Подготовка к лаб. работе No.1 -1

Материал для самостоятельной подготовки\

Подготовка к лабораторной работе №1

Технические характеристики волноводных линий передачи

ВОЛНОВОД – это линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения энергии.

Ниже мы рассмотрим полый прямоугольный волновод с одним проводящим контуром, охватывающим область распространения энергии.

Прямоугольный волновод представляет собой металлическую трубу прямоугольного сечения с размерами поперечного сечения а и в соответственно широкой и узкой стенок волновода (Рис. 1) Если а=в, волновод называется квадратным.

Рис.1 Прямоугольный волновод

Диапазон частот, в котором, как правило, используется прямоугольный волновод – 1000 – 100 000 МГц.

Основной тип волны Н10. Критическая длина волны Н10- λкр=2а.

Длина волны в волноводе с воздушным заполнением:

. (1)

Составляющие поля волны Н10 :

(2)

где и комплексные амплитуды полей, – постоянная распространения, – характеристическое сопротивление волны Н10. При приближении к значение растет до бесконечности.

Первые высшие типы волн – Н20кр=а), Е11 и Н11 (.

Стандартные сечения выпускаемых волноводов : 72х34 мм (, 23х10 мм (; – рабочая длина волны генератора. Размер b может отличаться от указанного.

Плотности электрических токов, текущих по стенкам волновода, находятся как векторное произведение составляющей вектора Н, касательной к металлической поверхности, и нормали к этой поверхности, т.е. токи на поверхности металла ортогональны линиям вектора Н.

Соответственно на широкой стенке волновода присутствуют составляющие токов jx и jz, а на узкой — jy:

(3)

где и – орты прямоугольной системы координат.

Амплитуды токов в зависимости от координат х и у меняются пропорционально соответствующим составляющим вектора Н.

На рис. 2 а показана структура силовых линий векторов Е и Н волны Н10, на рис. 2 б) эпюры распределения полей по координатным составляющим, на рис. 2 в указаны направления токов, текущих по стенкам волновода.

Рис. 1.2 Структура (а) и распределение поля (б), структура поверхностных токов (в) волны Н10 в прямоугольном волноводе.

Потери в волноводе.

Зависимость потерь в прямоугольном волноводе от длины волны показана на рис.3

Рис.1.3 Затухание волны Н10 в прямоугольном волноводе

Рабочая область для волны основного типа (Н10) лежит в пределах

где

Мощность, пропускаемая волноводом

Мощность, пропускаемая волноводом, может быть подсчитана как интеграл по поперечному сечению волновода от вектора Пойтинга:

(4)

где Еt – действующее значение поперечной составляющей поля Е в волноводе; S – площадь поперечного сечения волновода, через которое проходит волна, zс — характеристическое сопротивление волны Н10.

При приближении к пропускаемая мощность Р стремится к нулю.

Элементы тракта прямоугольного волновода.

Согласованные нагрузки.

На рис. 4 показаны несколько вариантов конструктивного выполнения согласованных нагрузок, для тракта на прямоугольных волноводах.

Рис. 4 а) нагрузка из клиновидной пластиной с резистивным покрытием.

б) и в) клиновидная нагрузка из поглощающего материала на малую мощность.

г) клиновидная нагрузка из поглощающего материала на большую мощность.

Для согласованных нагрузок должно выполняться условие малого отражения падающей волны от входа нагрузки. Для выполнения этого требования волна должна входить в зону поглощения постепенно С этой целью нагрузка выполняется в форме клина. В конструкциях на рис. б) — г) плоскость клина ортогональна вектору Е, длина клиновидной части нагрузки, выбирается большей, чем половина длины волны в волноводе. В случае конструкции, представленной на рис. 4 а), вектор Е параллелен плоскости клина, постепенность вхождения достигается путем плавного увеличения площади зоны с резистивным покрытием за счет клиновидной формы пластины.

Нагрузка считается хорошо согласованной, если ее КБВ больше 0,95 (КСВ меньше 1,05)

Волноводные тройники (разветвления)

На рис. 5 показаны параллельное и последовательное разветвления волноводного тракта с волной Н10. При включении волновода 3 в разрыв узкой стенки волновода 1-2 продольный ток, текущий по широкой стенке волновода тракта делится на две части. Часть тока продолжает течь по волноводу 1-2, а часть ответвляется в волновод 3. Соответственно разветвление называется параллельным волноводным тройником.

В случае включения волновода 3 в разрыв широкой стенки волновода1-2 (Рис. 5 б) продольный ток jz перетекает с широкой стенки волновода тракта на широкую стенку волновода ответвления. Ток на противоположной стенке ответвления течет в обратную сторону и, перетекая на стенку волновода тракта, создает ток, однонаправленный с входящим в шлейф. Таким образом, продольный ток последовательно обтекает шлейф и тройник носит название последовательного.

Соответствующие эквивалентные схемы представлены на Рис.6.

Рис 5 Параллельное (а) и последовательное (б) разветвление волноводов

Рис 6 Эквивалентные схемы параллельного (а) и последовательного (б) разветвлений волноводов

Реактивные шлейфы.

Термин «реактивный шлейф» употребляется для отрезков линии передачи с режимом короткого замыкания или холостого хода в сечении нагрузки.

Шлейфы на основе прямоугольного волновода делаются короткозамкнутыми, поскольку открытый конец волновода сильно излучает и режим холостого хода не может быть реализован.

Шлейф может включаться в тракт параллельно либо последовательно.

Если плечо 3 тройника (рис. 5), закоротить на некотором расстоянии от разветвления, то образуется короткозамкнутый шлейф включенный в тракт параллельно или последовательно, и его называют соответственно параллельным либо последовательным короткозамкнутым реактивным шлейфом. Конструктивное выполнение кз шлейфов на прямоугольном волноводе рассматривается на лекциях.

Четвертьволновый трансформатор

Четвертьволновый трансформатор в прямоугольном волноводе может быть реализован либо путем установки в него четвертьволновой металлической вставки без изменения внешней геометрии волновода (рис.7), либо путем двукратного изменения поперечных размеров волновода (рис. 8).

Рис. 7 Четвертьволновый трансформатор

Рис.8 Стык двух волноводов

В первом случае погонная емкость линии меняется за счет изменения расстояния между широкими стенками волновода при введении металлической вставки, во втором — за счет изменения расстояния между стенками волновода. При этом величина скачка эквивалентного волнового сопротивления может быть рассчитана в общем случае с помощью следующего соотношения

(5)

где и эквивалентные волновые сопротивления стыкуемых волноводов;

а – размер широкой стенки стыкуемых волноводов; b – размер узкой стенки;

и — длины волн типа Н10 в стыкуемых волноводах.

Четвертьволновый трансформатор образуется за счет перехода от волновода с размерами а1, b1 к волноводу с размерами а2, b2 и обратно. Длина отрезка волновода с размерами а2, b2 выбираетсяравной четверти длины волны Н10 в этом волноводе.

Коаксиально-волноводные переходы

При подсоединении волноводов к другим элементам тракта СВЧ, например к генератору, имеющему выход на коаксиал необходимо использовать переходы от коаксиальной линии к волноводной.

Стандартно используемые переходы от коаксиального кабеля с волной типа Т к прямоугольному волноводу с волной типа Н10 показаны на рис. 11.

В широкой стенке волновода прорезается отверстие по диаметру внешней оплетки коаксиала, который вставляется в это отверстие и припаивается к волноводу. Внутренний проводник коаксиала в виде зонда входит в волновод на определенную глубину, обеспечивающую согласование перехода. С одной стороны волновода устанавливается фланец для соединения с основным трактом, с другой — волновод закорачивается на расстоянии от сечения ввода коаксиала, равном четверти длины волны (Н10). В данной конструкции коаксиал подключен к волноводу параллельно, волноводный шлейф в сечении включения коаксиала имеет бесконечное сопротивление. Диафрагма служит для дополнительного согласования перехода с волноводной линией.

Рассмотренная конструкция перехода является достаточно узкополосной ее полоса 5-7% по уровню КБВ=0,95.

Более широкополосной является конструкция, показанная на рис. 11 в). Отличие от предыдущего случая состоит в наличии металлического стержня, припаянного в своей средней части к зонду, а концами к противолежащим узким стенкам волновода. В этом случае полоса согласования расширяется до 10-15% , что связано с тем обстоятельством, что распределение тока по зонду становится равномерным и слабо меняется в полосе частот, т.к. ток протекает сначала по вертикальному зонду, а затем переходит на горизонтальный стержень (в предыдущей конструкции ток на конце зонда равнялся нулю). Горизонтальный стержень не участвует в возбуждении волны Н10, поскольку возбуждаемый им вектор поля Е параллелен широкой стенке волновода. Расстояние между широкими стенками меньше половины длины волны и волновод для поляризации вектора Е, параллельной широкой стенке волновода, является запредельным.

Рис. 9 Коаксиально — волноводные переходы

Нерегулярности волноводного тракта

К нерегулярностям волноводного тракта относятся пассивные реактивные штыри, располагаемые в волноводе параллельно линиям вектора Е, и диафрагмы. Данные элементы используются, как правило, в схемах согласования волноводных трактов, либо в качестве элементов фильтров.

Штыри в волноводе

На рис. 12 изображен емкостный штырь, представляющий собой цилиндрический пассивный проводник, припаянный одним концом к широкой стенке волновода. Эквивалентная схема замещения штыря показана на том же рисунке. Она содержит последовательный контур, включенный параллельно в линию передачи. Вследствие концентрации линий поля Е на конце штыря образуется емкость. Индуктивность обусловлена прохождением токов по штырю.

Если длина штыря мала, то индуктивность незначительна и схема замещения такого штыря – емкость. При увеличении длины штыря индуктивная составляющая увеличивается и при некоторой длине емкостная и индуктивная составляющие сопротивления становятся равными, в результате образуется резонансный последовательный контур, включенный параллельно в волноводный тракт и накоротко замыкающий этот тракт на резонансе. Штырь в этом случае называется резонансным.

Рис.10 Емкостный штырь и его схема замещения

Использование емкостных штырей существенно снижает электропрочность волноводов.

В случае, когда штырь полностью перемыкает волновод (рис.13), он имеет только индуктивную составляющую сопротивления и называется индуктивным.

Рис.11 Индуктивный штырь и его схема замещения

Реактивность, вносимая штырями, зависит от диаметра штыря, его расположения относительно узких стенок волновода (расстояние d) и может быть найдена с использованием графиков, приводимых в справочной литературе.

Последовательные емкости в схемах замещения штырей на рис. 12 и 13 учитывают конечность толщины штыря и при тонких штырях ими можно пренебречь.

Волноводные диафрагмы.

Волноводные диафрагмы представляют собой тонкие металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода. На практике чаще всего используются симметричные индуктивная и емкостная диафрагмы и резонансная диафрагма.

Индуктивная диафрагма представлена на рис.14 а) Токи, текущие по стенкам волновода, частично замыкаются через диафрагму. В магнитном поле этих токов запасается магнитная энергия. Поэтому схема замещения индуктивной диафрагмы в прямоугольном волноводе с волной Н10 представляет собой индуктивность, включенную параллельно в линию передачи. Величина нормированной реактивной проводимости индуктивной диафрагмы bL может быть рассчитана по приближенной формуле:

bL= (λв\a)ctg2dL/(2a)]. (6)

Емкостная диафрагма уменьшает зазор между широкими стенками волновода, в результате этого происходит концентрация поля Е на кромках диафрагмы. Поэтому схемой замещения емкостной диафрагмы (рис. 14 в)) является емкость, включенная параллельно в линию передачи с нормированной реактивной проводимостью bc

bc= (4bв)ln{cosec [π dc/(2b)]}. (7)

В (6) и (7) λв — длина волны типа H10 в волноводе (см. соотношение (1)), λ0 — длина волны в свободном пространстве, остальные обозначения ясны из рис.14.

Рис.12 а) Индуктивная диафрагма; б) емкостная диафрагма; в) резонансная диафрагма.

Резонансная диафрагма содержит в себе элементы индуктивной и емкостной диафрагм и имеет схему замещения в виде параллельного резонансного контура, параллельно включаемого в тракт. Выбором размеров диафрагмы можно достичь резонанса на рабочей длине волны. Резонанс на заданной частоте можно получить при множестве размеров диафрагм, отличие их состоит в различной внешней добротности полученных контуров. На резонансе сопротивление контура равно бесконечности и диафрагма ведет себя как полосно-пропускающий фильтр. Полоса пропускания зависит от внешней добротности контура.

Перечень вопросов

Диапазон длин волн, характерный для использования прямоугольных волноводов.

Основной тип волны. Составляющие полей Е и Н. Картина силовых линий. Координатные составляющие токов на широкой и узкой стенках волновода, зависимость их величин от координат точки наблюдения. Зависимость фазовой скорости и длины волны от диэлектрич. и магнитной проницаемости заполнения. Критическая длина волны. Характеристическое сопротивление.

Почему не излучает продольная щель, прорезанная по середине широкой стенки волновода?

Первый высший тип в прямоугольном волноводе. Составляющие полей Е и Н. Картина силовых линий. Критическая длина волны.

Стандартные размеры волноводов 3-х и 10-сантиметрового диапазонов.

Зависимость потерь в металле для волновода от длины волны генератора для волны Н10. Как определяется область рабочих частот волны Н10?

Как посчитать мощность, пропускаемую по волноводу. Как изменяется максимально пропускаемая мощность в диапазоне рабочих длин волн?

Как в прямоугольном волноводе изменяются потери и максимально пропускаемая мощность при приближении рабочей частоты к критической частоте для используемого типа волны.

П и Н образные волноводы. Их достоинства и недостатки по сравнению с прямоугольными.