Электродинамика, антенны и СВЧ-устройства СБЛ. Учебно-методическое пособие

нагрузки, нагрузки короткого замыкания, нагрузки холостого хода, нагрузки короткого замыкания – холостого хода (комбинированные), кабельные сборки СВЧ, наборы калибровочных мер, тарированные и поддерживающие ключи.

В связи с широким использованием в нашей стране зарубежной СВЧ-аппаратуры существует проблема соединения отечественных и импортных аксессуаров, работающих в одном коаксиальном тракте (см. таблицу). Отличие отечественных соединителей от зарубежных аналогов заключается в использовании различных типов резьбы в элементах соединения внешнего проводника диаметром D и в различных диаметрах контактов центрального проводника СВЧ-разъема (соединителя) диаметром d. Выбор типа тракта зависит от полосы частот СВЧ-устройства.

Типы отечественных и зарубежных СВЧ коаксиальных трактов

21

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ ВОЛНОВОДЕ

Цель работы

Изучение распространения основного типа волны (Н10 ) в прямоугольном волноводе.

Введение

Полая металлическая труба прямоугольного поперечного сечения, заполненная диэлектриком (в основном воздухом), называется прямоугольным волноводом.

Прямоугольные волноводы широко применяются в трактах дециметрового, сантиметрового, миллиметрового диапазонов волн.

Рассмотрим распространение волн Н-типа в прямоугольном волноводе. По определению, у этого типа волн составляющая поля Ez равна

нулю.

Волна типа Hmn распространяется вдоль оси z с постоянной . Ин-

дексам m, n соответствует своя структура электромагнитного поля: m – равно числу полуволн, укладывающихся вдоль широкой стенки длиной a; n равно числу полуволн, укладывающихся вдоль узкой стенки длиной b.

В отличие от E-волн для Н-волн, если один из индексов равен нулю, то поле продолжает существовать. Волной основного типа для прямоугольного волновода является именно волна Н10 . Поперечное волновое

число для Н-волн определяется по формуле

где k 2 – постоянная распространения волны в свободном пространстве; mn – постоянная распространения волны типа mn в направляющей

22

системе; –i , где – постоянная затухания; – постоянная фазы (фазовая постоянная) волны:

Если k2 2mn , mn – вещественное число, волна распространяется вдоль оси.

При k 2 2mn , mn – мнимое, и поле затухает по экспоненциальному

закону, следовательно, волна прекращает распространяться по волноводу.

При k2 2mn возникает граничный случай:

где c – критическая длина волны с индексами m и n в прямоугольном волноводе:

c mn определяется геометрическими размерами прямоугольного волновода, если cmn , волна Hmn распространяется по волноводу, причем

одновременно могут распространяться несколько типов волн (H10, H11

и т. д.). Если c mn , то поле затухает.

Постоянная распространения в волноводе определяется следующим соотношением:

2 ,

g

23

где g – длина волны в прямоугольном волноводе, определяемая по формуле

Длина волны в прямоугольном волноводе для каждого типа волн будет разной, поскольку различна критическая длина волны.

Длина волны в прямоугольном волноводе больше длины волны в свободном пространстве, так как фазовая скорость в прямоугольном волноводе больше, чем в свободном пространстве.

Фазовой скоростью Vp называется скорость перемещения фазового фронта волны вдоль направления распространения

Групповой скоростью Vg называется скорость переноса энергии (мощности) волны вдоль направления распространения.

d

24

ние в технике СВЧ среди других типов волн. Критическую длину волны можно определить по формуле (1.4), подставив соответствующие значе-

ния индексов m, n (для H10 m = 1, n = 0).

Волна Н10 обладает наибольшей критической длиной волны. Если критические длины волн для некоторых типов совпадают (Н11

и Е11), то такие волны называются вырожденными.

Чем больше частота (меньше длина волны), тем больше типов волн одновременномогутраспространятьсявпрямоугольномволноводе.Поэтому различают одномодовый (распространяется один тип волны) и многомодовый (распространяется несколько типов волн) режимы работы прямоугольного волновода. При одномодовом режиме вся мощ-

ность переносится одним типом волны Н10 . При многомодовом мощ-

ность распределена между всеми распространяющимися типами и часть мощности теряется, если оконечные устройства рассчитаны на определенный тип волны. Поэтому обычно используется одномодовый режим

с волной типа Н10 .

Структура поля Н10

25

Затухание в прямоугольном волноводе определяется как

ристическое сопротивление вакуума.

Мощность, передаваемая в прямоугольный волновод, определяется как

где Zw – характеристическое сопротивление волновода.

Методика измерений

Измерительная установка состоит из генератора СВЧ-сигнала, измерительной линии, индикатора.

Измерительными линиями называются приборы для измерения коэффициента стоячей волны по напряжению, полных сопротивлений, потерьвтракте,длиныволныидобротностиколебательнойцепи,принцип действия которых основан на определении распределения поля внутри передающей линии. В качестве передающей линии используются коаксиальные, волноводные и полосковые линии.

К одному концу линии подключается генератор, а к другому – неизвестное сопротивление Zн . В зависимости от характера и величины из-

меряемого сопротивления в линии устанавливается определенное распределение электромагнитного поля.

Измерительная линия имеет продольную щель, вдоль которой передвигается измерительная головка с зондом и детекторным диодом,

26

подключенным к прибору постоянного тока. Зонд связан с детекторным диодом, выпрямленный ток которого находится в определенном соотношении с величиной, наводимой ЭДС, зависящей от напряженности электрического поля и от глубины погружения зонда. Поэтому при измерении распределения поля зонд должен перемещаться со строго постоянной глубиной погружения. Перемещение зонда позволяет определить максимум и минимум амплитуды электрической напряженности. При измерениях с такой линией предполагается, что она однородна и

зонд не влияет на распределение электрического поля в линии. Измерительная коаксиальная линия состоит из отрезка коаксиаль-

ной линии, зондовой головки, механизма перемещения зонда и отсчетногоустройства положения зонда вдоль линии. Зондовая головка содержит зонд, коаксиальный контур, детекторный диод, фильтр.

Глубину погружения зонда в линии регулируют специальным винтом, расположенным сверху зондовой головки. Настройка контура выполнена в виде перемещающегося поршня. Связь детекторного диода с контуром индуктивная – с помощью петли. Фильтр, расположенный между детекторным диодом и индикаторным прибором (микроамперметром или усилителем), представляет собой отрезок коаксиальной линии, заполненный магнетиком, и служит для предотвращения высокочастотных наводок от внешних полей на цепь детекторного диода.

Основная цель измерения – определение длины волны Н10 в волноводе g и фазовой скорости Vp . Длина волны в линии измеряется в ре-

жиме стоячих волн. Для этого измерительную линию закорачивают короткозамкнутой пластиной. Амплитуда поля стоячей волны изменяется вдоль оси волновода по синусоидальному закону. Расстояние между со-

седними узлами или пучностями поля равно g /2. Фазовая скорость

определяется по формуле (4.7), групповая скорость – по формуле (4.6). Для нескольких значений частот необходимо определить g ,Vp,Vg

и построить зависимости от частоты.

Порядок выполнения работы

1.Рассчитать критическую длину волны для волновода с сечением

17 × 8 мм2 .

2.Рассчитать и построить зависимости g , Vp /с, Vg /с от частоты

вдиапазоне, заданном преподавателем.

27

3. Настроить измерительную линию на частоту генератора. Передвигая зонд по всей длине измерительной линии через 5 мм, снять кривую распределения амплитуды электрического поля вдоль оси волновода в режиме стоячей волны (короткого замыкания). Изменяя частоту генератора, измерить длину волны в волноводе для каждого заданного значения частоты.

4. Построить измеренные зависимости g , Vp /с, Vg /с от частоты и сравнить с рассчитанными.

Содержание отчета

Структурная схема измерения, таблицы измеренных значений, графики рассчитанных и измеренных зависимостей, выводы.

Контрольные вопросы

1.Каковы свойства электромагнитного поля основного типа волны

впрямоугольном волноводе?

2.Что такое постоянная затухания основного типа волны в прямоугольном волноводе? Каков ее физический смысл?

3.Что такое критическая частота, длина волны различных типов? От чего они зависят?

4.Какой тип считается основным для прямоугольного волновода?

5.Какие типы волн существуют в прямоугольном волноводе?

6.Каковы условия распространения Е- и Н-волн в прямоугольном волноводе?

7.Какова область применения волноводных трактов?

8.Что такое фазовая и групповая скорость?

9.Что такое вырожденные типы волн?

10.Как число распространяющихся типов волн зависит от частоты? Одномодовый и многомодовый режим распространения.

28

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА

Цель работы

Изучение конструкции и принципов действия различных элементов волноводного тракта, измерение отражений от элементов тракта.

Введение

Главные требования, предъявляемые к элементам сочленения волноводного тракта, – это отсутствие отражений от места сочленения, потерь в контакте, искрения в контакте при большой передаваемой мощности и отсутствие излучения из щелей в открытое пространство. При сочленении отдельных отрезков волноводов и коаксиальных линий в плоскости контакта должно обеспечиваться малое сопротивление для продольных токов, текущих по линии. Особенно важно обеспечить хороший контакт по широким стенкам волновода, где протекает продольный ток.

Соединение отдельных волноводных секций осуществляется при помощи специальных фланцев, припаянных к концам волновода и снабженных отверстиями для болтов. Применяются контактные и дроссельные фланцы. Главные идеи, воплощенные в конструкции дроссельного фланца, состоят в замене механического контакта электрическим, свойства которого мало зависят от качества обработки соединяемых поверхностей фланца, и в осуществлении механического разъема по линии, на которой устанавливается узел поверхностных токов. Устройство дроссельного фланца (рис. 8) следующее: на конце одного из сочленяемых волноводов располагается фланец, имеющий кольцевую канавку глубиной примерно в четверть длины волны в свободном пространстве. Расстояниеотканавкидосерединыширокойстенкиволноводатакжеравно четверти длины волны. Торцевая поверхность дроссельного фланца между волноводом и кольцевой канавкой не совпадает с поверхностью фланца, находящегося за пределами канавки. С этим фланцем сопрягается второй фланец, имеющий плоскую поверхность без канавки. При дроссельном соединении волноводов между ними включена последовательно радиальная четвертьволновая линия, образованная плоскостями фланцев. Эта радиальная линия, в свою очередь, нагружена на коаксиальнуючетвертьволновуюлинию,образованнуючетвертьволновой

29

канавкой. Для увеличения широкополосности дроссельного соединения его конструктивные параметры выбираются таким образом, что волновое сопротивление коаксиальной линии значительно превышает волновое сопротивление радиальной.

Рис. 8. Устройство волноводного дроссельного соединения

Достоинствами дроссельных фланцев являются некритичность к качеству механического контакта и небольшим перекосам в сочленении; сохранение параметров соединения при многократных сборках и разборках; возможность введения изоляционных прокладок между соединяемыми элементами при необходимости их развязки по постоянному току. Наличие дроссельных канавок не приводит к снижению электрической прочности тракта. Недостатками дроссельного фланца являются сложность конструкции и зависимость параметров от частоты; сравнительная узкополосность, определяемая использованием в конструкциях фланцев резонансных отрезков длинных линий; большие по сравнению с контактными фланцами размеры; трудность получения малых значений КСВН.

Контактные фланцы имеют несколько разновидностей. Притертый фланец при тщательной обработке и строгой параллельности соединяемых поверхностей обеспечивает хороший электрический контакт. К достоинствам контактных фланцев относятся малая зависимость отражений от частоты – малый КСВН; большая широкополосность, определяемая шириной пропускания волновода; малые размеры. Недостатками притертых фланцев являются высокие требования к точности изготовления и чистоте обработки, высокая стоимость изготовления, а также низкая надежность при многократных сборках и разборках соединения

30