Лабораторные работы 5 симестр / Распределительные системы / UMP_FVP_1

Для волны TE11

Связь между тремя волновыми числами (2.12) может быть выражена через соответствующие длины волн следующим образом:

Это равенство показывает, что при изменении величины 0

длина волны в волноводе изменяется не пропорционально ей. Закон зависимости длины волны в волноводе от длины волны в свободном пространстве носит название дисперсионной характеристики волновода и в явном виде описывается формулой, вытекающей из

(2.15):

2.2.5 Скорость распространения волны в волноводе

Волны ТЕ и ТМ в прямоугольном волноводе можно рассматривать как результат интерференции плоских электромагнитных волн (ТЕМ), которые направлены под некоторым углом к оси волновода и попеременно отражаются от его противоположных стенок.

Рассмотрим подробнее получение волны (например, H01) в

прямоугольном волноводе, изображенном на рис. 2.5. Пусть на узкую стенку волновода падает плоская перпендикулярно поляри-

61

зованная волна. Падающая волна распространяется вдоль участка

AC (рис. 2.5) со скоростью света с 3 108 м / c . В начальный момент времени t1 волна находится в точке A, а ее фронт при этом в точке B. Пройдя участок от одной стенки волновода до другой (участок AС) в момент времени t2 волна окажется в точке C, при этом фронт волны

также будет находиться в этой точке. Таким образом, за указанный интервал времени, когда волна проходит участок AС, фаза волны преодолеет участок BC, а энергия переместится вдоль волновода на участок AD. Но BC>AС, следовательно, фазовая скорость волны в волноводеф превышает скорость света. Так как AD<AC, то скорость распро-

странения электромагнитной волны в волноводе, получившая название групповой скорости гр , меньше скорости света.

Рис. 2.5. Распространение волны в волноводе

Рассмотрим треугольники CAB и CDA. Эти прямоугольные треугольники подобные, откуда следует, что

BCAC ADAC . 62

2.2.6 Согласование волноводов с нагрузкой

В основу согласования волноводных линий положены те же принципы, на которых базируется согласование двухпроводных линий [31]. Элементами согласования волноводов являются реактивные шунты и трансформаторы сопротивлений.

Реактивные шунты включаются в ближайших к нагрузке сечениях волновода, в которых входная проводимость имеет активную составляющую, равную волновой проводимости. Проводимость шунта должна быть численно равной и противоположной по знаку реактивной составляющей входной проводимости волновода. Тогда основная часть волноводной линии, обращенная от шунта к генератору, работает в режиме бегущих волн.

Если в двухпроводных линиях роль реактивных шунтов выполняют короткозамкнутые или разомкнутые шлейфы, то в волноводных линиях в качестве реактивного шунта в основном используются настроечные винты и тонкие перегородки в поперечных сечениях волновода, которые называются диафрагмами.

Настроечные винты (рис. 2.6, а) ввинчиваются перпендикулярно широкой стенке волновода, а, следовательно, они расположены параллельно электрическим силовым линиям волны TE01 . При этом условии настроечный винт эквивалентен заземленному вибратору, который, как известно, при длине 4 имеет прово-

димость емкостного характера, а при длине 4 — индуктивно-

го. В целях устранения опасности пробоя между вин том и стенкой волновода глубина погружения винта не должна превышать четверти волны.

Если диафрагма перпендикулярна электрическим силовым линиям, (рис. 2.6, б, в), то введение диафрагмы эквивалентно сближению обкладок конденсатора или созданию емкостной проводимости.

При установке диафрагмы вдоль силовых линий электрического поля, как показано рис. 2.6, г, д, в диафрагмах возникают вертикальные токи, образующие местные магнитные поля. Действие таких перегородок эквивалентно введению индуктивной проводимости.

64

Рис 2.6. Устройства для согласования волноводов.

Диафрагмы называются симметричными (рис. 2.6, в, д), если они вводятся в поперечное сечение волновода с двух противоположных стенок. При одностороннем расположении диафрагма называется несимметричной (рис. 2.6, б, г). Комбинация из емкостной и индуктивной диафрагм называется смешанной или резонансной диафрагмой. Последняя эквивалентна параллельному контуру (рис. 2.6, е). При определенной (резонансной) частоте индуктивная и емкостная проводимости диафрагмы взаимно компенсируются, и наступает резонанс. Проводимость диафрагм зависит от глубины погружения в волновод и длины волны.

Так как емкостная проводимость возрастает с увеличением частоты колебаний и сближением обкладок, образующих емкость, то реактивная проводимость емкостной диафрагмы тем больше, чем меньше длина волны в волноводе и меньше зазор а' между перегородками (рис. 2.6, в).

Реактивная проводимость индуктивных диафрагм увеличивается с уменьшением зазора b' между перегородками (рис. 2.6, д), но в отличие от емкостных диафрагм изменяется прямо пропорционально длине волны.

65

Как известно, для согласования волноводного тракта с нагрузкой в настоящее время часто используется, в числе прочих, метод, основанный на применении различного вида диафрагм, частично перекрывающих его сечение в оконечной части [29, 31, 36, 47, 51, 56] (рис. 2.6). Суть метода состоит в создании дополнительной отраженной волны нужной амплитуды, находящейся в противофазе с волной, отраженной от нагрузки. Таким образом, в линии достигается режим бегущей волны. На рис. 2.7 показаны емкостная, индуктивная и резонансная диафрагмы.

Рис. 2.7. Емкостная, индуктивная и резонансная диафрагмы

Рис.2.8 Частотные свойства проводящих диафрагм.

Разумеется, их отражающие свойства являются частотнозависимыми (рис.2.8), что в некоторых случаях ограничивает область их применения.

Результаты проведенных исследований аморфных металлических пленок, в частности, установленное отсутствие частотной дисперсии коэффициента отражения в широком диапазоне частот [12-14, 22-24], позволяет использовать их в качестве широкополосного согласующего элемента в волноводном тракте (рис. 2.9).

66

Рис.2.9. Тонкопленочный согласующий элемент.

При этом управление амплитудой дополнительной отраженной волны может достигаться выбором соответствующей толщины пленки, а необходимое в таких случаях фазированиеее местоположением. Немаловажное значение имеет также малая величина потерь в самом согласующем элементе.

2.2.7 Способы возбуждения волноводов. Связь волноводов с другими цепями.

Обычно для возбуждения колебаний в волноводе к нему подводят высокочастотную энергию через коаксиальную линию, имеющую с волноводом электрическую или магнитную связь. Кроме того, возбуждение волновода возможно через щели и отверстия в нем. Элемент возбуждения должен быть расположен в волноводе так, чтобы возбуждаемые им электрическое и магнитное поля совпадали по структуре с соответствующими полями, характерными для данного типа волны [15, 29, 31, 36, 37, 47, 51, 54, 56].

67

Рис 2.10. Возбуждение волноводов при помощи штыря.

При электрической связи (рис 2.10, а) продолжение внутреннего провода коаксиальной линии 2 используется в качестве вибратора, а наружный провод соединяется со стенкой волновода. Исходя из принципа обратимости антенны, вибратор следует располагать в таком месте волновода, где возможен наиболее эффективный прием. Для этого вибратор должен быть параллелен электрическим силовым линиям, и, кроме того, для получения максимальной мощности в нагрузке возбуждаемый волновод коаксиальный фидер 2 следует согласовать так, чтобы и фидер и волновод (от вибратора до нагрузки) работали в режиме бегущих волн. Согласование производят подбором длины вибратора l1, расстояния l2 от вибратора до поршня 3, отражающего волны к нагрузке, и расстояния y0 от вибратора до ближайшей (узкой) стенки волновода (рис. 2.10, б). Всякий вибратор имеет входное сопротивление с активной и реактивной составляющими. В данном случае на величину реактивного сопротивления дополнительно влияет то, что вибратор возбуждает в волноводе не только волну TE01, но и волны высших типов.

2.2.8 Применение прямоугольных металлических волноводов.

Различные волноводы используются в диапазоне длин волн приблизительно от 50 см до I мм. Если говорить о наиболее характерном использовании волноводов в качестве линий передачи, то на волнах дециметрового диапазона волноводы применяются лишь в мощных устройствах, а начиная с длины волны приблизительно 6 см — повсеместно. Столь широкое применение полых металлических волноводов обусловлено рядом их достоинств: высокой

68

технологичностью полноводных конструкций, весьма малым затуханием, возможностью передачи огромных импульсных .мощностей.

Чаще всего волноводные тракты строятся на основе прямоугольных металлических волноводов, по которым распространяется низший тип колебаний H10. Причины этого состоят в следующем: в возможности достижения наименьших поперечных габаритов, в устойчивости структуры поля в волноводе при введении неоднородностей.

Для примера рассмотрим прямоугольный волновод с волной H10, часть сечения которого перекрыта металлической диафрагмой, обеспечивающей согласование с какой-либо оконечной нагрузкой (рис. 2.11). Из рисунка видно, что одно лишь падающее поле не может удовлетворить граничным условиям на диафрагме. Поэтому здесь наряду с отраженной волной возникнет бесконечная последовательность волн высших типов (как E, так и Н-типов); амплитуды и фазы этих волн автоматически установятся таким образом, чтобы требуемые граничные условия были удовлетворены. Здесь могут быть два случая [29].

Рис. 2.11. Картина электрического поля вблизи диафрагмы, помещенной внутри волновода

Сечение волновода достаточно велико для того, чтобы часть этих высших волн оказалась распространяющимися. Подобные волноводы будем называть многоволновыми. При этом поле справа от диафрагмы (генератор слева) будет представляться суммой полей этих волн и прошедшей части основной волны H10. Естественно, что это суммарное поле может весьма значительно отличаться от исходного поля падающей волны.

69

Поперечные размеры волновода выбраны таким образом, что все типы колебаний, кроме основного, являлись затухающими. Такой волновод принято называть одноволновым. В одноволновом волноводе энергия колебаний высших типов будет сконцентрирована лишь в непосредственной близости от диафрагмы.

На практике в подавляющем большинстве случаев используются прямоугольные волноводы в одноволновом режиме. Одной из главных причин такого использования является то, что эффективность работы оконечных устройств, служащих для вывода энергии из волновода, полностью определяется структурой поля в месте их помещения. В качестве примера рассмотрим упрощенный вариант часто применяемого оконечного устройства — волноводно-коаксиального перехода, сочленяющего прямоугольный волновод с коаксиальным кабелем (рис. 2.12). Здесь внутренний проводник коаксиального кабеля проходит внутрь волновода через отверстие в центре широкой стенки, образуя миниатюрную штыревую антенну. Ра сстояние между штырем и коротко замыкающей стенкой выбирается рав-

ным в /4. Из эпюр распределения напряженности электрического поля, показанных на рис 2.12, видно, что штырь находится в пучности стоячих волн по обеим осям. Именно это к обеспечивает эффективный отбор мощности из волновода.

Рис. 2.12. Принципиальная схема волноводно-коаксиального перехода

Если теперь допустить, что по волноводу наряду с основной волной распространяется одна из волн высших типов, то, мощность,

70