fadeeva / Лекция 9

Тема 8

Возбуждение электромагнитных волн в линиях передачи

Для возбуждения волн в линиях передачи используют специальные элементы, называемые возбуждающими устройствами, а для вывода энергии из линии применяют устройства связи с внешними нагрузками. Отметим, что в качестве возбуждающих устройств и устройств связи с внешними нагрузками в технике СВЧ используют одни и те же элементы. Это следует из теоремы взаимности для случая двух излучателей, расположенных в изотропной среде. Эту теорему можно распространить на линии передачи с устройствами ввода и вывода энергии при условии, что и линия, и эти устройства не содержат анизотропных (невзаимных) элементов.

Н

Рис.52

а практике для ввода или вывода энергии из волновода используют достаточно малые элементы, содержащие или электрический или магнитный в виде малой рамки (рис. 52) вибратор. Обычно такие вибраторы конструктивно объединяются с коаксиальной линией, используемой или для подвода энергии к вибратору, или для отвода энергии, принимаемой вибратором. В тех случаях, когда две линии передачи имеют общую металлическую стенку, передать часть мощности из одной линии в другую можно с помощью отверстия, прорезанного в общей стенке.

Электрический вибратор (рис. 52, а) будет принимать энергию электромагнитного поля из волновода и передавать ее в коаксиальную линию, если электромагнитная волна, распространяющаяся в волноводе, будет вызывать в нем ток. Для получения наибольшего тока вибратор следует поместить в пучность электрического поля волны в волноводе параллельно линиям вектора Е. Аналогично наибольшая связь рамки (рис. 52,6) с полем волны в волноводе будет в случае наведения в ней полем волны максимальной ЭДС. Для этого рамку помещают в пучность магнитного поля волны в волноводе так, чтобы ее плоскость была перпендикулярна вектору В. Очевидно, при возбуждении волн в линии следует помещать электрический вибратор с током в пучность электрического поля параллельно линиям вектора Е возбуждаемой волны, а рамку с током в пучность магнитного поля, располагая ее плоскость перпендикулярно вектору В. Используя эти правила и зная структуру поля возбуждаемой волны или волны, распространяющейся по волноводу, несложно 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.53, где внешний проводник коаксиальной линии соединен со стенкой волновода. Строгое электродинамическое решение задачи о возбуждении волн в волноводе

Рис.53

весьма громоздко и здесь не приводится. Пусть по коаксиальной линии распространяется ТЕМ-волна, 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. 53. Возбуждаемое в волноводе поле можно представить в виде суперпозиции волн типов Е и Н. 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, Н₁₁, Е₁₁ и т.д., и не будут возбуждаться волны с четным первым индексом (Н₂о, Н₄₁ Е₂₁ и т.д.). Если выбрать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы, то по волноводу сможет распространяться только волна Н₁₀, поля всех остальных волн будут реактивными: они сосредоточены вблизи вибратора и на некотором расстоянии от него пренебрежимо малы. Поэтому вибратор возбуждает в волноводе две волны Н₁₀, 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 от вибратора осуществляют режим короткого замыкания (рис.53). 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 . Величину подбирают так, чтобы сдвиг по фазе векторов Е волн в любом сечении, правее вибратора, был кратен 2. Требуемое фазовое соотношение можно записать в виде 2 , где п=1,2,...; =2/. При записи этого соотношения учтено, что при падении плоской волны на идеальную металлическую поверхность фаза вектора Е отраженной волны изменяется на по отношению к фазе вектора Е падающей волны. Поэтому =(2п-1)/4. Обычно выбирают. п=1, для которого. Отметим, что если выбрать кратным /2, то сдвиг по фазе между векторами Е волн справа от вибратора будет равен нечетному числу . 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. Наличие зазора между вибратором и широкой стенкой волновода (см. рис. 53), где концентрируется электрическое поле, снижает электрическую прочность возбудителя. Поэтому, как правило, длину вибратора делают равной высоте волновода.

О

Рис.54

тметим, 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 делают несколько отличающимся от /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. Наибольшую электрическую прочность и наибольшую полосу согласования уда­ется получить при использовании возбудителя пуговичного типа (рис. 54), где для расширения полосы согласования применен изменяющийся диаметр вибратора и дополнительный согласующий элемент-индуктивная диафрагма.

Рис.55

В тех случаях, когда в качестве рабочего типа волны в волноводе применяется один из высших типов волн, 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 (рис.55). Энергия, переносимая по волноводу нежелательной волной, отражается от проводников обратно. Как правило, подобные фильтры включают в конструкцию возбуждающего устройства. На рис. 56 показано устройство для возбуждения волны Н в прямоугольном волноводе.

Используются два электрических вибратора, введенные в места, где должны находиться пучности электрического поля волны Н. Длины отрезков коаксиальной линии от точки разветвления до точек соединения с .вибраторами выбирают отличающимися на /2. В этом случае, при распространении волны по коаксиальной линии, токи в вибраторах будут иметь одинаковые амплитуды, а их фазы будут отличаться на . При этом в волноводе будут эффективно возбуждаться волны Н, Н,... и затруднено возбуждение волн с нечетным первым индексом Н, Н ….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 ( - длина волны Н₂о в волноводе) помещают металлическую пластину, обеспечивающую режим короткого замыкания на конце волновода. На рис.57 показана конструкция возбуждения волны Н, а на рис.58-волны Е в круглом волноводе. В конструкции рис.58 перпендикулярно оси волновода на расстоянии (-длина волны Н в круглом волноводе) от вибратора устанавливается металлическая пластина.

Рис.56

Рис.57

Рис.58

В

Рис.59

озбуждение с помощью малой рамки. Одна из возможных схем возбуждения волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе показана на рис. 59. Малая рамка, радиус которой много меньше длины волны, вводится в середине широкой стенки так, что ее плоскость параллельна узким стенкам волновода. При распространении ТЕМ-волны по коаксиальной линии.в рамке протекает ток. Примерная картина магнитных силовых линий, возникающих при этом в волноводе, показана на рис.59. Если выбрать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы, то рамка будет создавать в волноводе две волны Н₁₀, бегущие в разные стороны. При этом 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 . Чтобы энергия, поступающая в волновод, направлялась в одну сторону, в волноводе на расстоянии п(п=1,2_,3...) от рамки устанавливают перпендикулярно его оси металлическую пластину. Обычно выбирают .

Н

Рис.60

а рис.60 показана еще одна схема возбуждения волны Н: рамка вводится через узкую стенку, а ее плоскость совпадает с плоскостью поперечного сечения. Там же показана примерная картина силовых линий магнитного поля, возникающего вблизи рамки при протекании по ней электрического тока. В этом случае векторы Е волн H₁₀ распрост- раняющихся в разные стороны от рамки, на одинаковом расстоянии от нее будут иметь равные амплитуды и фазы. Поэтому обычно величина выби­рается равной .

В

Рис.61

озбуждение 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 в стенке волновода ответвляется нормальная к плоскости отверстия составляющая электрического поля и касательная магнитного поля, существующих в волноводе.

На рис. 61 показана связь двух прямоугольных волноводов, работающих в одноволновом режиме, через отверстие в общей узкой стенке, вблизи которой существует лишь продольная составляющая магнитного поля волны H₁₀. Сопоставление рис.60 и рис. 61 показывает весьма значительное сходство между структурами ответвляющегося магнитного поля и магнитного поля, создаваемого рамкой.