s e 2 p + 1

(я/2,

о)

= 1<7Г 5 е " в о ^ і '

1

R O Ü P + J J ( | , 4 ) =

t h

5 J ] ( -

1)"

(2" +

2) Do|g+l/,r t + ,

(xA ch 6),

 

n=o

 

 

 

 

 

Q e y 2 p + i

(Ê,

<?):

 

 

 

00

 

 

 

 

t h

( - 1 ) П ( 2 Л + І )

D 0 ^ ' ' ^ " + I

( x A c h 6 ) '

 

n=0

 

 

 

 

G e y 2 p + 2 ( £ , ?) =

oo

 

^ Г 8

6 ,

' п

^ '

? ) * Ь б У ! < - l ) « ( 2 n + 2 ) D o f f t 2 X , + 1

(xAchü).

 

 

 

J

 

 

n = 0

 

 

 

 

 

(П.74)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С учетом вышеизложенного отношение Ег/Н^

 

для четной Е-волны

для

II области,

где

х =

А,

запишется в

виде

 

 

 

 

 

 

Я

 

[„ -

*'«Z «

Re'm (Ç, q) +

A Fey'm

« , ,)

*

* 1 ' 7 Ь >

Подставляя

сюда значения

R e m

п Feym

и их производных,

получаем

 

 

 

 

2»',

S

( -

1)я D e , n + j / 2 n

+ j

(АА ch

+

 

 

 

 

 

 

п = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ash È S

(—

1)" D e 2 n + 3 - / ' 2 n + 3 -

(AAch Ü)

+

 

 

 

 

 

oo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

-4» И

( - 1)" D e 2 n + 3 A ' 2 n +

3 (AA ch Ç)

 

 

 

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

 

 

 

(П.76)

 

 

 

 

55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

A S

( -

1)" D e 2 n + # ' 2 + 3

(AA ch | )

 

 

 

 

 

 

nr=0

 

 

 

 

 

 

 

 

На

внешней

границе | = | 2 .

*z=hi[{a2+b2)/(a2бг)]1/2,

тогда

 

 

 

 

 

S ( - l ) " D e ^ + j . / 2 n + 3 ( A A c h y

 

 

 

 

Л

 

 

 

 

 

 

 

.

 

(П.77)

 

 

 

 

S ( - l)"De 2 ^+'iV 2 n + 3 - (AAch y

 

 

15-231

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

225

Запишем

теперь

выражение для Ez/Hn

в

пространстве

взаимодейст­

вия. В общем случае это выражение будет иметь вид

 

 

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

(«/.che)

 

 

 

 

e */i n =o

 

 

 

 

( П 7 8 )

 

Я „1

]

ftftZ sh £ oo

 

 

 

_

 

 

 

 

S ( - I ) " D e l g + { / ' ï n + ,

(xuchÇ)

 

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

 

Приравнивая выражения (П.76) и (П.78)

при

можно получить

дисперсионное уравнение в следующем

виде:

 

 

 

 

 

 

со

 

 

 

 

 

 

 

 

S ( - l)''De^+jV 2 l l + 3 -

(xAchS.)

 

 

 

 

 

S ( - l ) » . D e | £ + J / ' 1 1 1 + ,

(xftchÇ.)

 

 

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

 

S ( - l ) " D e | ^ W î n + , ( x A c h Ç , )

 

 

 

 

I

( - l ) " D e ^ + ; . / V ' 2 n + J ( ^ c h С,)

 

 

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

(П.79)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S ( - 1 ) " D ^ î / / » » + *

(«A chÇj)

 

 

Q 2 „ - H ( W

=

^

 

 

(i=U

 

2);

S ( - l ) " D e | g + ^ l n + i ( « Ä c h e ( )

/1=0

 

S (— 1)" D e ^ + ^ ' 2 n + j

(xft ch £,)

 

« W * (6.) =

- ^ ?

 

 

 

 

 

S ( - l ) " D e № ' 2 7 l + 3 - ( x / z c h & 1 )

 

 

 

L 2/i +

/

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

Если фазовая

скорость

волны

Ѵф=с,

то к=0. При

х = 0 все

De2n=0, кроме Deo=l. Для

Ео-волны отношение EzIHn

в области

пространства взаимодействия

на границе

£ = І і выразится так:

226

В этом случае дисперсионное уравнение сильно упростится

kh ch £ ( - 1)" D e ° „ / 2 n (kh ch I-,) +

л = 0

2 S ( - l ) » D e g n i V ' , I 1 ( * A c h Ç I ) + n=0

+ 2 Ц ( - l ^ D e " , / ' , , ,

n=0

со

+ kh ch S, £ ( - 1 ) n De^iV2 (kh ch 6,

 

н=0

 

00

 

2 ( - ' ) " DcV=n (AAchÇ,)

 

_ n = 0

(П.81)

0 0

 

S ( - 1 ) " 0 е ° , / У 1 п ( * А с [ | Ь )

 

л=0

 

Если ft—>-0, то эллиптический волновод обращается в круглый

диафрагмированный и уравнение (П.81) переходит в дисперсионное

уравнение для круглого волновода с учетом только одной простран­ ственной гармоники, справедливое для

/0

{kr-Л _ kaJ0 (kr2) 1JX

(kr2)

(П.82)

Nt

(k7j~kaN0

(kr2)-2N1

(kr2)

 

Аналогично можно получить_дисперсионные уравнения для Н-волн.

Для четных Н-волн

выражения "для Е^Нг

запишутся в виде

 

 

 

in

Z0h sh I X

 

со

и

 

 

 

 

 

 

S ( - l ) n D e ^ + / / ' l n + , ( * A c h i ) +

 

S ( - l ) - D e 2 2 ^ + 0 2 n + n ^ c h i ) +

 

n=0

 

 

 

+

A

£ ( - 1) "

Def£+/ Л " 2

я + І (kh ch g)

 

 

 

rt=Q

 

 

(П.83)

•+

A

S ( - 1)" De^+ | tfîn+,

(kh ch g)

 

 

 

n=0

 

 

 

15*

227

где

 

n =0

 

"2л+ j '

A =

 

 

 

 

 

 

I]

( - l ) » D e 2 £ + j > 2 n + ^ c h y

 

л = 0

 

 

 

 

00

 

 

 

S

( - l ) " D e ^ + j / ' ï f l + , ( « A c h o

S( - 1 ) " О е | і ; + | / 1 я + і ( х А с Ы )

л= 0

Дисперсионное уравнение для этого случая

00

 

S

(—1)"

Del5+|

(кА ch

g,)

 

 

_ft

л = 0

 

 

 

 

 

 

_ / Г Я ч е т ( / i / i c h 6 і ) д

*

»

( - 1)"

ч

e ^

î } c

h i ,

^ ч е т ( * А с , 1

5 і ) '

 

1

D

)

 

 

 

л = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

(П.85)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F'„ q e T

(kh ch I) =

£

( - 1 ) "

De^+j / ' 2 n + ,

(AA ch E,)X

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

XS

( - l r D e ^ + l ^ + ^ M c h g , ) -

 

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

S

( - 1 ) " De^+j 7 ' 2 n + i

(ÄA ch Ы X

 

 

 

 

Л = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

2

De|g+/ ( - 1)" W ' 2

n + i (AA ch g,);

 

 

 

 

л = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

F f f 4 e T

(kh ch І) =

лS= 0

( - 1) "

D e & î /

(M ch g,)

X

 

 

X

S

H

 

° 2 л + ;

 

 

 

 

 

 

О" De^+) Z V ' 2 n + , (ÄA ch | 2 ) -

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

228

 

 

- £

( _ i) n D e ^ + } / ' 2 n + 3 -

 

(AAchÊ,)X

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

XS

( - 1)" D e ^ + | W l n

+ i

( M c h 6 , ) .

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если иф

= с, то

X = 0 и уравнение

(П.85)

для

четной //„,-волны

примет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

( - О 7 1

De°2I'tn

(khch g,) +

/1 2

( - 1)" De°„/V'2 n

(AAch|,)

л = 0

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

 

 

CO

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

 

S

( - 1)"

De°„ 7 2 n

(khch g,) +

/1 S

( - l ) " D e ° / ; iV2 n

(AAch | . )

/1=0

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AA ch t,

 

 

 

 

 

.86)

 

 

 

=

 

5 - ^ -

 

 

 

 

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

( - 1) " De°„ /' „ (/e/i ch У

2 S

( - 1)"

De°„ / ' 2 n

(АЛ ch g,)

+

n=o

 

 

 

»=o

 

 

 

 

 

 

 

OO

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

 

2 ( - l ) " D e ° „ A f ' 2 n ( A A c h y

2

Ц

(—1)" Deg„ N'în

(kh ch | , )

+

n=0

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

WichÇ, S

( - 1)" D e ^ / 2 n

(AAchg,)

 

 

 

 

^

 

 

 

 

 

 

 

(П.87)

 

 

+ kh ch І, S

( - 1 ) "

De°„

tf2n

(ЙА ch g,)

 

 

 

 

/1=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Строго говоря, полученные выражения справедливы только для

четных Е- и Н-волн, для которых т = 0 . Если

тфО,

то как для чет­

ных, так и для нечетных электромагнитных волн деление на чистые Е- и Н-волны невозможно. В этом случае в эллиптическом волново­ де, как и в диафрагмированном волноводе круглого сечения, будут распространяться линейные комбинации электрических и магнитных волн.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ