Проектирование СВЧ-устройств (РТФ 6 семестр Анисимов) / Зачет

Диафрагмы

Диафрагмами называют тонкие металлические пластины, введенные перпендикулярно оси линии передачи и перекрывающие часть поперечного сечения линии.

Диафрагмы широко применяются как согласующие устройства, элементы связи в объемных резонаторах, в фильтрах, замедляющих структурах и других устройствах.

Диафрагму можно рассматривать как параллельно включенную реактивность.

Рассмотрим прямоугольный волновод с размером широкой стенки a и размером узкой стенки b.

Реактивная проводимость любого элемента, в котором концентрируется энергия электрического поля независимо от конструкции, носит емкостный характер. Реактивная проводимость любого элемента, в котором концентрируется энергия магнитного поля носит индуктивный характер. Если концентрируется как электрическая, так и магнитная энергия, то характер проводимости зависит от соотношения между величинами Когда

то проводимость носит индуктивный характер; когда то емкостный характер; когда то чисто активный.

Емкостная диафрагма (рис. 17.2.1).

Нормированная проводимость диафрагмы равна где ,

; .

Между верхней и нижней половинками диафрагмы, а также вблизи нее образуются искривленные в продольной плоскости силовые линии электрического поля (см. рис. 17.2.2а). Поэтому реактивное поле вблизи диафрагмы состоит преимущественно из нераспространяющихся волн Е. У нераспространяю-

щихся волн Е что и обусловливает емкостный характер проводимости диафрагмы.

1

Индуктивная диафрагма (рис. 17.2.2).

Нормированная проводимость диафрагмы равна где ,

, Λ – длина волны в волноводе

Вблизи диафрагмы реактивное поле образуется нераспространяющимися волнами . У нераепространяющихся волн энергия, запа-

сенная в магнитном поле, превышает энергию, запасенную в электрическом поле. Поэтому вблизи диафрагмы что и определяет индуктивный характер ее проводимости.

2

Резонансная диафрагма (рис. 17.2.3).

Образована совмещенными в одной плоскости двумя диафрагмами: индуктивной и емкостной. Эквивалентная схема этой диафрагмы имеет вид параллельного контура (рис. 17.2.3, б).

Диафрагма называется резонансной, так как на той частоте, где реактивная проводимость диафрагмы для волны равна нулю. Падающая волна без отражений проходит сквозь диафрагму. Проводимость диафрагмы, как у обычного параллельного контура, на частотах, выше резонансной, имеет емкостный характер, а на частотах ниже резонансной – индуктивный характер.

Волноводные диафрагмы. Диафрагмами называют тонкие металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода. В прямоугольном волноводе наиболее употребительны симметричная индуктивная, симметричная емкостная и резонансная диафрагмы (рис. 2.21).

Виндуктивной диафрагме (рис. 2.21, а) поперечные токи на широких стенках волновода частично замыкаются через пластины, соединяющие эти стенки.

Вмагнитном поле токов, текущих по пластинам диафрагмы, запасается магнитная энергия. Схема замещения диафрагмы представляет собой индуктивность, включенную параллельно в линию передачи. Нормированную реактивную проводимость индуктивной диафрагмы определяют по приближенной

формуле где – ширина зазора диафрагмы; а – размер широкой стенки; – длина волны в волноводе.

Емкостная диафрагма (рис. 2.21, б) уменьшает зазор между широкими стенками волновода. Между кромками диафрагмы концентрируется поле Е и образуется запас электрической энергии. Поэтому схемой замещения является емкость, включенная параллельно в линию передачи. Нормированная реактивная

3

проводимость емкостной диафрагмы определяется по приближенной формуле где – ширина зазора диафрагмы; b – размер узкой стенки.

Емкостная диафрагма сильно снижает электрическую прочность волновода.

Резонансная диафрагма (резонансное окно) – металлическая пластина с отверстием прямоугольной или овальной формы (рис. 2.21, в), перекрывающая поперечное сечение волновода и содержащая элементы индуктивной и емкостной диафрагм. Размеры отверстия резонансной диафрагмы могут быть выбраны так, чтобы на заданной резонансной частоте диафрагма не оказывала влияния на распространение волны Н10 в волноводе, т.е. имела нулевую проводимость. Схема замещения резонансной диафрагмы имеет вид параллельного резонансного контура, шунтирующего линию передачи. Частоту резонанса диафрагмы приближенно определяют из условия равенства волновых сопротивлений линии передачи, эквивалентной волноводу, и отверстия диафрагмы:

Резонансная частота

fP c b2 b 2 . 2 a 2b2 a2b 2

Можно убедиться, что выбранной резонансной длине волны λ0 соответствует множество диафрагм с отверстиями различных размеров, начиная с узкой щели длиной λ0/2 и кончая полным поперечным сечением волновода. Эти резонансные диафрагмы обладают разной внешней добротностью, т. е. добротно-

тур.

4

Реактивный стержень в прямоугольном волноводе

Реактивным стержнем называется металлический проводник, введенный в волновод.

Рассмотрим тонкий стержень в прямоугольном волноводе, ось которого параллельна узкой стенке волновода (рис. 17.3.1 и 17.3.2). Эквивалентная схема тонкого реактивного стержня (штыря), как и в случае диафрагмы, – чисто реактивное сопротивление, включенное в линию параллельно.

Даже приближенный электродинамический анализ штыря неполной высоты весьма труден из-за сложности поля вблизи штыря. Поэтому ограничимся рассмотрением стержня, равного по высоте размеру узкой стенки волновода (рис. 17.3.1). В этом случае введение штыря не нарушает регулярности волновода вдоль оси Y, и ближнее поле, как и в случае индуктивной диафрагмы, полностью описывается волнами типа Для упрощения анализа предположим, что штырь выполнен из идеально проводящего металла, его радиус много меньше длины волны , линейного размера широкой стенки волновода и расстояния до любой из боковых узких стенок волновода

Полное поле в волноводе, образовавшееся в результате дифракции волны на штыре, является суперпозицией двух полей: первичного падающего (волна ) и вторичного, получающегося в результате действия токов, наведенных на штырь. Так как силовые линии магнитного поля волны перпендикулярны оси штыря, то ток проводимости ориентирован параллельно оси штыря (рис. 17.3.1). Ввиду малости диаметра штыря можно пренебречь изменением амплитуд и фаз магнитного поля по периметру штыря и считать, что тони проводимости по всей поверхности имеют одинаковые амплитуду и фазу.

Нормированная проводимость в сечении, где включен штырь, определяется по ф-ле

Так как при то введение в волновод штыря, у которого l=b, соответствует параллельному включению в эквивалентную длинную линию индуктивности. Поэтому рассматриваемый штырь называют индуктивным. Индуктивный характер вносимого сопротивления объясняется, как и в случае ин-

дуктивной диафрагмы, тем, что реактивное поле вблизи штыря образуется волнами, у которых

Когда высота штыря меньше расстояния между широкими стенками волновода (рис. 17.3.2), то картина несколько меняется. При этом штырь можно рассматривать как отрезок однопроводной линии передачи. В зазоре между торцом штыря и нижней стенкой волновода образуется повышенная концентрация энергии электрического поля, т. е. штырь нагружен на торцевую емкость. Так как штырь предполагается весьма тонким, то эта емкость невелика. Поэтому распределение тока вдоль штыря близко к синусоидальному, как в линии, работающей в режиме холостого хода (рис. 17,3.2).

5

Из теории длинных линий известно, что разомкнутый на конце отрезок линии при длине, меньшей λ/4, имеет емкостное, а при длине λ/4<l<λ/2 – индуктивное входное сопротивление.

При l<λ/4 в ближнем поле штыря и введение штыря эквивалентно включению в линию параллельной емкости.

При λ/4<l<λ/2 в ближнем полеи введение штыря такой длины соответствует включению в линию параллельной индуктивности.

При длине штыря, равной λ/4, наступает резонанс, т. е. Подобная зависимость входного сопротивления от частоты характерна для последовательного контура. Поэтому полная эквивалентная схема тонкого

штыря неполной высоты имеет вид последовательного контура, включенного параллельно в линию (рис 17.3.3). При резонансе входное сопротивление контура равно нулю, волновод оказывается замкнутым накоротко, и вся энергия падающей волны полностью отражается от штыря.

На практике ввиду конечной проводимости металла, из которого выполняется штырь, модуль коэффициента отражения несколько меньше единицы, а коэффициент прохождения отличен от нуля.

При очень малом зазоре между торцом штыря и нижней стенкой волновода торцевая емкость весьма велика. В результате распределение тока вдоль штыря приближается к равномерному. Параметры такого штыря мало отличаются от параметров штыря, введенного на полную высоту волновода.

Индуктивный штырь (рис. 2.22, а) представляет собой проводник круглого сечения, установленный в прямоугольный волновод по направлению силовых линий напряженности электрического поля Е и соединенный с двух концов с широкими стенками волновода. Схема замещения индуктивного штыря содержит параллельно включенную индуктивность и два последовательных емкостных сопротивления, учитывающих конечную толщину штыря. Номиналы элементов определяются по формулам и графикам, приведенным в справочной литературе. Индуктивные штыри не снижают электрической прочности вол-

новода и просты в изготовлении. Когда необходимы низкие значения параллельного сопротивления применяют решетки из нескольких индуктивных штырей, располагаемых в поперечном сечении волновода (рис. 2.22, б).

Емкостный штырь (рис. 2.23) представляет собой круглый проводник, установленный по направлению силовых линий напряженности электрического поля Е и соединенный одним концом с широкой стенкой волновода. Схема замещения емкостного штыря содержит, последовательный LC-контур, включенный параллельно в линию передачи. Емкость этого контура связана с концентрацией поля Е в области разомкнутого конца штыря, а индуктивность обусловлена прохождением токов по штырю.

6

ИЗОЛЯТОРЫ ДЛЯ КОАКСИАЛЬНОГО ТРАКТА

В жестких коаксиальных трактах существует проблема крепления внутреннего проводника коаксиальной линии. К устройствам крепления предъявляются противоречивые требования: не порождать отражения, не снижать электрическую прочность, не увеличивать коэффициент затухания, не сужать рабочую полосу частот, допускать возможность разборки и сборки тракта и т. д. Наиболее распространены два способа крепления внутреннего проводника: с помощью диэлектрических шайб и с помощью металлических изоляторов.

Простая диэлектрическая шайба (рис. 2.4, а), включенная в коаксиальную линию, имеет схему замещения в виде отрезка линии передачи с эквивалентной длиной и пониженным волновым сопротивлением. На низких частотах простые шайбы слабо влияют на параметры тракта, однако при возрастании частоты электрическая длина шайбы увеличивается, возникают заметные отражения и растет коэффициент затухания.

Для уменьшения отражений можно уменьшить диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии на участке, занятом шайбой, и тем самым сохранить постоянным волновое сопротивление. Это осуществлено в так называемой утопленной шайбе (рис. 2.4, б), которая с целью облегчения процесса сборки тракта может быть разрезана по диаметру.

Диэлектрические шайбы снижают электрическую прочность тракта из-за облегчения условий пробоя по поверхности шайбы и в результате роста напряженности поля в малом, но неизбежном зазоре между шайбой и центральным проводником линии. Для увеличения электрической прочности на поверхности шайбы выполняют концентрические канавки и выступы (рис. 2.4, в).

На сантиметровых волнах широко применяют так называемые металлические изоляторы – жесткие параллельные короткозамкнутые шлейфы длиной λВ/4, поддерживающие внутренний проводник (рис. 2.5, а). Металлический изолятор не нарушает согласования тракта на рабочей длине волны, почти не снижает электрической прочности и вносит незначительные дополнительные потери. Но такой изолятор является узкополосным, так как с изменением частоты изменяется электрическая длина шлейфа и в тракт вносится рассогласование.

1