книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

Фи г . 1. Зависимость нормализованного зату­ хания от размеров волновода.

пространстве, для определенного сочетания частоты и поверхностного сопротивления, величину Л, полученную на фиг. 1, нужно умножить на рассчитываемую по уравнению

где / — частота, гц и сг0Т1| — проводимость материала стенок, отнесенная к проводимости меди на постоянном

токе (5,8* Ю7 ом 1«ж“1). Сплошные кривые на фиг. 1 даны

для величины А при работе на волне 77ГЙ в прямоуголь­ ном волноводе. Кривая для Ь/а = оо показывает затуха­ ние в волноводе, выполненном в виде двух бесконечно широких параллельных пластин, в котором электриче­ ское поле параллельно пластинам. В этом случае потерн вызваны токами, текущими в поперечном направлении. Кривая Ь/а = оо также показывает затухание в передаю­ щей линии типа «Н-образиый диэлектрический волновод» [101 для толщины диэлектрика, стремящейся к нулю. Из разности между кривыми для определенной конечной величины Ь/а и для Ь/а = оо определяется затухание (в дб), обусловленное токами в верхней и нижней стен­ ках волновода. Две пунктирные кривые дают значения ве­

личии А для волн ТЕ$ и ТЕ$ в круглом волноводе. От­ метим, что если й/Х превышает 1,3, то затухание в круг­

лом волноводе с диаметром О на волне типа ТЕ$ незна­ чительно меньше затухания в волноводе квадратного се­

чения со стороной, равной Л, работающем на волне Т^й- Д л я величин 0]Х < 1,8 затухание волны типа ТЕ$

больше, чем ТЕи в круглом волноводе, или волны ТЕй в волноводе квадратного сечения со стороной Ю. Для очень больших нормализованных размеров волновода нормализованное затухание А приблизительно пропор­ ционально Х/а для волны типа ТЕр0 и конечной величины Ь/а, а также .пропорционально Х/й для волны Т Е $ и (Х/Й)3 для волны Т Е О и (Х/а)3 для волны Т Е & при Ь/а = = сю.

Рабочая точка для стандартного волновода, показан­ ная на фиг. 1, обычно имеет значение Л, равное 42. Из кривой видно, что уменьшение потерь на порядок (А = = 4,2) может быть достигнуто при использовании квад­ ратного или круглого волновода, имеющего размеры по­ перечного сечения в пределах (2—2,5)Х. Как видно также из кривых, в этом диапазоне размеров потери на волне

ния на два порядка, величина А должна стать примерно равной 0,42. Для этого при работе на волне Т Е $ можно использовать отношение О/Х порядка 4. Пр>гработе на

волнах Т Е О или ТЕП с Ь/а = 1,0 потребовались бы сече­ ния с размерами, равными приблизительно 20 длинам волн. Если Ь/а равно 5 или больше (узкий волновод), то использование типа волны ТЕО при отношении а/К, находящемся в пределах между 4 и 5, также дало бы выигрыш в уменьшении затухания на два порядка.

В последнее время было показано [9, 11, 12], что обыч­ ный метод расчета потерь [11, определяющий затухание вследствие потерь в стенках волновода, может привести к существенным погрешностям при наличии вырожден­ ных типов волн даже для очень малых величин затухания. (В методе подсчета потерь мощности затухание опреде­ ляется в предположении, что поля и токи в волноводе с по­ терями приблизительно те же, что и в волноводе без по­ терь.) Для прямоугольного волновода показано, что вол­

ны типа ТЕ^п и ТМЯп, которые в волноводе без потерь яв­ ляются вырожденными, в волноводе с потерями связаны с конечной величиной 1?5 и поэтому неустойчивы (т. е. картина поля в различных сечениях волновода не сохра­ няется). Вместо этого в волноводе с потерями будут су­ ществовать оба устойчивых типа с индексами т и п , но при этом каждый из типов представляет собой линей­ ные комбинации вырожденных типов Т Е и ТМ^п в вол­ новоде без потерь. Более того, постоянные затухания устойчивых типов волн с индексами т и п существенно от­ личаются от постоянных затухания волн как типов ТЕ так и типов Ш П (это вытекает из расчета методом опре­ деления мощности потерь). Фактически два устойчивых типа с индексами т , п представляют собой две линейные комбинации типов ТЕЦг и ТМЦ„ которые, как показы­ вает расчёт методом определения мощности потерь, дают максимум и минимум затухания. Будучи'гораздо выше отсечки, оба устойчивых типа волн стремятся перейти в продольные волны типа ЕЕ, поляризованные под пря­ мым углом одна по отношению к другой в поперечной плоскости. Метод определенияУмощности потерь дает правильный "результат и^для^волн типов Т Е О и Т Е $ в круглом волноводе, поскольку эти типы устойчивы в волноводах с потерями и без потерь. Хотя волны типов Т Е $ и Т М О и являются вырожденными, они не связаны между собой за счет поверхностного сопротивления.

Резюмируя, отметим, что типы воли Т Е О и Т Е О могут представлять интерес для использования в волно­ водных системах с умеренно увеличенными размерами по­ перечного сечения (размеры поперечного сечения порядка одной или двух длин волн). Из последующего обсуждения будет ясно, что указанные типы волн имеют существенные преимущества перед волной Т Е О при конструировании некоторых важных элементов. Для поперечных размеров волновода более двух длин волн тип волны ТЩ имеет преимущество в силу значительно меньших потерь. Пе­ редача мощности высокого уровня на большие расстояния на волне типа Т Е О обсуждалась в [7] и рассмотрена Дан­ ном и Лоевенстерном в разд. 3.6.

Б. Коэффициенты преобразования типов волн для типичных неоднородностей. При использовании волново­ дов с увеличенными размерами поперечного сечения по­ тери могут быть вызваны переходом энергии от рабочего типа к другому распространяющемуся типу волны. Любое отклонение от идеальной цилиндрической геометрии обус­ ловливает связь типов волн в круглом волноводе, в резуль­ тате чего появляются потери преобразования.

Неточности изготовления, а также неоднородности могут быть разделены на сосредоточенные и распределен­ ные. Примеры сосредоточенных неоднородностей — резкие искривления волновода или сдвиги, изгибы, резкие изме­ нения поперечных размеров волновода. Плавные сдвиги, изгибы и переходы можно рассматривать как распреде­ ленные неоднородности. В работе [131 рассмотрены тран­ сформация сосредоточенной неоднородности к распреде­ ленной и соотношения между различными коэффициен­ тами связи типов волн.

Нормализованный коэффициент связи С для резких сдвигов, изгибов и изменений диаметра, показанных на фиг. 2, приведен в табл. 1—3. Физический смысл этого коэффициента состоит в том, что при единичной падающей мощности на рабочем типе волны мощность, связанная с нежелательным типом, равна С2 в предположении, что она измерена на согласованной нагрузке (см. обсуждение резонанса нежелательных типов волн ниже в этом раз­ деле). Приведенные ниже формулы взяты из работ [13, 14—161, где они выведены для типов волн, которые не

слишком близки к отсечке. Коэффициенты ктп в формуле

дискретных близко расположенных связях) между двумя типами волн, как показано в работе 117], мощность мо­ жет периодически перераспределяться между типами воли вдоль участков полноводного тракта, где такая связь

Фи г. 2. Резкие неоднородности.

а— сдвиг; в — излом; в — изменение диаметров.

существует. Коэффициенты связи для распределенного взаимодействия между типами волн могут быть получены из работ [13, 18—21]. Пример случайных неоднородностей рассматривается также в работе [13].

Определенные теоретически коэффициенты связи мож­ но использовать при конструировании элементов тракта, а также при обосновании допусков на размеры. Напри­ мер, используя формулу табл. 2 для изгиба прямоуголь­ ного волновода в Е-плоскости, можно видеть, что для Ь/к = 2,0 изгиб в 1° приводит приблизительно к коэф­ фициенту связи, равному —24 дб, между типом ТЕН и комбинацией типов ТЕП/ТМП. В этом случае комбина-

ны, м2‘/м; Н — коэффициент теплопередачи для случая конвекционного воздушного охлаждения, вт/м2-°С.

Рассмотрим, например, длинный медный прямоуголь­ ный волновод с сечением 71 х 63,5 мм, работающий на частоте 9 Ггц. По волноводу передается средняя мощ­ ность 100 кет. В этом случае 5 = 2(71 + 63,5) *10~3 = = 0,27 м2. Теоретическое затухание для этого волновода может быть получено из фиг. 1 и уравнения (1) и состав­ ляет примерно 0,011 дб/м. При мощности, передаваемой по волноводу и равной 100 кет, это приведет к рассеянию 220 вт/м. Повышение температуры в этом случае составит

220

АТ = 0 , 2 7 - 1 0 , 2 = 81 °С.

Здесь использовано значение коэффициента теплопереда­ чи Н = 10,2 вт/м2*°С, рассчитанное в работе [6]. Изме­ ренное повышение температуры, при аналогичных усло­ виях составило ПО—140 °С; это указывает на то, что об­ щие потери могут быть несколько выше теоретически рассчитанных. Повышение температуры вследствие по­ терь в стенках волновода можно снизить применением охлаждающих ребер. С помощью ребер нетрудно увели­ чить теплоотвод с соответствующего участка волновода приблизительно в 5 раз.

С учетом этого повышение температуры в приведенном

лее эффективно, горизонтальные участки волновода охлаж­ даются довольно легко. На вертикальных участках вол­ новодов могут использоваться наклонные ребра радиа­ торов.

Г. Зависимость максимальной допустимой мощности, передаваемой по волноводу, от формы его сечения и типа волны. Следующие уравнения позволяют вычислить мак­

руируются таким образом, что обеспечивают большое поглощение волны нежелательного типа и незначительное поглощение волны рабочего типа [22].

Как указывалось 'выше, часть мощности, переданная от основного типа волны паразитному (и рассеянная),

Ф и г. 3. Пробивная прочность волноводов.

Е макс = 2’ 9* 10‘ а /с м -

равна С2, где С — нормализованная амплитуда коэффи­ циента связи ,между рабочим и паразитным типами воли. При этом нагрузками для волн рабочего и нежелатель­ ного типов являются соответствующие характеристиче­ ские сопротивления волновода. Это условие выполняется, если используется описанный выше селективный абсорбер с большим поглощением. При конечном поглощении, одна­ ко, часть мощности, которая рассеивается в абсорбере.