2.7. Узгодження за допомогою реактивних трансформаторів

Таке узгодження реалізує перший метод – метод створення додаткових відбиттів. Реалізація цього методу полягає у знаходженні такого перерізу хвилеводу, в якому активна складова провідності дорівнює хвильовій провідності хвилеводу:

або . (2.18)

У цей переріз хвилеводу вмикають реактивний елемент, провідність якого Y_p.e дорівнює за величиною і протилежна за знаком реактивній провідності в даному перерізі хвилеводу.

Сумарна провідність Y_z у цьому перерізі буде активною і дорівнюватиме хвильовій провідності хвилеводу:

(2.19)

або, у зведених значеннях:

. (2.20)

Розглянемо конкретні типи узгоджуючих пристроїв, які застосовуються, наприклад, у прямокутних хвилеводах, що працюють на основній хвилі.

1. Діафрагма – це металева пластина, яка поміщена поперек хвилеводу і частково перекриває його. Товщина пластини в багато разів менша за довжину хвилі в хвилеводі. Залежно від характеру провідності розрізняють ємнісні та індуктивні діафрагми. На рис. 2.2, а, г, д показано індуктивні, а на рис. 2.2, б, в – ємнісні діафрагми та їх еквівалентні схеми. За розміщенням вікна діафрагми відносно середньої лінії поперечного перерізу хвилеводу розрізняють симетричні та несиметричні діафрагми.

У площині індуктивної діафрагми електричне поле має такий самий характер, як і в основному хвилеводі, а магнітні силові і лінії деформуються. Це пояснюється тим, що струми, які наводяться на діафрагмі, збуджують у хвилеводі хвилі Н_mn вищих типів. Для коливань типу H_mn, що не поширюються, хвильовий опір хвилеводу реактивний і має індуктивний характер. У зв'язку з цим поблизу діафрагми переважає магнітна енергія, і, відповідно, еквівалентна схема такої діафрагми – це індуктивність, яка включається в лінію паралельно. Ємнісна діафрагма збуджує хвилі вищих типів Е_mn і має відповідну еквівалентну схему.

Величина реактивної провідності діафрагми залежить від розміру d вікна. Чим менше розмір вікна, тим більші відбиття та реактивна провідність діафрагми. Якщо d = 0, то провідність діафрагми дорівнює нескінченності, що відповідає короткому замиканню хвилеводу (повне відбиття). Найчастіше застосовуються симетричні діафрагми. Величину зведеної провідності таких діафрагм визначають за такими співвідношеннями:

, (2.21)

, (2.22)

де а, в – розміри широкої та вузької стінок хвилеводу відповідно;

t – товщина діафрагми;

d – розмір вікна діафрагми.

Розмір діафрагми і місце її включення залежать від амплітуди і фази відбитої хвилі у хвилеводі. Розрахунок здійснюють у такій послідовності.

Визначають зведений опір навантаження:

На круговій діаграмі знаходять точку, яка відповідае цьому опорові. Припустимо, що зведений опір навантаження характеризується на діаграмі точкою 1 (рис. 2.3). Переходячи до діаграми провідностей, одержують точку 2.

Для визначення місця включення потрібно пересуватись від навантаження (точка 2) у бік генератора по лінії постійного КСХ на таку зведену відстань, щоб задовольнялась умова Y'= 1 + іВ'. На діаграмі ця умова виконується в точках 3 і 4, які відповідають перетину даного кола КСХ з колом зведеної активної провідності, що дорівнює одиниці. У перерізі хвилеводу, який відповідає точці 3, реактивна складова провідності має iндуктивний характер, і тому в цей переріз необхідно вмикати ємнісну діафрагму з реактивною провідністю В'_с = –(– В'₃) = В'₃. Відстань від навантаження до місця включення діафрагми дорівнює ℓ₁ = ℓ₁λ_х. Якщо узгодження проводиться за допомогою індуктивної діафрагми, то її слід включати в переріз хвилеводу, де реактивна складова провідності має ємнісний характер (точка 4 на діаграмі). При цьому величина зведеної провідності діафрагми B_i = B'₄, а відстань до місця включення ℓ₂ = ℓ'₂λ_х. Знаючи зведене значення провідності, за формулами для визначення В'_с і B'_L можна розрахувати розмір вікна діафрагми.

Аналогічний розрахунок проводять, якщо відомий розподіл амплітуд поля вздовж хвилеводу. При цьому зведену відстань до місця включення (ℓ'₃ або ℓ'₄) визначають відносно мінімуму напруженості електричного поля (точка 5), найближчого до навантаження.

2. Реактивний штир можна розглядати як окремий випадок діафрагми (іноді використовується термін "штирьова діафрагма"). Штирі являють собою круглі металеві стержні, розміщені в поперечному перерізі хвилеводу перпендикулярно до його стінок. Штир, установлений паралельно вузьким стінкам (рис. 2.4, а, б, г, д), має індуктивну, а штир, розміщений паралельно широким стінкам (рис. 2.4, в), – ємнісну провідності. Величина провідності штирів залежить від діаметра індуктивного штиря і, крім того, від його місця в поперечному перерізі, оскільки інтенсивність електромагнітного поля вздовж широкої стінки не постійна. Розглянуті штирі та діафрагми мають загальний недолік – їх не можна перестроювати в процесі налагодження або експлуатації тракту. Як реактивні елементи, що можна перестроювати, у хвилеводах використовують штирі зі змінюваною глибиною занурення. Такі штирі найчастіше встановлюють у центрі широкої стінки хвилеводу. Величина і характер реактивності такого штиря залежить не лише від діаметра, але й від глибини занурення. При глибині занурення ℓ < λ_х/4 – опір ємнісний, а при ℓ > λ_Х/4 – індуктивний. Якщо довжина штиря ℓ = λ_Х/4, то реактивний опір дорівнює нулю, тобто штир виявляється еквівалентним послідовному коливальному контуру, настроєному в резонанс. Для ефективного узгодження в діапазоні частот встановлюють декілька (до 3-5)

Рис.2.2. Ємнісні та індуктивні діафрагми

Рис. 2.3. Використання кругової діаграми для визначення місця включения узгоджувального трансформатора

штирів, рознесених на відстані λ_Х/4 один від одного. Недолік таких штирів полягає у тому, що вони знижують електричну міцність хвилеводу. Змінюваний реактивний опір можна створити на основі хвилеводних шлейфів, які являють собою короткозамккутий відрізок хвилеводу змінної довжини, ввімкнений в широку або вузьку стінку основного хвилеводу (рис.2.5, 2.6).

Шлейф, подібно до діафрагми, є вузькосмуговим і для узгодження в смузі частот потрібно підбирати не лише довжину, але й місце його включення. Пересування шлейфа в процесі роботи практично неможливе, тому для узгодження в смузі частот використовують два або три шлейфи. У першому випадку відстань між шлейфами береться такою, що дорівнює непарному числу λ_Х/8, якщо застосовуються три шлейфи, то λ_Х/4. Такі узгоджуючі пристрої називають хвилеводними шлейфовими трансформаторами.

3. Поширеними пристроями узгодження є трансформатори з діелектричними пластинами. Як приклад розглянемо коаксіальний трансформатор з двома діелектричними пластинами (шайбами), схематично зображений на рис. 2.7. Кожна з цих шайб має довжину λ/( ), де ε – відносна діелектрична проникність матеріалу шайби, λ – робоча довжина хвилі у вільному просторі. Шайби можуть пересуватись як одна відносно іншої (зміна L), так і спільно при незмінній відстані між ними. Якщо шайби зсунуті разом, то ділянка лінії, заповнена діелектриком, складає половину довжини, і тому трансформація опору відсутня. При відстані L між шайбами, яка дорівнює чверті довжини хвилі, трансформація опору виявляється найбільшою. Можна показати, що максимальна величина КСХ, при якій можливе узгодження за допомогою такого трансформатора, дорівнює квадрату відносної діелектричної проникності речовини, з якої виготовлено пластини.

Для виготовлення таких трансформаторів використовують діелектрики з порівняно високою діелектричною сталою і малими високочастотними втратами, наприклад топлений кварц.

При виконанні подібних трансформаторів на хвилеводах необхідно враховувати довжину хвилі λ_x, яка визначається за співвідношенням:

, (2.24)

де λ – довжина хвилі у вільному просторі.

Конструкції пластинчастого та інших типів трансформаторів повних опорів показано на рис. 2.7, 2.8.