книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

может быть значительно выше или ниже С2, в зависимости, от того, будет или не будет резонировать нежелательный тип волны. В работах [8, 9] были проведены расчеты для плавного перехода от одноволнового волновода к много­ волновому с использованием шестиполюсной эквивалент­ ной схемы. В этом случае предполагалось, что если много­ волновый (выходной) волновод нагружен на согласован­ ную нагрузку для рабочего типа волны на «зажимах» 3—3 и для паразитного типа волны на «зажимах» 2—2, то и одноволновый (входной) волновод будет нагружен на согласованную нагрузку на «зажимах» 1—1 (фиг. 4).

Отношение мощности Р2, рассеянной волной резонирую­ щего нежелательного типа, к мощности Рх, переносимой на основном типе волны, имеет максимальную величину на резонансе

В выражении (5) предполагается, что на «зажимах» 2— 2 подключена короткозамкнутая линия, имеющая при однократном прохождении паразитной волны потери, равные А (в дб), а на «зажимах» 3—3 находится согласо­ ванная нагрузка. Максимальное значение к. с. в. н. для волны рабочего типа наблюдается при резонансе

Исходя из анализа, проведенного в работе [8], можно показать, что максимальное значение отношения норма­ лизованной амплитуды А2 электрического (или магнит­ ного) поля нежелательного типа волны к нормализован­ ной амплитуде электрического (или магнитного) поля падающей волны рабочего типа наблюдается при резо­ нансе

где отношение Р2/Рг получено из выражения (5). Отноше­ ние {Ау/А^ рез выражает число раз, в которое нормализо­ ванная амплитуда электрического (или магнитного) поля на нежелательном типе превышает амплитуду поля падаю­

щей волны в результате резонансных явлений ( —

относительная мощность нежелательного типа волны в ре­ зонансе).

Выражение (5) показывает, что (Р21Р-д имеет макси­

деляет наихудший случай связи между типами волн. Для малых величин А и С наихудший случай связи наблю­ дается при уменьшении С2 до С2 = А/4,343. Отметим, что в наихудшем случае связи (Рг1РдРез равно 1, если С = 1, и равно 0,5, если С намного меньше 1. Из уравнения (6)

если С мало по сравнению с 1. Далее из выражения (6) вид­ но, что если С2 много меньше А/4,343, то величина (к. с. в. н.)рез приблизительно равна 1. Это означает, что паразитный резонанс при этих условиях может быть вызван даже весьма малым рассогласованием импедансов в линии.

Выше было показано, что величина (Р^/.Рг)рез» нахо­ дясь в пределах 0,5 и 1,0, соответствует наихудшему условию связи. Из выражения (7) видно, что максималь­ ная величина А2/Аг лежит в пределах между уровнем 3 дб и значением [1 — ехр(—4Л/8,686)]-1^; для малых величин А это примерно равно (8,686/АА)1^.

Возрастание электрического и магнитного полей, наб­ людаемое при резонансе паразитных типов волн, может привести к заметному снижению допустимых средней и максимальной мощностей волноводных систем. Величины указанных мощностей могут оказаться ниже значений, полученных из уравнений (2)—(4). Уменьшения допу­ стимой мощности можно избежать, однако, путем кон­ струирования системы таким образом, чтобы коэффициент перехода С был минимальным, а также использованием селективных поглотителей паразитных волн с весьма большими величинами поглощения А [22]. Для примера рассмотрим типичный случай С = 0,1 или — 20 дб; при этом наихудший случай связи соответствует величине А

примерно 0,04343 дб. При этих условиях (Р2/^ 1)рсз при­ близительно равно 0,5 и(А2/А1)рсз составляет 14,7. С дру­ гой стороны, если величина А = 3,0 дб используется в сочетании с С = 0,1, то уравнение (5) дает (Р2/Р1)рез =

=0,295, а из уравнения (7) следует, что (А2/А1)рез = 0,2 .

111.Конструирование элементов волноводных трактов увеличенного сечения для систем

высокого уровня мощности

Вследующих разделах мы рассмотрим конструкции элементов волноводных трактов с увеличенными размера­

ми поперечного сечения. Один из классов этих элементов характеризуется размерами поперечного сечения в пре­ делах 1,5—2,5 длины волны в свободном пространстве Х0. В этом классе элементов сравнительно мало распростра­ няющихся паразитных типов волн и они имеют характе­ ристики, изменяющиеся в широких пределах. Преимущест­ во этих систем может часто проявляться в том, что нару­ шается симметрия распределения полей отдельных типов волн, что предотвращает возникновение основных неже­ лательных типов, когда волна рабочего типа попадает на неоднородность в волноводе. В этом аспекте как преиму­ щество может рассматриваться и различие в постоянных распространения отдельных типов волн. Для данных по­ перечных размеров эти различия могут быть существен­ ными, а паразитные типы волн могут подавляться про­ цессом расфазировки [17], когда связь с паразитным ти­

пом волны имеет место вдоль оси волновода на расстоянии порядка одной и более волноводных длин волн.

Другой класс рассматриваемых элементов характери­ зуется размерами поперечного сечения порядка 10А,0 и бо­ лее. Для этих элементов число распространяющихся ти­ пов воли становится очень большим, и .при этом многие типы имеют почти такие же постоянные распространения и те же плоскости симметрии поля, что и волна рабочего типа. Таким образом, только что описанные принципы подавления нежелательных типов волн не могут быть использованы для получения низких потерь преобразова­ ния. Для этого класса элементов следует применять квазиоптические принципы [23, 24].

Изложение этих принципов будет относиться к таким волноводным элементам, как переходы, изгибы и направ­ ленные ответвители. Эти элементы могут пропускать мощности, которые на порядки превышают мощность, типичную для волноводных элементов стандартного сече­ ния. Основная задача при конструировании сводится к снижению амплитуды паразитных типов до требуемого уровня (—25 н--- 30 дб по отношению к падающей волне рабочего типа).

А. Переходы. Переходы обычно используются для соединения волновода стандартного размера, каким обыч­ но является сечение выходного устройства источника СВЧ-мощности, с волноводом передающей линии уве­ личенного сечения. Переходы могут также требоваться в различных элементах тракта с увеличенным сечением для трансформации его размеров до величин, оптимальных для конструкции элемента. Существуют прямолинейные переходы (фиг. 5, а) с постоянным углом перехода и рез­ кой неоднородностью на каждом конце и плавные пере­ ходы (фиг. 5, б) с углом перехода, постепенно меняю­ щимся вдоль перехода.

1. Прямолинейные переходы. Прямолинейные перехо­ ды анализировались Солимаром для круглого волновода, передающего волну ТЕ$ [25, 26—281, и для прямоуголь­ ного волновода на волне ТЕ& [291. В круглом волноводе диаметром й на волне ТЕО переходы возбуждают волны паразитных типов ТЕ$г. Если входной волновод на фиг. 5, а является запредельным для волн типов ТЕО

сп > 1, то потери преобразования могут возникать

только вследствие неоднородности на выходном участке перехода. Нормализованный амплитудный коэффициент

Сосредоточенныенеоднородности

т

I

а

б

Фи г. 5. Волноводные переходы.

а— прямолинейный переход; б — плавный переход.

связи С для волн типов ТЕО и ТЕ^> на выходе перехода согласно [25] можно представить в виде

Тогда С2 выражает мощность, связанную с нежелательным типом волны и приходящуюся на единицу падающей мощ­ ности волны рабочего типа.

В симметричном переходе в //-плоскости в случае прямоугольного волновода, работающего на волне ТЕ&, возбуждаются паразитные волны типов ТЕуо с нечетным

т . В переходе, симметричном в плоскости Е , возбуж­ даются паразитные волны типов ТЕН/ТМ& или (ЕЕ)1п

слюбым п. Амплитудный коэффициент связи волн ТЕЕ

иТЕЕ для перехода, симметричного в плоскости Н (дх =

в переходе в ^-плоскости примерно в 10 раз сильнее, чем связь с типом ТЕ& в переходе в //-плоскости при сопо­ ставимых размерах. Из анализа Солимара также видно, что коэффициенты связи быстро уменьшаются с ростом индекса ш для паразитного типа волн. В частности, коэффи­ циенты связи с паразитной волной высшего типа пример­ но на 10 дб меньше коэффициентов связи с паразитной волной предшествующего типа, получаемых из выраже­ ний (8)—(10).

Отметим, что амплитудные коэффициенты связи для прямолинейных переходов обратно пропорциональны дли­ не перехода Е. В случае увеличения Е в два раза преобра­ зование типов уменьшится только на 6 дб, и для полу­ чения очень низких величин преобразования в прямо­ линейном переходе могут потребоваться неприемлемые длины.

2. Плавные переходы. Низкую величину С для преоб­ разования типов воли можно получить в плавном перехо­ де (фиг. 5, б) с длиной, уменьшенной в сравнении с пря­ молинейным переходом. В этом случае для обеспечения заданного распределения взаимодействия типов [18, 30] угол перехода делают меняющимся вдоль оси перехода. Одним из вариантов изменения угла перехода является зт"(яр/рг), где показатель п может иметь произвольную

+ “48- — 10,962 ^зш х— ^ з т 3 ^4-4,010 соз1я з т я-—

— соз6х з т л;4— соз8 х 5т х| +

+ ^ г [ 23 , 1 0 б ( 4 - со5 ^ з т х + 4 . з т 2 * 4 ~ § “ * ) —

— 11,580 соз5 х з!п х + 5,503 соз7 х $ т я —

выходного волноводов. Уравнения (12)—(14) являются приближениями, которые получены при раскрытии ин­ тегрального ряда с использованием членов соответствен­ но до шестой, третьей и пятой степеней1).

Для круглых волноводов, работающих на волне Т Е О ,

перехода, зависящая от длины перехода.

Следующие уравнения выведены для прямоугольных волноводов с шириной а и высотой Ь для п = 1, 2 и 3:

х) Уравнения (12) — (14) более полны, чем уравнения трансфор­ мации Янга [30], в которых содержится несколько типографских опечаток; уравнение (13) совпадает с уравнением (24) работы Ангера [18], если р =* р4.

(а) переход в //-плоскости (Ь постоянно, а изменяется)

(б) переход в /;-плоскости (а постоянно, Ь изменяется)

(в) комбинированный переход в Е- и //-плоскостях (изменяются а и Ь, а отношение а/Ь постоянно). В этом случае соотношение записывают обычно в терминах пе­ рехода в /^-плоскости

Переменный размер поперечного сечения й в волноводе определяется следующими уравнениями, которые выве­ дены для всех типов волн:

Кг, можно определить из следующих соотношений, ко­

В выражениях (22)—(24) А2 — нормализованная ампли­ туда волны паразитного типа на выходе перехода1), а С —

*) |Л2|2 — мощность, переносимая полной паразитного типа па выходе перехода, отнесенная к единице падающей мощности волны рабочего типа.