Рабочий стол / shp_TED_10-15

10. Волноводные линии передачи энергии. Основные соотношения.

Для передачи энергии сантиметровых волн от генератора к антенне с малыми потерями требуются специальные передающие линии, так как воздушные непригодны для этих целей из-за больших потерь на излучение, а коаксиальные линии – из-за потерь в их внутреннем проводе.

В качестве передающих линий в диапазоне сантиметровых волн применяются волноводы – полые металлические трубы прямоугольного или круглого сечения. В волноводе нет внутреннего провода и поддерживающих его изоляторов, поэтому потери энергии в нем меньше, чем в коаксиальной линии. При одинаковых размерах волновод позволяет передать большую мощность без опасности пробоя. К достоинствам волновода относится также полная экранировка передаваемой по нему электромагнитной энергии, исключающая потери на излучение и воздействие внешних полей. Недостатком волноводов является невозможность передачи энергии волн любой длины. Внутри волновода могут распространяться волны короче некоторой предельной (критической) волны. Длина предельной волны связана с размерами поперечного сечения волновода и типом волны. Длина наибольшей предельной волны прямоугольного волновод равна 2а.

Основной для прямоугольного волновода является волна типа Н₁₀, которая характеризуется постоянством амплитуд поля Е по оси y и изменением по закону sin(πx/a) по оси x. Фазовая скорость и длина волны типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе определяются внутренним размером широкой стенки волновода и соответственно равны:

;

.

Групповая скорость волны Н10 в волноводе:

.

Затухание, в децибелах, на один метр длины, прямоугольного волновода

,

11. Типы волн в прямоугольных волноводах.

.

Основным типом волны в прямоугольном волноводе является магнитная

волна , поле которой образовано сложением плоских поперечных

волн. Можно считать что волна образуется плоской поперечной волной, распространяющейся в волноводе под углом к его оси и многократно отражающейся от его боковых стенок. Поле волны в прямоугольном волноводе показано на рисунке. Силовые электрические линии начинаются на положительных зарядах одной горизонтальной стенки и оканчиваются на отрицательных зарядах другой горизонтальной стенки. Заряды на внутренней поверхности волновода индуцирует распространяющаяся в нем волна. В средней части поперечного сечения напряженности Эл. поля =0. Вертикальное Эл. поле создает вертикальные токи смещения в волноводе, которые окружены магнитными силовыми линиями, лежащими в горизонтальных плоскостях.

Волну обозначают H потому что имеет продольную состовл. магнитного поля и поперечное электрическое. Волна обозначается 10, т.к. вдоль широкой стенки а укладывается только один максимум поля(индекс 1), а вдоль узкой стенки поле не изменяется(индекс 0).

12. Типы волн в круглых волноводах. В круглых волноводах могут распространяться магнитные (Hmn) и электрические (Emn) волны. Каждый тип волны характеризуется 2-мя индексами m , n . Индекс m показывает число максимумов поля ,укладывающихся вдоль полуокружности , n—число максимум поля ,укладывающихся вдоль диаметра.

Основной волной круглого волновода является H11.Электрическое поле ее лежит в плоскости поперечного сечения ,а магнитное поле имеет поперечную и продольную составляющую.Электромагнитное поле вызывает в стенках волновода продольные и поперечные токи . H11 в круглом вол-де имеет наибольшую предельную волну из всех типов волн,что могут распространяться в вол-де данного диаметра.

Предельная длина волны определяется по ф-ле: Где r- радиус вол-да.

Значит для распространения волны в вол-де необходимо:

Второй тип волны -это E 01.Волна имеет круговую симметрию,и поэтому направлен ие ее электрического поля не изменяется при прохождении ее через вращающееся сочленение;Короткая предельная волна затрудняет широкое ее применение.

Круглые волноводы применяют значительно реже,чем прямоугольные.Это объясняется тем ,что при нарушении ф-мы круглого волновода в нем возникают и распространяются волны других типов; поэтому круглые волноводы труднее согласовывать с нагрузкой.

13. Определить основные параметры волновода по имеющимся данным.

Если расположить бесконечное мн-во четвертьволновых отрезков вдоль двухпроводной линии, то она превратится в трубу прямоугольного сечения.

Сторона b определяет максимальную мощность, передаваемую волноводом.

b=a/2(обычно)

Основной для прямоугольного волновода является волна типа Н₁₀, которая характеризуется постоянством амплитуд поля Е по оси y и изменением по закону sin(πx/a) по оси x. Фазовая скорость и длина волны типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе определяются внутренним размером широкой стенки волновода и соответственно равны:

;

Групповая скорость волны Н10 в волноводе: .

Критическая длина волны =2а. По волноводу могут распространяться только волны короче . Для возможности распространения энергии по волноводу необходимо, чтобы a>0,5.

14. Питание волновода. Процесс передачи электромагнитной энергии от источника внутрь волновода называют возбуждением волновода (это и есть его питание). В кач-ве возбудителей применяются специальные устройства, которые получают электромагнитную энергию высокой частоты от генераторов обычно с помощью коаксиальной линии(фидера). Возбудитель, т.о., передает энергию от коаксиального фидера в волновод. В коаксиальном фидере энергия распространяется в виде поперечных электромагнитных (ТЕМ) волн, а в волноводе – в виде поперечно-электрических (ТЕ) или поперечно-магнитных (ТМ). Задача возбуждения волновода состоит в том, чтобы поперечную электромагнитную волну преобразовать в электрическую или магнитную волну. Эту задачу выполняет возбудитель, который является переходным устройством от коаксиального фидера к волноводу, т.е. элементом связи между ними. Возбудитель создает в волноводе электрическое или магнитное поле. Основные способы возбуждения волноводов: возбуждение петлей, штырем, с помощью специального возбудителя.

Существенную роль в задачах о вынужденных колебаниях играет лемма Лоренца, которая устанавливает связь между векторами 2х монохроматических электромагнитных полей одной и той же частоты и возбуждающими их токами. Если источники обоих полей распределены в конечной области V, то поверхностный интеграл по этой поверхности обращается в 0.

15. Вращающиеся сочленения. Соединения волноводов. Часто волноводы состоят из отдельных секций – это удобно для транспортировки и ремонта. Отдельные секции волноводов сочленяются с помощью специальных устройств. Сочленения могут быть подвижные и неподвижные. Подвижные сочленения необходимы для обеспечения вращения или качания антенны. Сочленения должны создавать хороший эл. контакт м-ду секциями и при необходимости механически отделять одну секцию от др.(чтобы вибрация не передавалась от одной части к другой).

Неподвижные сочленения могут быть контактного и дроссельного типа. Подвижные волноводные соединители применяются для смеще­ния и поворота в небольших пределах одной части волноводного трак­та относительно другой. Они делятся на нерезонансные и резонансные.

Вращающиеся соединители служат для передачи энергии при непрерывном круговом вращении одной части фидерного тракта от­носительно другой без нарушения электрического контакта и качества согласования. Для обеспечения невозму­щенной передачи энергии, во вращающихся соединени­ях используются в основном круглые волно­воды с типами волн, поля которых имеют осе­вую симметрию (и др.) и короткие отрезки коаксиального волновода с Т-волной.

Вращающиеся волноводные соединители. Волноводный тракт обычно выполняется на прямоугольном волноводе. Вращающиеся волноводные соединители содержат два перехода от прямоугольного волновода с волной типа Н₁₀ к круглому с симметричной волной, устройст­во, обеспечивающее вращение одной части круглого волновода отно­сительно другой, преобразователи линейной поляризации в круговую и обратно, дроссельное устройство для предотвращения утечки энергии через кольцевую щель. Чаще во вращающихся волноводных соединителях используют круглый волновод с симметричной волной E₀₁.

*

12.обратная сторона

11.обратная сторона

Второй после простейшей волной явл. волна . Поле ее на рисунке :

Предельная длина волны λ=2 b, т.е меньше, чем предельная волна . Волна обычно на практике не применяется. Простейшая эл. волна в прямоугольном волноводе . Предельную волну можно посчитать λ=. Поперечное магнитное поле волны образовано продольными токами смещения. Поперечные и магнитные состовл. магн. и эл. полей для любых типов волн в волноводах совпадают по фазе. Волны и в прямоуг. волноводах не существует. Волны у которых один из индексов больше 1, называют – волнами высших порядков.

10. обратная сторона

где b- внутренний размер узкой стенки волновода;

- проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м

Для распространения волны Н₁₀ и исключения возможности существования других типов волн необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: наиболее длинная волна рабочего диапазона должна быть меньше удвоенной длины широкой стенки волновода, наиболее короткая волна должна быть больше широкой стенки. Узкая стенка волновода обычно меньше половины широкой стенки. Таким образом, внутренние размеры сечения волновода равны:

,

.

Волна типа Н₁₁ является основной для круглого волновода. Для передачи волны Н₁₁ диаметр круглого волновода должен быть:

.

Затухание волны Н₁₁ в волноводе круглого сечения, дБ/м,

,

где r - внутренний радиус волновода, м; - проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м; - длина волны, м.

15.обратная сторона

Вращающееся волноводное соединение, использующее круглый волновод с симметричной волной . Связь между прямо­угольным и круглым волноводами происходит через круглое отверстие в широкой стенке прямоугольного волновода. Однако кроме волны Е₀₁ в круглом волноводе возбуждается и волна , низшая по отно­шению к волне Е₀₁ и имеющая несимметричную относительно оси волновода структуру поля. Существуют различные способы фильтрации этой волны. В данном случае применяются фильтры типа волны в виде резонансных колец, ось которых совпадает с осью волновода. Резонансное кольцо не препятствует распространению волн типа _, потому, что линии электрического поля этой волны перпендику­лярны к краям кольца. Выбором размеров кольца можно добиться резонансного отражения им волны . Крепление кольца к волноводу производится с помощью радиально расположенных стержней.

Вращающееся волноводное соединение:1 – прямоугольный волновод, 2 – круглый волновод, 3 – вращающееся дроссельно – фланцевое соединение, 4 – кольцевой фильтр

Волна типа в круглом волноводе создает интенсивные продольные поверхностные токи. Поэтому во вращающемся соединении используется принцип дроссельно – фланцевого соединения.

На рисунке приведена схема волноводного вращающегося соединителя с использованием коаксиальных переходов. Короткие отрезки коаксиальных волноводов с Т- волной обеспеч. фильтрацию паразитной волны . Дроссельное устройство представляет собой свернутую полуволновую коаксиальную линию с волной Т, причем в точке контакта А (точке разрыва) имеет место нуль тока, а в точке В – виртуальное короткое замыкание. Рассмотренное волноводное вращающееся соединение имеет невысокий уровень допустимой мощности, что обусловлено малыми зазорами в коаксиальных отрезках, возбуждающих круглый волновод. Волноводное вращающееся соединение с волной типа

13. обратная сторона

Затухание, в децибелах, на один метр длины, прямоугольного волновода

,

где b- внутренний размер узкой стенки волновода;

- проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м

Волна типа Н₁₁ является основной для круглого волновода. Для передачи волны Н₁₁ диаметр круглого волновода должен быть:

.,где λдл- длинная волна,λкор- короткая волна.

Затухание волны Н₁₁ в волноводе круглого сечения, дБ/м,

где r - внутренний радиус волновода, м; - проводимость металла, из которого выполнены стенки волновода, См/м; - длина волны, м.

*