Б – емкостная, в – индуктивно-емкостная)

Рис.2.2. Пояснение принципа работы волноводных диафрагм

(а – индуктивной, б – емкостной)

Из рис.2.2.а видно, что в индуктивной диафрагме создаётся концентрация магнитного поля и потому такая диафрагма действует как индуктивность, включённая параллельно линии. Из рис.2.2.б видно, что в емкостной диафрагме концентрируется электрическое поле и такая диафрагма действует как ёмкость, включённая параллельно линии. Диафрагма, изображённая на рис.2.1.в, эквивалентна параллельному соединению индуктивности и ёмкости и соответствует включению в линию параллельного колебательного контура. Подбором размеров диафрагмы можно настроить её в резонанс с рабочей частотой, и тогда она не будет шунтировать волновод.

2.2. Согласованные нагрузки

К числу наиболее распространённых элементов трактов СВЧ относятся согласованные нагрузки, предназначенные для поглощения остаточной мощности в конце тракта передачи. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры и в виде меры сопротивления в измерительных устройствах СВЧ.

Рис.2.3. Волноводные согласованные нагрузки

Волноводные согласованные нагрузки выполняют в виде поглощающих вставок переменного профиля в отрезке короткозамкнутого волновода. В маломощных нагрузках вставки имеют вид тонких диэлектрических пластин, покрытых графитовыми или металлическими пленками (рис.2.3.а). Объемные поглощающие вставки (рис.2.3.б…г) с большой мощностью рассеяния выполняют из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или карбида кремния. Для уменьшения отражения поглощающим вставкам придают вид клиньев или пирамид.

Основной характеристикой согласованной нагрузки является модуль её коэффициента отражения |Г| или соответствующее значение К_БВ или K_СВ в заданной полосе частот. Технически возможно создание нагрузок с |Г| £ 0,01 в относительной полосе частот 20…30% и более. Ввиду малости |Г| требования к фазе коэффициента отражения не предъявляются. Другой важной характеристикой нагрузки является допустимая поглощаемая мощность.

2.3. Повороты линий передачи

Изгибы и изломы линий передачи относятся к числу нерегулярностей, снижающих качество согласования и электропрочность. В уголковых изломах любых линий передачи в той или иной мере возбуждаются поля нераспространяющихся волн высших типов, в которых происходит накопление электромагнитной энергии. Для минимизации возникающих из-за этого отражений изломы дополняют различными согласующими элементами. Подрезание внешних углов поворота оказывается эффективным способом при уменьшении отражений в прямоугольных и круглых волноводах (рис.2.4.а).

Рис.2.4. Волноводные изломы

Концентрация силовых линий электрического поля в области резких изломов снижает электрическую прочность тракта. Этот недостаток в значительной мере устраняется в двойных изломах (рис.2.4.б) и в плавных изгибах (рис.2.5). Причём, чем больше радиус плавного изгиба, там меньше отражение от него. Практически отражения электромагнитных волн пренебрежимо малы при радиусе изгиба порядка 3…5 длин волн в волноводе.

Известно, что силовые линии вектора Е основной волны Н₁₀ прямоугольного волновода начинаются и заканчиваются на широких стенках волновода и перпендикулярны к ним. Силовые линии вектора Н представляют собой замкнутые витки, расположенные в плоскостях, параллельных широким стенкам волновода (рис.2.5).

Если изгиб (излом) прямоугольного волновода осуществляется параллельно силовым линиям электрического поля (рис.2.5.а), то такой изгиб называется Е–плоскостным изгибом. Если изгиб осуществляется параллельно силовым линиям магнитного поля (рис.2.5.б), то он называется Н–плоскостным изгибом (изломом).

2.4. Волноводные разветвители

Для распределения высокочастотной энергии по волноводным каналам в заданном отношении используют разветвители. Одним из наиболее широко встречающихся видов разветвителей является Т–образное разветвление или волноводный тройник. Если плоскость разветвления совпадает с плоскостью, в которой лежат силовые линии вектора Е основной волны Н₁₀, то такой тройник называется Е–тройником или тройником Е–типа (рис.2.6), в случае разветвления в плоскости магнитных силовых линий – Н–тройником или тройником Н–типа (рис.2.7).

Обозначим условно плечи тройников буквами А, Б, В.

Рис.2.6. Волноводный Е–тройник

Рассмотрим работу Е–тройника. Если волна Н₁₀ распространяется по волноводу А к месту разветвления (рис.2.6.б), то она будет ответвляться в волноводы Б и В, и на одинаковых расстояниях от места разветвления в этих волноводах волны будут в противофазе. Отсюда следует, что если по волноводам Б и В к месту разветвления придут волны в противофазе, то они будут переходить в волновод А, совпадая по фазе и, следовательно, в этом волноводе будут складываться. В противоположном случае, когда по волноводам Б и В к волноводу А подходят волны, имеющие одинаковые фазы, ответвляясь в волновод А, они в этом волноводе будут иметь противоположные фазы и при одинаковых амплитудах уничтожатся. Если же волна движется вдоль волновода БВ, то часть энергии ответвляется в волновод А (рис.2.6.в).

Рис.2.7. Волноводный Н–тройник

Рассмотрим работу Н–тройника. Если волна Н₁₀ подходит по волноводу А к месту разветвления (рис.2.7.б), то волны, ответвляющиеся в волноводы Б и В, на равных расстояниях от места разветвления, имеют одинаковые фазы. На рис. 2.7.б крестики изображают направление электрических силовых линий перпендикулярно к плоскости рисунка («от нас»), а тонкие линии – показывают фронт волны. Справедливо и обратное свойство Н–тройника – если к разветвлению по волноводам Б и В приходят волны с одинаковой фазой, то они будут ответвляться в волновод А также с одинаковыми фазами и складываться. Но если по волноводам Б и В к волноводу А подходят волны с одинаковыми амплитудами, но противоположными фазами, то они не будут возбуждать волн в волноводе А. При движении волны вдоль волновода БВ часть её энергии ответвляется в волновод А (рис.2.7.в).

В дальнейшем плечи тройников будем обозначать цифрами 1, 2, 3 (рис.2.10, 2.11).

Волноводные разветвители могут иметь также 4 плеча, т.е. представлять собой 8-полюсник. Такие соединения называются мостовыми. Мост характеризуется тем, что волны в выходных плечах равны по величине и имеют постоянный фазовый сдвиг в рабочем диапазоне частот. Наиболее широкое распространение получило мостовое устройство – двойной волноводный тройник (рис.2.12). Если три плеча моста нагружены на согласованные нагрузки, а четвёртая обеспечивает пропускание основной волны Н₁₀, то двойной волноводный тройник проявляет следующие замечательные свойства. Сигнал, поданный в Е–плечо, делится на 2 равные части и противофазно проходит в плечи 2 и 3, а в плечо 4 не попадает. Сигнал, поданный в Н–плечо делится поровну между плечами 2 и 3 на синфазные волны и не проходит в Е–плечо. Если в плечи 2 и 3 поданы синфазные колебания, то они сложатся в Н–плече, а если противофазные, то сложение произойдёт в Е–плече. Таким образом, между противоположными парами плеч 2-3 и 1-4 существует взаимная развязка: сигнал, поданный в плечо 2, не проходит в плечо 3 (и наоборот); сигнал, поданный в плечо 1, не проходит в плечо 4 (и наоборот).

Анализ свойств СВЧ-устройств наиболее упрощается при представлении их эквивалентной схемой в виде многополюсника (четырех-, шести-, восьмиполюсников). Применение эквивалентных схем позволяет строго описать явления в волноводных линиях передачи, работающих на низшем типе колебаний. Преимущество таких эквивалентных схем заключается в том, что к ним применим аппарат матричного исчисления. В теории СВЧ наиболее распространена волновая матрица рассеяния [S].

2.5. Анализ распределения поля в плечах разветвителя с помощью матрицы рассеяния

Представление волноводных устройств с помощью матриц рассеяния позволяет в простой компактной форме описывать сложные волноводные тракты. Матрица рассеяния дает количественную связь амплитуд всех выходящих из узла волн с амплитудами входящих в него (заданных) волн. В литературе входящие волны называют также падающими, а выходящие – отраженными. На рис.2.8 изображен случай, когда в устройство подается возбуждающая (падающая) волна лишь в одно из плеч Е₁⁺. Данная волна распределяется между плечами этого узла (E₂^–, E₃^–, E₄^–), а часть её (E₁^–) отражается обратно в генератор.

Рис.2.8 Рис.2.9

Если же подать возбуждающие амплитуды Е⁺ во все плечи (рис.2.9), то естественно полагать, что в формировании амплитуд напряжённости отражённой волны, например, в плече 1 будут участвовать все падающие волны: E₁^- = S₁₁’E₁⁺ + S₁₂’E₂⁺+S₁₃’E₃⁺+S₁₄’E₄⁺, где S₁₁’, S₁₂’, S₁₃’, S₁₄’ – коэффициенты пропорциональности. В общем случае падающие и отраженные волны связаны матричным уравнением вида

(2.1)

В расчётной практике удобнее пользоваться не абсолютными значениями амплитуд поля Е (или Н), а их нормированными значениями. Если провести нормирование амплитуд волн и ввести специальный коэффициент , где Е¹ – амплитуда бегущей волны с мощностью Р=1Вт, то уравнение (2.1) преобразуется к виду

(2.2)

где коэффициент является безразмерной (нормированной) амплитудой волны, связанной с переносимой мощностью Р волны соотношением

(2.3)

Коэффициенты S₁₁, S₂₂, S₃₃, S₄₄ представляют собой коэффициенты отражения в соответствующих плечах узла при условии отсутствия падающих волн в других плечах. Все остальные коэффициенты являются коэффициентами передачи. Например, S₁₂ – коэффициент передачи из второго плеча в первое при отсутствии падающей волны в первом плече. Коэффициенты S_mn устанавливаются расчётным или экспериментальным путём.

Так как в СВЧ устройствах напряженность поля в линии изменяется от точки к точке, то вводят понятие "плоскость отсчета", относительно которой определены коэффициенты матрицы. На рис.2.9 плоскости отсчета каждого плеча условно обозначены пунктирными линиями.

Приведём матрицы рассеяния разветвителей, используемых в настоящей лабораторной работе. Матрицы других распространенных СВЧ устройств можно найти, например, в [2] или [4].

Волноводный Е–тройник с согласованным плечом 1

Рис.2.10

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: