книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

/ — частота; /ко — критическая частота, соответствующая Х10 =

=2 а;

Г(а, х) — функция для плавных переходов [уравнения

(11)—(14)1; Рп — параметр связи [уравнение (31)];

гощелевого ответвителя; ЬЕ, ЬМ — продольные электрические и магнитные типы

Я3— поверхностное сопротивление волновода;

Т— размер поперечного сечения волновода (фиг. 2 и 6);

Т— поправочный коэффициент для конечной тол­ щины стенки связи [уравнение (36)];

Т — температура волновода [уравнение (2)];

р— параметр квазиоптического изгиба [уравне­ ние (32) и (34)];

9.В и И е г \у о г I Ь Л. 5., С и 11е п А. Ь., К о Ь з о п Р. N.. ОуегтосЫ гес!апби1аг \уауебш(1е Гог ЫбИ-ро\уег Егапзпнззюп, Ргос. 1ЕЕ фпб), 110, рр. 848—857 (Мау 1963).

Ю.Т \ 8 с Ь е г Е. Л., РгорабаПоп оГ Ше Н-бшйе а1 писгочуауе ап4 шПНте4ег-угауе гебтп, Ргос. 1ЕЕ (1лк1), Р1. В, 106, 5ирр1. (сопуепЙоп оп 1опб-<Нз1апсе {гапзпНвзюп Ьу \уауеби1с1е), рр. 47—53 (Лап. 1959).

30.Т а п б С. С. И., ОрНгшгаГюп оГ мауедшЛе 1арегз сараЫе о! тиШтоЛе ргорадайоп, 1РЕ Тгапв. Мьсгоюаое Ткеогу Теск.,

45.С о Ь п 5. В., ОеГегпнпайоп оГ 1Ье арегГиге рагатеГегз Ьу е1есГго1уИсЙапк теазигетеп1з, Ргос. 1РЕ, 39, рр. 1416—1421 (ЬТоу.

рага11е1 теЫНс р1а1ез, Ргос. 1ЕЕ (ЬпЛ), РГ. III, 98, рр. 47—55 (Лап. 1951).

48.О 1 1 п е г А. А., М а 1е с Ь Р. С., МиГиа! соирНпб т тПпйе зсаптпд аггауз, т М1Сго\уауе Зсаппшд АпГеппаз (Й, С. Напзеп, еЛ.), Ые\у Уогк, АсаЛ. Ргезз, уо1. 2, СЬар1. 3, рр. 199—208, 1966.

53.II п б е г II. О., НеПх \уауебшЛе 1Ьеогу апЛ аррПсаНоп, Ве11 Зуакт ТесН. 37, рр. 1599—1647 (14оу. 1958).

А Лс-ЫббегеЛЫбк-5рееЛ Ыбк-рошег гшсгспуауе зрагк-бар з\уИсЬ,

1ЕЕЕ Тгапз. Мкгошаое ТНеогу ТесН., МТТ-13, рр. 28—32 (Лап. 1965).

3.3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ волноводы

3 .3,1 . ОДНОПРОВОДНЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНОВОДЫ

Гу б о

I.Физические предпосылки

Воднопроводных поверхностных волноводах, обычно называемых передающими линиями с поверхностными вол­ нами или (7-линиями, в качестве волноведущей системы используют проводник, покрытый слоем диэлектрика [1]. Такие линии имеют физическую общность с коаксиаль­

ными линиями, что и будет показано ниже. Коаксиальная линия, представленная на фиг. 1, а,

заполненная воздухом, передает энергию на поперечных электромагнитных волнах, которые распространяются по ней со скоростью света. Токи на внутреннем и внешнем проводниках имеют в каждом поперечном сечении линии одинаковые величины, но разные направления. Если пространство между внутренним и наружным проводни­ ком полностью заполнить диэлектриком с относительной диэлектрической постоянной е/е0 (е0 — диэлектрическая постоянная для воздуха), то характер волны не изме­

нится, однако скорость уменьшится в Т/е/ео раз. Теперь допустим, что диэлектриком заполнена только

часть пространства, так что внутренний проводник на­ ходится в диэлектрической оболочке. Тогда скорость распространения волны будет иметь величину, лежащую между скоростью волны в свободном пространстве и в ли­ нии, целиком заполненной диэлектриком. Кроме того, будет наблюдаться принципиальное изменение в струк­ туре электрического поля, заключающееся в том, что электрическое поле будет иметь не только поперечную составляющую, но и продольную. Электрические сило­ вые линии искривляются, как показано на фиг. 1, б, и некоторые из них не достигают внешнего проводника. Следовательно, ток во внешнем проводнике уменьшается за счет появления тока смещения, вызванного продольной составляющей электрического поля.

Если радиус внешнего проводника увеличивать, как показано на фиг. 1, в, то все большую долю тока будет составлять ток смещения, и если радиус внешнего про­ водника делать очень большим, ток в этом проводнике будет стремиться к нулю. Таким образом, внешний про-

Внешний проводник

ГУПуЧ^Силовые линии т : п Т электрического поля

'Внутренний проводник

покрытие

Ф и г . 1. Установление поля поверх­ ностной волны от исходного поля вол­ ны ТЕМ в коаксиальной линии.

а — поле о коаксиальной линии с однородным диэлектриком; б —поле и коаксиальной линии с диэлектрическим покрытием внутреннего проводника; о —поле в линии б при увели­ ченном диаметре внешнего проводника.

водник становится ненужным. По внутреннему провод­ нику с диэлектрической оболочкой может распростра­ няться волна без потерь на излучение в пространство.

Данное выше объяснение позволяет предложить и метод возбуждения этой неизлучающей поверхностной волны. Начиная с секции коаксиальной линии, внутрен­ ний проводник которой покрыт диэлектриком, диаметр внешнего проводника постепенно увеличивается, пока не станет настолько большим, что токи в нем становятся исчезающе малыми и проводник можно оборвать. Таким способом волна в коаксиальной линии постепенно транс-

формируется в поверхностную волну. Возбудители (обыч­ но называемые излучателями), используемые на практи­ ке, представляют собой секцию коаксиальной линии, у которой внутренний проводник соединен с проводником

Диэлектрическое

_покрытие_

Проводник

Ф и г. 2. Схематическое изображение линии с поверхност­ ной волной.

поверхностной волны, покрытым диэлектриком, а внеш­ ний проводник продолжен конусообразным рупором, как показано на фиг. 2.

II.Расчет и характеристики

передающих линий поверхностных волн

А. Потери передачи. В литературе [2, 3] приведены расчетные графики для определения потерь передачи, фа­ зовой скорости и диаметра поля как функции размеров линий с поверхностной волной. Если уменьшение фазо­ вой скорости относительно скорости в свободном прост­ ранстве не превышает 10% (что обычно имеет место), то джоулевы потери в проводнике Ь и потери в диэлекрике, окружающем проводник, /,д могут быть выражены следующими соотношениями [1]:

(предполагается проводимость меди 5,65-1011 ом~1»м~1) и

ГО

где / — частота, Мгц\

—диаметр проводника без диэлектрического слоя, ж;

2 — сопротивление линии; 1§6 — тангенс диэлектрических потерь;

Величина т определяется из трансцендентного уравнения

где X — длина волны, м\ с10 — наружный диаметр диэлек­ трического слоя, м.

Сопротивление 2, которое определяется как отношение мощности поверхностной волны к полному квадрату тока

Дд = 9,Ы 0 -2. 0 , 0 2 ( 1 - ^ ) . 8 0 0 . ^ Г = 0 , 4 9 . 1 0 - ^ .

Таким образом, суммарные потери составят

^Прли — ^ = 3,1 • 10-3 дб/м.

Б. Допустимая передаваемая мощность. Максимально допустимая мощность Рмакс, передаваемая линией с по­ верхностной волной, определяется пробивной напряжен­ ностью Ео воздуха, окружающего проводник, и записы­ вается в виде

где Е0 — пробивная напряженность поля, в/м [4]. Вели­ чина Е0 обычно имеет порядок 2,9* 102 в/м. Для примера, приведенного выше, в котором 7. = 200 ому = 2,3 см и V|с = 0,98, максимальная мощность в линии составит Рмакс ^ З - 1 0 4 Средняя допустимая мощность (Рср) ограничена наивысшей температурой, которую может вы­ держать диэлектрическая оболочка проводника. Можно оценить температуру в слое диэлектрика в предположе­ нии, что все тепло поступает в слой диэлектрика из про­ водника. Тепло ф, выделяемое на единице длины линии, выразится

Это тепло может передаваться окружающему воздуху. На фиг. 3 показано семейство кривых, иллюстрирующее передачу тепла" от цилиндра, окруженного воздухом, в зависимости от диаметра цилиндра. Параметром в этом семействе является разность температур между поверх­ ностью цилиндра и воздухом1).

Перепад температур Д7 в слое диэлектрика зависит от теплопроводности диэлектрика и определяется выра­ жением