Объемные резонаторы, волноводы,линии

теги:


Колебательные системы в виде резонансных линий являются основными для дециметровых волн, но на сантиметровых волнах длина линии получается такого же порядка, как ее диаметр, и о линии вообще уже говорить нельзя. Даже на наиболее коротких дециметровых волнах (10-30 см) применение резонансны линий часто становится неудобным.

Основным типом колебательных систем для сантиметровых волн (и отчасти для дециметровых) являются объемные резонаторы, предложенные советским ученым М. С. Нейманом в 1939—1940 гг.Х). Теория работы и расчета объемных резонаторов была развита в трудах М. С. Неймана, Г. В. Кисунько и ряда других ученых.

Переход от обычного контура к объемному резонатору

Рис.1 — Переход от обычного контура (а) к объемному резонатору (в)

На рис.1 показан переход от контура с сосредоточенными параметрами к объемному резонатору. Пусть контур обычного типа имеет емкость в виде конденсатора С, образованного двумя круглыми пластинками, и индуктивность в виде прямоугольного витка L1 (рис.1 а). Как известно, качество такого контура на свч получается весьма низким. Если подключить к конденсатору параллельно несколько витков (рис.1 6), то индуктивность и активное сопротивление уменьшается. В результате этого повысятся собственная частота контура fо и его добротность Q.

Например, если включить 25 витков, то индуктивность уменьшится в 25 раз, а частота увеличится в 5 раз, так как

 

Пример расчета частоты объемного резонатора путем подбора индуктивности.

характеристическое сопротивление контура уменьшится в 5 раз, что следует из формулы

 

Характеристическое сопротивление контура

а активное сопротивление контура r уменьшится в 25 раз (если считать его сосредоточенным только в витках).

Поэтому качество контура, равное ρ/r возрастет в 5 раз. Увеличивая число витков, присоединяемых к конденсатору С, придем к случаю,, когда все витки сольются в одну общую замкнутую металлическую поверхность (рис.1 б). Если для этого надо N витков, то на основании приведенного выше примера можно считать, что резонансная частота и качество контура возрастут в (корень) из N раз.

Таким образом, колебательный контур превратился в закрытую металлическую коробку цилиндрической формы, представляющую собой объемный резонатор. При этом в действительности качество контура возрастает не в (корень) из N раз, а гораздо больше вследствие того, что замкнутая металлическая поверхность является хорошим экраном, и поэтому электромагнитное поле существует только внутри резонатора.

Объемный резонатор подобно «аксиальной резонансной линии представляет собой экранированную колебательную систему, в которой отсутствуют потери на излучение и нет внешнего поля, способного создать паразитные связи с другими цепями. Кроме того, в объемном резонаторе нет потерь в твердых диэлектриках и активное сопротивление стенок резонатора очень мало благодаря их большой поверхности. В результате всего этого, если от резонатора не отбирается энергия, то его качество может доходить до десятков тысяч. Удобно также то, что наружная поверхность объемного резонатора имеет нулевой потенциал и не несет на себе токов. Поэтому объемные резонаторы могут монтироваться без изоляции.

Поле в цилиндрическом объемном резонаторе

Рис.2 — Поле в цилиндрическом объемном резонаторе

Колебательный процесс в резонаторе, по существу, представляет собой стоячие электромагнитные волны, возникшие благодаря отражению волн от стенок резонатора. На рис.2 показаны силовые линии электрического и магнитного полей в цилиндрическом резонаторе, являющемся одним из простейших по своей конструкции. Электрические силовые линии идут от одного основания цилиндра к другому, а магнитные силовые линии в виде концентрических колец окружают электрическое поле. Такая структура поля является простейшей, но в объемных резонаторах могут существовать колебания и других видов, имеющие различную структуру поля.

Виды тороидальных резонаторов

Рис.3 — Виды тороидальных резонаторов

Исторически одним из первых был тороидальный резонатор (рис.3 а). Электрическое поле в нем сосредоточено главным образом в средней части между двумя дисками, а магнитные силовые линии расположены кольцами вокруг электрического поля. Однако резонатор по рис.3 а, сложен в изготовлении, и в настоящее время резонаторы такого типа делаются иной формы. Наиболее распространены тороидальные резонаторы, показанные на рис.3 б и в, называемые иначе коаксиальными.

Действительно резонатор (рис.3 в) составлен из двух коаксиальных цилиндров и напоминает коаксиальную линию, короткозамннутую на одном конце, и имеющую некоторую емкость на другом конце. Но все же его нельзя назвать линией, так как он имеет размеры внутренней полости одного порядка в радиальном и осевом направлениях, а у линии длина должна быть значительно больше разности радиусов. Конечно, резкой границы между коаксиальным объемным резонатором и коаксиальной линией провести нельзя. Если у коаксиального объемного резонатора увеличить отношение высоты h к радиальному размеру r2 — r1 то он постепенно превратится в коаксиальную линию.

В некоторых случаях применяются резонаторы, подобные изображенным на рис.3 б к в, но имеющие размер r2 —r1, значительно больше высоты h. Их называют резонаторами типа радиальной линии. Иногда применяются объемные резонаторы прямоугольной формы (в виде параллелепипеда). Возможно устройство резонаторов и многих других форм.

Объемный резонатор в отличие от обычного контура имеет не одну собственную частоту, а множество резонансных частот. Это свойство характерно для колебательных систем с распределенными параметрами, и мы уже встречались с ним, рассматривая резонансные линии. У линий резонанс на той или иной гармонике определяется числом четвертей или половин волны, укладывающихся вдоль линии.

В объемных резонаторах различное число стоячих волн может укладываться не в одном направлении, а вдоль любого из трех размеров. Так как эти размеры могут находиться между собой в любом соотношении, то резонансные частоты объемного резонатора нельзя назвать гармониками. Они не обязательно в целое число раз больше основной частоты.

Прямоугольный или цилиндрический объемный резонатор можно рассматривать как короткий волновод, закрытый с обоих концов металлическими стенками. Вдоль него бегущие волны распространяться не могут, и поэтому режим стоячих волн получится не только в поперечном сечении, но и в продольном направлении. Резонанс будет наблюдаться на частотах, для которых вдоль волновода укладывается целое число полуволн.

Для простейшего типа колебаний, характерно то, что собственная частота не зависит от высоты резонатора h, а определяется только его диаметром D:

Зависимость частоты объемного резонатора от диаметра

Возможно также возбуждение других колебаний высших порядков, частоты которых в большинстве случаев не кратны основной (наинизшей) частоте. Получение в резонаторе колебаний того или иного типа зависит от частоты возбуждающих резонатор внешних колебаний и от способа возбуждения, т. е. от того, какое устройство применяется для возбуждения. Колебания высших порядков обычно на практике не используются. Однако они могут возникнуть как вредные (паразитные) колебaния.

Устройства для связи объемных резонаторов с другими целями, в частности с другими резонаторами, осуществляются так же, как и в волноводах. Элементы связи служат либо для возбуждения колебаний в резонаторах, либо для отбора от них энергии.

Электрическая и магнитная связь резонатора с другими цепями и их эквивалентные схемы

Рис.4 — Электрическая (а) и магнитная (б) связь резонатора с другими цепями и их эквивалентные схемы (в и г)

Электрическая связь устраивается с помощью штырька (рис.4 а), а магнитная связь — с помощью витка (петли) (рис.4 б). Все, что говорилось о них применительно к волноводам, относится и к объемным резонаторам. Эти виды связи аналогичны емкостной и индуктивной связи в обычных контурах. На рис.4 в и г показаны эквивалентные схемы, подчеркивающие это сходство.

Нередко электрическая или магнитная связь применяется в резонаторе дважды: один раз для возбуждения колебаний, а другой раз—для отбора энергии (рис.5).

 

Связь резонатора с двумя цепями

Рис.5 — Связь резонатора с двумя цепями

Связь объемных резонаторов с волноводами делается часто дифракционная—через отверстие, причем для согласования обычно ставятся диафрагмы (рис.6). В некоторых радиотехнических устройствах связь с резонатором осуществляется с помощью электронного потока. Для пропускания этого потока в стенках .резонатора делаются отверстия.

Дифракционна связь волновода с объемным резонатором (через отверстие)

 

Рис.6 — Дифракционна связь волновода с объемным резонатором (через отверстие)

Качество объемных резонаторов, связанных с другими цепями, получается значительно меньше, чем при отсутствии связи. Отбор энергии от резонатора равносилен увеличению и от ерь в резонаторе.

Поэтому всегда нужно различать качество самого резонатора, не имеющего связи с другими цепями, и качество нагруженного резонатора.

Настройку объемных резонаторов на необходимый диапазон частот можно осуществить изменением их объема. На рис.7 показаны различные способы изменения объема резонаторов. Подвижный плунжер рис.7 а устраивается так же, как и в коаксиальной резонансной линии, и обладает теми же недостатками. Часто встречается конструкция рис.7 б, в которой внутренний цилиндр резонатора может ввинчиваться и вывинчиваться.

Настройка объемного резонатора путем изменения его объема

Рис.7 — Настройка объемного резонатора путем изменения его объема.

Этот метод удобен и дает настройку в широком диапазоне.

Если внутренний цилиндр полностью вывинчен, то резонатор будет цилиндрическим и частота его получается наиболее высокой. При постепенном ввинчивании цилиндра резонатор превращается в коаксиальный, и собственная частота у него понижается. Иногда у резонатора делают упругую гофрированную стенку, которую можно прогибать с помощью нажимного винта (рис.7 в).

Настройка бъемного резонатора с помощью переменного конденцатора переменной емкости

Рис.8 — Настройка бъемного резонатора с помощью переменного конденцатора переменной емкости

Другим методом настройки является показанное на рис.8 а, включение в резонатор конденсатора переменно емкости. Наиболее простая конструкция изображена на рис.8 б. Перемещение внутри резонатора винта с пластинкой дает также некоторое изменение объема, но основное влияние на частоту оказывает изменение емкости в пучности электрического поля или вблизи нее. Увеличение этой емкости дает уменьшение собственной частоты резонатора.
Изменение частоты в небольших пределах путем ввинчивания внутрь резонатора винтов часто применяют для подстройки на нужную частоту. Иногда для этого используют поворот короткое замкнутого витка пучности магнитного поля или металлического диска в вблизи нее. Такой способ дает повышение собственной частоты, причем оно будет наибольшим в случае, когда плоскость витка или диска перпендикулярна магнитным силовым линиям.




При повышении частоты качество Q обычных колебательных контуров, составленных из катушки и конденсатора, уменьшается и на сеч становится недопустимо малым. Действительно, с повышением частоты быстро растут потери энергии. За счет поверхностного эффекта увеличивается сопротивление проводов.

Возрастают потери в твердых диэлектриках. Особенно значительными становятся при cвч потери на излучение, так как размеры элементов контура получаются одного порядка с длиной волны. Контур работает как антенна и его уже нельзя считать замкнутым. Сильное излучение создает также паразитные связи этого контура с другими целями. Увеличение потерь приводит к возрастанию активного сопротивления контура r.

В то же время характеристическое сопротивление контура значительно уменьшается. Величина ρ связана с первичными параметрами контура L и С следующим соотношением:

Характеристическое сопротивление контура

Для повышения частоты нужно уменьшать L и С контура. Однако значительное уменьшение величины С невозможно, так как в нее входят междуэлектродные емкости лампы, подключенной к контуру, и емкость монтажа. Кроме того, часто приходится включать в контур для настройки конденсатор переменной емкости. Поэтому емкость контура обычно не может быть меньше 5—10 пф. Приходится для получения нужной частоты уменьшать во много раз индуктивность, и величина р снижается. В результате качество контура Q, равное ρ/r, резкоухудшается, и это является важнейшей причиной, заставившей применять на свч иные колебательные системы.

На сантиметровых волнах и частично на дециметровых устройство контуров обычного типа становится вообще невозможным, так как даже короткий проводник, соединяющий электроды лампы, и казалось бы просто замыкающий их, обладает слишком большой индуктивностью.

Следующий пример дает представление об индуктивности, которой должен обладать контур, имеющий емкость С = 10 пф, для случая, когда частота fo = 1000 Мгц = 1 000 000 кгц

По формуле

Расчет индуктивности контура

Получаем

Расчет индуктивности контура

Прямолинейный проводник длиной в 1 м имеет индуктивность порядка единиц микрогенри. Следовательно, в данном случае индуктивность контура должна представлять собой проводник длиной всего лишь в несколько миллиметров, что явно неосуществимо.

Таким образом, контуры обычного типа, как правило, могут быть использованы лишь на волнах не короче метровых. Только в редких случаях на наиболее длинных дециметровых волнах (70 -100 см) встречаются контуры, у которых в качестве индуктивности используется полувиток трубки или проволоки, а емкостью является междуэлектродная емкость лампы, причем для уменьшения ее влияния и для настройки последовательно включают конденсатор переменной емкости с максимальной емкостью в несколько пикофарад. Подобные контуры обладают довольно низким качеством.

Разомкнутая или коротко-замкнутая линии, имеющие длину, кратную ¼ λ , эквивалентны последовательному или параллельному резонансному контуру. Отрезки симметричных или коаксиальных линий являются наиболее распространенными колебательными системами для диапазона дециметровых воля.

В большинстве приемных и передающих схем встречаются главным образом параллельные контуры. Поэтому основным типом контура для дециметровых волн является четвертьволновый отрезок короткозамкнутой симметричной или коаксиальной линии. Входное сопротивление такой линии при .настройке в резонанс имеет весьма большую величину и является чисто активным. При расстройте в ту или иную сторону от резонанса входное сопротивление уменьшается и приобретает емкостный или индуктивный характер. Как известно, именно так изменяется вблизи резонанса полное сопротивление параллельного резонансного контура.

Резонансные линии, работающие в качестве колебательных контуров, обладают высоким качеством Q, которое может доходить до нескольких тысяч.

С укорочением длины волны, т. е. с повышением частоты, качество резонансных линий Q увеличивается, что является большим их преимуществом по сравнению с обычными контурами.

Резонансная линия обычно бывает подключена к лампе, и поэтому к входу линии оказывается присоединенной междуэлектродная емкость. В этом случае колебательной системой является линия совместно с емкостью лампы, и для получения резонанса на некоторой частоте fо необходимо, чтобы входное сопротивление линии Zвх было индуктивным и равным емкостному сопротивлению ½* n*fo*C.

Короткозамкнутая линия имеет индуктивное входное (сопротивление при длине, меньшей λ/4. Таким образом, практически приводится брать не четвертьволновую, а более короткую линяю.

Во многих случаях необходима настройка линии на некоторый диапазон частот. Даже при работе на одной частоте колебательная система должна иметь устройство для подстройки на нужную частоту.

Настройка симметричной линии чаще всего производится с помощью подвижного короткозамыкателя, перемещение которого вдоль линии меняет ее длину. (рис.1 а).

Различные способы настройки резонансной линии

 

Рис.1 — Различные способы настройки резонансной линии

Чтобы устранить недостаток этого метода — непостоянство трущегося контакта,— нередко осуществляют настройку конденсатором переменной емкости, включенным на вход линии (рис.1 6). Увеличение его емкости дает настройку на более длинную волну.
Иногда конденсатор для настройки включают в конец линии, вместо короткозамыкателя (рис. 1 б). Тогда, если емкость его велика, а следовательно, сопротивление мало, то линия близка к короткозамкнутой и резонансная длина волны примерно в 4 раза больше длины линии; б случае же наименьшей емкости линия близка к разомкнутой и резонансная длина волны получается примерно в 2 раза длиннее линии. Практически удается получить диапазон с отношением несколько меньше 2.

Колебательные системы в виде симметричных линий обладают тем недостатком, что они создают значительное внешнее электромагнитное поле. Вследствие этого образуются паразитные связи с другими цепями и велики потери на излучение. В таких линиях весьма заметны потери и в самих проводах, имеющих сравнительно малый диаметр. Для устранения излучения и паразитных связей иногда применяют экранировку линии, но и при ней потери остаются значительными.

Более высокими качествами Обладают контуры, сделанные из коаксиальных линий. Потери в них малы, так как провода имеют большую поверхность и отсутствует излучение благодаря тому, что внешний проводник является экраном. Очевидно, что устраняются и паразитные связи с другими цепями. Все точки наружной поверхности внешнего провода коаксиальной линии имеют нулевой потенциал, и поэтому линия может быть смонтирована без всякой изоляции.

Коаксиальные резонансные линии удобны еще потому, что для работы с ними выпускаются специальные лампы, у которых выводы от электродов сделаны цилиндрической формы. В соединении с внешним коаксиальным контуром такие выводы составляют один общий контур.

Для настройки коаксиальных контуров путем изменения их длины вдоль линии перемещается короткозамыкающий поршень, называемый плунжером (рис.2). Этот метод дает настройку в довольно широких пределах. Необходимо, чтобы плунжер перемещался легко и плавно и вместе с тем имел хороший контакт по всей окружности как с внешним, так и с внутренним проводниками. Для обеспечения лучшего контакта по окружности плунжера делаются гибкие контактные пружины.

Настройко коаксиальной линии с помощью короткозамыкающего плунжера

Рис.2 — Настройко коаксиальной линии с помощью короткозамыкающего плунжера.

Несмотря на то, что были предложены многочисленные конструкции плунжеров, все же трущийся контакт с проводами линии создает значительные потери и не обладает постоянством. Можно устранить трущийся контакт и сделать небольшой зазор между плунжером и проводниками линии. Тогда линия будет уже не короткозамкнутая, а нагруженная на емкость, образованную этим зазором. При таком без контактном плунжере настройка получается на более узкий диапазон. Кроме того, трудно обеспечить постоянство настройки, так как возможны изменения величины зазора.

Часто применяется настройка с помощью конденсатора переменной емкости на входе коаксиальной линии. Однако устройство такого конденсатора с изменением емкости в больших пределах представляет трудности. Его легче осуществить при малых мощностях, когда напряжения невысокие, а следовательно, возможно установить малое расстояние между обкладками конденсатора; при более высоких напряжениях это расстояние должно быть значительным. Простая конструкция подобного конденсатора показана на рис.3, но она не обеспечивает настройку в широком диапазоне.

 Настройка линии с помощью конденсатора

 

Рис.3 — Настройка линии с помощью конденсатора

Связь резонансных линий с другими цепями применяется как для отбора энергии электромагнитного поля от этих линий, так и для подведения к ним энергии. Симметричные линии чаще всего связываются с другими цепями индуктивно. Для связи применяется виток или полувиток провода (рис.4). Чем больше размеры этого витка и чем ближе он к короткозамкнутому концу линии, тем сильнее связь. Кроме того, связь будет более сильной, если плоскости линии и витка параллельны друг другу, особенно, когда виток расположен в плоскости самой линии. В этом случае виток пронизывается наиболее сильным магнитным потоком. Изменение связи достигается перемещением витка относительно линии. Можно, например, поворачивать плоскость витка относительно плоскости линии.

Индуктивная связь линии с другими цепями

 

Рис.4 — Индуктивная связь линии с другими цепями

Коаксиальная резонансная линия, будучи соединена с электронной лампой, представляет собой полностью экранированную систему. Поэтому элементы связи нужно вводить внутрь линии. На рис.5 показаны основные виды связи.

Способы связи коаксиальной линии с другими цепями

Рис.5 — Способы связи коаксиальной линии с другими цепями

Индуктивная или магнитная связь (рис.5 а) осуществляется с помощью витка (петли) связи, который обычно является окончанием коаксиальной соединительной линии и располагается вблизи конца линии, где магнитное поле наиболее сильное. Для изменения связи виток поворачивают, и тогда изменяется величина магнитного потока, пронизывающего виток.

Емкостная или электрическая связь показана в двух вариантах на рис.5 б и в. В этом случае внутрь линии в радиальном направлении вводят штырек, иногда называемый зондом. Благодаря тому, что он располагается вдоль электрических силовых линий, в нем создается некоторая переменная эдс (при отборе энергии). Штырек обычно представляет собой конец внутреннего провода коаксиального кабеля. Чем больше длина этого штырька, т. е. чем глубже он «погружен» в электрическое поле, тем сильнее связь. Иногда для увеличения связи на конец штырька ставится пластинка (рис.5 в). Приближая ее к внутреннему проводу резонансной линии, можно связь усилить. Связь тем сильнее, чем ближе расположен штырек к пучности напряжения, т. е. началу линии, где электрическое поле наиболее сильное. В некоторых схемах применяется непосредственная связь (рис.5 г), аналогичная автотрансформаторной связи в обычных контурах.

Ее недостаток — невозможность изменения величины связи.




Хотя коаксиальные линии применяются широко, но все же они обладают некоторыми существенными недостатками, особенно заметными на сантиметровых волнах. Потери в этих линиях с повышением частоты значительно возрастают, так как поверхность внутреннего провода линии мала, а. следовательно, его сопротивление сравнительно велико. Кроме того, увеличиваются потери в изоляторах, отделяющих внутренний провод от внешнего. Если же увеличить диаметр внутреннего провода, т. е. уменьшить расстояние между ним и внешним проводом, то появляется опасность пробоя изоляции, особенно при больших мощностях.

На сантиметровых волнах линию во многих случаях заменяют волноводом, представляющим собой металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна (рис.1). Стенки волновода играют роль экрана, не дающего электромагнитным волнам распространяться в разные стороны и заставляющего их перемещаться только вдоль волновода.

 

Круглый и прямоуголный волноводы

Рис.1 — Круглый и прямоуголный волноводы.

По сравнению с коаксиальной линией потери энергии в волноводе меньше, так как отсутствует внутренний провод и нет никаких изоляторов. Наибольшее напряжение в волноводе получается между диаметрально противоположными точками его внутренней поверхности, если волновод имеет круглое сечение), или между противоположными стенками, если его сечение прямоугольное (рис.1). Расстояние между этими точками больше, чем расстояние между проводами в коаксиальной линии, и поэтому опасность пробоя при высоких напряжениях значительно меньше.

Однако волноводы имеют свой недостаток, который ограничивает их применение. В коаксиальной или симметричной линии могут распространяться волны любой частоты, а в волноводе возможно распространение только волн, у которых частота выше некоторой определенной величины, называемой критической частотой fKp. Иначе говоря, в волноводе могут распространятьея только волны, у которых длина короче некоторой критической длины волны (ламбда) кр. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Если волновод имеет диаметр 3 см, то критическая длина волны будет примерно λ —6 см. Более длинные волны через такой волновод распространяться не могут.

Ясно, что волноводы для коротких или метровых волн непригодны, так как это были бы трубы с поперечными размерами в единицы или десятки метров! Даже для дециметровых волн поперечник волновода должен быть порядка десятков сантиметров, что также неудобно. Поэтому волноводы используются только на сантиметровых волнах, для которых конструкция волновода не получается слишком громоздкой.
Теория распространения радиоволн в волноводах весьма сложна, и можно рассмотреть лишь некоторые выводы этой теории, которые хорошо подтверждены экспериментами.

В волноводе поперечная электромагнитная волна распространяться не может. Действительно, магнитное поле существует только внутри волновода, стенки которого являются экраном для электромагнитного поля высокой частоты. Поэтому магнитное поле в волноводе не может охватывать проводник с током, так как нет внутреннего провода, а оно должно охватывать продольное электрическое поле. Но поперечная электромагнитная волна не содержит продольного электрического поля. Если же предположить, что электрическое поле в волноводе поперечное, то оно должно охватываться замкнутыми магнитными силовыми линиями, которые будут лежать в продольных плоскостях. Однако у поперечной волны не может быть продольного магнитного поля.

Опыт и теория показывают, что в волноводах могут распространяться электромагнитные волны различных типов. Все они делятся на две группы: 1) электрические волны, обозначаемые Е, имеют электрическое поле, расположенное и в поперечном и в продольном направлениях, а магнитное поле только в поперечной плоскости; 2) магнитные волны, обозначаемые Я, имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле только в поперечной плоскости.

Волну в волноводе можно рассматривать как сумму поперечных волн, распространяющихся зигзагообразно путем многократного отражения от стенок, как показано на рис.2. При этом более длинные волны распространяются с большим числом отражений и зигзагов.

Пути волн различной длины в волноводе
Рис.2 — Пути волн различной длины в волноводе.

Физический смысл отражения волн от проводника заключается в том, что падающая волна создает в поверхностном слое проводника токи, которые, в свою очередь, дают излучение новых электромагнитных волн, т.е. отраженных волн. Если проводник идеальный, то возникшие токи совершенно не расходуют энергию на его нагрев и энергия отраженной волны равна энергии падающей волны. Практически каждый проводник не является идеальным, в нем происходит некоторая потеря энергии на нагревание, и энергия у отраженной волны всегда несколько меньше, чем у падающей.

Структура магнитного и электрического полей в прямоугольном волноводе для основной волны типа Н
Рис.3 — Структура магнитного и электрического полей в прямоугольном волноводе для основной волны типа Н.

На рис.3 показаны электрическое и магнитное поля для простейшей основной волны типа Н, которая наиболее часто применяется на практике. Магнитные силовые линии здесь изображены штриховыми, а электрические силовые линии — сплошными линиями.

Силовые линии, перпендикулярные к плоскости чертежа, показаны либо точками, если они идут на нас, либо крестиками, если они идут от нас.

Так как волна, отраженная от одной стенки, складывается с волной, отраженной от противоположной стенки, то в поперечном направлении волновода всегда получаются стоячие волны. Бегущая волна в поперечном направлении не может распространяться, так как движению энергии в одну сторону препятствуют стенки волновода.

В поперечном направлении в простейшем случае укладывается одна стоячая полуволна так, что у противоположных стенок могут быть узлы, а в середине —пучность или наоборот. В направлении вдоль волновода может получаться различный режим. Если на конце волновода отражение отсутствует, то будет бегущая волна. Полное отражение, например, в случае, если конец волновода закрыт металлической стенкой, дает режим стоячих волн. При частичном отражении будут смешанные волны.

Для изображенной на рис.4 волны в точках А и В получается максимум поперечной составляющей магнитного поля, а в точках Б и Г—максимум его продольной составляющей. Расстояние АВ равно половине длины волны. В точке Д напряженность магнитного лоля равна нулю. У следующей (соседней) полуволны магнитного поля все повторяется, но только магнитные силовые линии идут в противоположи ом направлении.

В случае бегущей волны вся нарисованная картина поля движется вдоль волновода, так что рис.3 следует рассматривать как мгновенный фотоснимок поля, справедливый только для одного момента времени. Распределение магнитного поля вдоль волновода для этого момента показывают кривые рис.3. Один из них показывает распределение поперечной составляющей Нпопер, а другой — продольной составляющей Нпрод- При этом следует помнить, что поперечная составляющая получается наибольшей на средней плоскости волновода (на линии АВ) и по мере приближения к стенкам уменьшается до нуля, а продольная составляющая, наоборот, имеет наибольшее значение у стенок и по мере приближения к средней плоскости волновода уменьшается до нуля.
На рис.3 г даны кривые, показывающие изменение Hпрод и Нпопер водль стороны b поперечного сечения вол-
новода. Эти кривые соответствуют стоячим волнам магнитного поля в поперечном направлении, причем Нпрод. имеет пучности у стенок и узел посередине, а Нпопер. — наоборот.

Необходимо отметить, что картина поля, показанная с помощью некоторого числа силовых линий, является весьма грубой. Силовые линии, конечно, отображают реально существующее поле, но чем оно сложнее, тем более неточным становится данный метод. Изображение лоля силовыми линиями не вскрывает тонкой структуры поля. Это. особенно чувствуется при рассмотрении сложных полей в волноводах. Однако в нашем распор я жени и нет более совершенного метода изображения структуры электрического или магнитного поля.

У электрического поля волны Н структура проще, так как оно имеет только поперечную составляющую. На рис.3 в показано распределение электрического поля в поперечном направлении, а на рис.3 г приведена кривая изменения напряженности поля Е по этому направлению. Как видно, вдоль размера b укладывается одна стоячая полуволна электрического поля, причем в середине волновода получается пучность, а у стенок — узлы. Таким образом, вдоль стороны b распределение электрического поля совпадает с распределением по.пе>-речной составляющей магнитного поля (рис.3 г). Не следует при этом забывать, что векторы Е и Нпопер взаимно-перпендикулярны.

В направлении вдоль волновода электрическое поле распределено так, как изображено на рис.3 6.

Соответствующая кривая показывает, что в этом направлении закон распределения электрического поля также совпадает с распределением поперечной составляющей магнитного поля, т. е. максимум электрического поля получается там, где имеется максимум поперечного магнитного поля. Такая структура поля характерна для бегущей волны, у которой колебания электрического и магнитного полей совладают по фазе, т. е. наибольшее количество электрических силовых линий имеется там, где находится наиболее сильное магнитное поле. А в случае стоячей волны, наоборот, максимум электрического поля находится там, где магнитное поле наиболее слабое.

Помимо основной волны, существуют еще и многие другие типы волн. Для классификации воля в прямоугольных волноводах принята следующая система. Около обозначения волны ставится индекс из двух цифр, показывающих соответственно число стоячих полуволн вдоль меньшей и большей сторон поперечного сечения. Например, рассмотренная основная волна типа Н обозначается Ho1 (или TEo1), так как для нее вдоль стороны а поперечного сечения волновода стоячей волны нет, а вдоль стороны b распределена одна стоячая полуволна. В прямоугольном волноводе могут также распространяться волны высших порядков, имеющие более сложные поля, в которых вдоль одной стороны сечения распределено две, три или больше стоячих полуволн. Эти волны не имеют практического применения, так как ведут к увеличению сечения волновода и потерь по сравнению с простейшими волнами.
Для классификации волн в круглых волноводах к обозначению волны также прибавляют две цифры в виде индексов. Первая цифра показывает число стоячих полуволя вдоль полуокружности, а вторая — соответствует числу стоячих полуволн вдоль радиуса.

Вдоль волновода всегда наблюдается некоторое затухание волны, т. е. ее энергия постепенно уменьшается. Это объяе няетея тем, что на внутренней поверхности стенок волновода создаются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев металла. Потери анергии отсутствовали бы только в случае стенок из идеального проводника.

С понижением частоты к критическому значению затухание возрастает, что объясняется увеличением числа отражений волн от стенок. Когда частота близка к критической, затухание становится очень большим, а критическая волна вообще не проходит вдоль волновода. Но и при значительном повышении частоты затухание также возрастает за счет того, что толщина поверхностного слоя, в котором проходят токи, уменьшается, а его сопротивление увеличивается. Отсюда следует, что на некоторой средней наивыгоднейшей частоте затухание имеет наименьшую величину.

В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от наличия большего или меньшего отражения на конце волновода. Режим работы характеризуется коэффициентом бегущей волны, который равен кбв = Емин/Емакс, где Емтин и Емакс — наименьшая и наибольшая величины действующего значения напряженности электрического поля, измеренные при перемещении вдоль волновода какого-либо индикатора поля.

Если в конце волновода безвозвратно расходуется вся энергия бегущей волны, то в волноводе получается режим чисто бегущей волны. Действующее значение напряженности электрического поля в различных точках вдоль волновода тогда будет неизменно (затухание во внимание не принимается) и кбв=1.

Этот режим наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии. Например, в передающих устройствах сантиметрового диапазона волновод соединяет генератор с антенной. Для получения в волноводе бегущей волны антенна должна поглощать полностью энергию, передаваемую по волноводу, т. е. антенна как нагрузка должна быть согласована с волноводом.

При проведении многих измерений и испытаний на сантиметровых волнах также необходим режим бегущей волны в волноводе. Для его получения в конце волновода помещают поглощающую или оконечную нагрузку. Она представляет собой проводник со значительным сопротивлением, занимающий некоторый объем или поверхностный слой на пластинке диэлектрика.

Если на конце волновода волна полностью отражается, то устанавливается.режим стоячих волн. Полное отражение можно получить, закрыв конец волновода металлической, хорошо проводящей крышкой. Режим стоячих волн используется при различных измерениях. Он удобен для измерения длины волны в волноводе, так как в стоячей волне напряженность поля Е в узлах равна нулю. Это дает возможность установить положение двух соседних узлов, расстояние между которыми равно половине длины волны.

Режим смешанных волн получается, если на конце волновода энергия поглощается частично. Практически, обычно всегда бывает этот режим, так как невозможно получить чисто бегущую или чисто стоячую волну. Особенно трудно осуществить режим бегущей волны. Принято считать, что нагрузка хорошо согласована с волноводом, если кбв получается не меньше 0,8. Во многих случаях даже довольствуются значением кбв от 0,5 и выше. Режимы работы волновода имеют сходство с режимами для двухпроводной линии. Случай, когда конец волновода закрыт, аналогичен короткоз а минутой линии. Однако режим разомкнутой линии получить в волноводе нельзя. Если конец волновода оставить открытым, то волна лишь частично отражается, а частично излучается в пространство, и поэтому получается режим смешанных волн.

Устройства, связывающие волноводы с другими цепями, служат для возбуждения волн в волноводе или для отбора энергии из волновода. Любое устройство, дающее возбуждение волн, может быть использовано и для приема волн.
Электрическая связь осуществляется с помощью металлического проводника, называемого штырьком (или зондом), и установленного внутри волновода вдоль электрических силовых линий в том месте, где электрическое поле наиболее сильное. Обычно такой штырек является продолжением внутреннего провода коаксиальной линии, подводящей энергию к волноводу. Так как размеры штырька соизмеримы с длиной волны, то он работает как хорошая антенна.

Электрическя связь коаксиальной линии с волноводом для волны Но1

Рис.4 — Электрическя связь коаксиальной линии с волноводом для волны Но1

На рис.4 показано возбуждение волны типа Нo1 в прямоугольном волноводе при помощи штырька, расположенного в пучности электрического поля на расстоянии ¼*λ  от закрытого конца волновода, служащего для отражения волн. Этот участок волновода длиной ¼ *λ  подобно четвертьволновой корот-козамкнутой линии имеет входное сопротивление, близкое к бесконечности, и практически не влияет на режим работы подводящей линии.

Чем больше длина штырька, находящегося в волноводе, тем сильнее связь, т. е. тем больше энергии передается в волновод, подобно тому как более высокая 'антенна дает более сильное излучение, нежели антенна малых размеров.

Магнитная связь осуществляется с помощью витка (петли) связи, который располагается в месте, где магнитное поле наиболее сильно, причем ее плоскость перпендикулярна магнитным силовым линиям. Так как размеры витка соизмеримы с длиной волны, то он дает эффективное излучение электромагнитных волн и его можно уподобить одновитковой рамочной антенне большого размера. На рис.5 показано одно из возможных расположений витка для возбуждения в прямоугольном волноводе волны Но1.

Магнитная связь линии с волноводом для случая волны Но1

Рис.5 — Магнитная связь линии с волноводом для случая волны Но1

Чем больше размеры витка, тем сильнее связь. Регулировку связи удобно осуществлять поворотом витка. Следует иметь в виду, что магнитная связь всегда сопровождается некоторой электрической связью.

Для отбора энергии штырьки или витки связи выполняют роль приемной антенны. Волны, прошедшие по волноводу, создают своим электрическим полем в приемном штырьке некоторую эдс, а в витке связи эдс индуктируется магнитным полем. Применяется также дифракционная связь, т. е. связь через отверстие. Например, можно передать часть энергии волны из одного волновода в другой, если в общей стенке этих волноводов сделать отверстие той или иной формы. Такая связь усиливается при увеличении размеров отверстия. При электрической и магнитной связи имеется всегда и некоторая дифракционная связь, так как коаксиальная линия своим открытым концом соединена с волноводом.

Конструктивное выполнение волноводов весыма разнообразно. Для уменьшения потерь в волноводе его внутреннюю поверхность делают возможно более гладкой и нередко покрывают ее серебром. Весьма тщательно соединяют отдельные части волновода друг с другом. Важно свести к минимуму частичные отражения волн от различных неоднороден остей, имеющихся в волноводе. К таким неоднюродностям относятся, например, повороты и ответвления, а также вращающиеся сочленения двух волноводов. Любые нарушения однородности внутреннего устройства волновода приводят к отражению волн, в результате чего уменьшается кбв, возрастают потери и кажается кпд волновода.

Повороты и скручивания волновода. Как правильно сгибать волновод

Рис.6 — Повороты и скручивания волновода

Применяются плавные изгибы (рис.6 а) и уголковые повороты (рис.6 б). Для поворота направлений векторов Е и Н делают скручивание волновода (рис.6 в). При соединении двух частей волновода, если одна часть должна вращаться, прибегают к дроссельному соединению, которое устраняет влияние плохого контакта в стыке (рис.7). В этом соединении волноводы снабжены двумя фланцами, между которыми имеется щель длиной ½*λ эквивалентная полуволновой короткозамкнутой линии. Замыкание на конце этой щели (в точке А) сделано сплошным металлом, а контакт двух поверхностей находится в точке Б на расстоянии ¼*λ от короткозамкнутого конца. В этом месте находится узел тока, и наличие дополнительного сопротивления в контакте не играет роли.

Дросельное соединение двух частей волновода

Рис.7 — Дросельное соединение двух частей волновода.

Зато на входе линии — щели (в точке В), как и на коротко-замкнутом конце, сопротивление близко к нулю. Таким образом, обе части волновода соединены через это весьма малое сопротивление, которое почти не зависит от сопротивления контакта в точке Б.



Стр. 1 из 3123


radionet