Приветствую Вас, Гость! Регистрация RSS

Сайт "Cner"

Воскресенье, 22.04.2018
Главная » Статьи » Другие статьи » Статьи из литературы

Волноводы в технике сверхвысоких частот
В первой части статьи были рассмотрены особенности распространения радиоволн в волноводах.

Настоящая статья знакомит читателей с деталями устройства волноводов, со способами возбуждения в них электромагнитных волн, отбора энергии из волноводов и с некоторыми их практическими применениями.

ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ И ОТБОР ЭНЕРГИИ ИЗ НИХ

Способ ввода электромагнитной энергии в волновод зависит от типа волны, которую хотят получить в нем. Пусть, например, в волноводе должна распространяться волна типа Н10. Электрическое поле такой волны всегда перпендикулярно широким стенкам волновода, причем в средней части сечения напряженность поля наибольшая.

Для возбуждения волны Н10 в волновод помещают маленькую штыревую антенну, расположенную так, как показано на рис. 1, а. Такая антенна излучает волну, электрическое поле которой совпадает по направлению с электрическим полем волны Ню. Регулируя высоту штыря и его расстояние от закрытого конца волновода (для чего заднюю стенку делают подвижной — в виде поршня), можно подобрать условия, при которых значительная часть подводимой к штырю энергии излучается в волновод в виде волны указанного типа.
 

Если в прямоугольном волноводе необходимо возбудить волны типа Н20 или Н30, у которых электрические поля расположены, как показано на рис. 1,б и 1,в, штыри располагают согласно рис. 1,г и 1,д. Колебания в этих штырях должны быть сдвинуты по фазе на 180°, иначе волны нужного типа в волноводе не образуются. Для сдвига фаз служат отрезки коаксиальной линии длиной в полволны; волна, проходящая через такой отрезок, запаздывает на половину периода, т. е. получается сдвиг фаз в 180°.

Если в прямоугольном волноводе хотят возбудить Е-волну, у которой электрические силовые линии вытянуты вдоль волновода, штырь помещают на его задней стенке. Место штыря для возбуждения волны Е11 показано на рис. 2.
 

Иногда для этой цели в волновод вводят маленькие петли, так называемые магнитные антенны (рис. 3), расположенные так, чтобы магнитные силовые линии волны пронизывали их сечение. Для отбора электромагнитной энергии из волновода пользуются такими же, соответствующим образом расположенными, штыревыми антеннами или петлями.
 

Рассмотрим еще один способ отбора энергии из волновода. Если в стенке волновода сделать отверстие так, что линии тока, протекающего по внутренним стенкам волновода, будут искажаться этим отверстием, на его краях возникают переменные электрические заряды и оно излучает электромагнитные волны.

Заметное излучение щель будет давать при условии, если она пересекает направление, в котором текут токи в стенках волновода. Следовательно, щель в волноводе может играть роль антенны. Теория такой щелевой антенны разработана советским ученым Я. Н. Фельдом.

Если же щель будет прорезана вдоль линий тока, т.е. не будет их существенно искажать, она почти не будет излучать энергии и не окажет заметного влияния на распространение волны в волноводе. Этим свойством щели, прорезанной вдоль волновода, пользуются для измерения интенсивности волны, распространяющейся в нем. В такую щель вводят маленький штырь, соединенный с кристаллическим детектором и прибором, измеряющим выпрямленный детектором ток. Перемещая штырь вдоль волновода, по величине тока, выпрямленного детектором, можно определить интенсивность волны в различных сечениях волновода. Если интенсивность везде одинакова, это значит, что стоячие волны в волноводе отсутствуют и вся энергия переносится бегущей волной. Если же наблюдаются периодические изменения показаний прибора, это свидетельствует о том, что часть энергии колеблется между отдельными сечениями волновода — наряду с бегущей имеет место и стоячая волна. Сечения, где показания прибора максимальны, соответствуют пучностям электрического поля стоячей волны; там же, где они минимальны, расположены узлы электрического поля (соответственно пучности магнитного поля). По величине отношения максимумов к минимумам судят о соотношении между интенсивностями бегущей и стоячей волны, или о так называемой «бегучести».

СОГЛАСОВАНИЕ В ВОЛНОВОДАХ

Стоячие волны в волноводе образуются вследствие частичного или полного отражения бегущей волны. Отражения возникают в том случае, когда на пути волны встречаются препятствия или резкие нарушения однородности волновода, например, резкое изменение его сечения. Штыревая антенна, помещенная на пути волны, также вызывает частичное отражение. Чтобы получить в волноводе чистую бегущую электромагнитную волну, в него можно поместить искусственные препятствия, например, заслонки (диафрагмы), штыри и т. п. Перемещая эти препятствия в волноводе и меняя их размеры, можно добиться взаимного погашения волн, отраженных от всех препятствий и неоднородностей. Когда осуществлена компенсация отражений, говорят, что в волноводе достигнуто согласование. Поэтому искусственные препятствия называются согласующими устройствами.

Задача согласования возникает, в частности, когда в волновод помещен кристаллический детектор служащий преобразователем частоты, т. е. для получения колебаний промежуточной частоты в приемнике супергетеродинного типа или для превращения колебаний СВЧ в постоянный ток (детектирование). Чтобы вся или, по крайней мере, большая часть падающей на кристалл энергии поглощалась им, необходимо устранить отражение от детектора. Когда при помощи согласующих устройств добиваются этого, говорят, что детектор согласован с волноводом.

Помимо согласования в самом волноводе, бывает необходимо также согласовать помещенные в нем элементы (штыри, петли и т. п.) с питающими коаксиальными линиями. В противном случае в последних возникают стоячие волны. Например, изображенный на рис. 1,а поршень служит для того, чтобы излученная из штыря энергия не попадала опять в линию: при правильном положении поршня отраженная от него волна оказывается в фазе с волной, распространяющейся от штыря вдоль волновода, и вся излученная штырем энергия уходит в волновод.

СОЕДИНЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ

Два отрезка волновода соединяются друг с другом с помощью фланцев (рис. 4). Так как в месте соединения невозможно обеспечить идеальный контакт, то здесь могут возникнуть отражения волн. Чтобы избежать этого, в одном из фланцев протачивают канавку глубиной около λ/4, отстоящую от широких стенок волновода также на λ/4. Такая канавка играет роль четвертьволнового отрезка двухпроводной линии, замкнутого накоротко на дальнем конце. Так как у плоскости фланцев ее сопротивление равно бесконечности, на широкой стенке волновода в месте стыка его отрезков также образуется короткое замыкание, что значительно ослабляет неоднородность.
 

Чтобы разветвить распространяющуюся в волноводе энергию, применяют тройники. Если волновод имеет ответвление от узкой стенки (рис. 5, а), то тройник называется «параллельным», а если ответвление сделано от широкой стенки (рис. 5,б), тройник носит название «последовательного». Названия эти связаны с тем, что при распространении волны типа Н10 присоединенный к узкой стенке отрезок волновода играет роль шунтирующего шлейфа, в то время как такой же отрезок, присоединенный к широкой стенке, играет роль сопротивления (индуктивного или емкостного), включенного в передающую линию последовательно. Такие отрезки наряду с диафрагмами и штырями используются в качестве согласующих устройств.
 

Широкое применение в технике сантиметровых волн находят также двойные тройники (рис. 6). Рассмотрим некоторые их свойства.

Плечи двойного тройника выполняются из отрезков волновода одинакового сечения, причем их высота и ширина подбираются так, чтобы в них могла распространяться лишь волна типа Н10 заданного диапазона частот. Любая волна другого типа (Е11, H01 и все другие) должна быть длиннее критической.
 

Предположим, что волна типа Н10 возбуждается в плече А. В плечо Б она проникнуть не может, так как в начале этого плеча электрическое поле направлено параллельно его широкой стенке, а для возбуждения волны единственно возможного типа — Н10 — необходимо поле, перпендикулярное этой стенке. Плечи В и Г по условию совершенно одинаковы и если они согласованы (Для согласования в тройник помещают соответствующим образом расположенные диафрагмы и штыри.) с плечом А, то энергия, распространяющаяся в этом плече, «завернет» в плечи В и Г (разделится между ними), т.е. и в этих плечах будут распространяться волны Н10.

Подобная же картина будет иметь место, если волна Н10 возбуждена в плече Б. Энергия этой волны не проникнет в плечо А, а разделится между плечами В и Г («завернет» в эти плечи).

Однако физическая картина в последнем случае существенно отличается от предыдущего. В первом случае волна заворачивает из плеча А, не меняя своей поляризации, т. е. направление электрического поля как в плече А, так и в В и Г остается вертикальным (рис. 6,а). Во втором же случае волна из плеча Б заворачивает в плечи В и Г, изменяя свою поляризацию: направление электрического поля в плече Б горизонтально, а в В и Г — вертикально (рис. 6,б). Это различие приводит к тому, что в первом случае волны после разветвления распространяются в плечах В и Г в фазе, а во втором — в противофазе.

Что произойдет с волнами, попавшими в плечи В и Г? Если в концах этих плеч имеются согласованные с ними нагрузки, отражений от концов не будет. Если же, дойдя до конца плеч, волны отразятся, то, вернувшись к тройнику, каждая из них разделится на две части: на волну, заворачивающую в плечо А и заворачивающую в плечо Б. Если длина плеч В и Г и условия отражения от их концов одинаковы, а первоначально волна возбуждалась, скажем, в плече А, то волны из В и Г вернутся в плечо А в фазе, сложатся, и в плече А возникнет стоячая волна. В плечо же Б волны попадут в противофазе, погасят друг друга и энергия в плечо Б не пройдет.

Если первоначально волна возбуждалась в плече Б, то в нем возникает стоячая волна, а в плечо А энергия не пройдет.

Если плечи В и Г нагружены на разные сопротивления, условия отражения от их концов будут неодинаковы и при возбуждении волны в плече А в плечо Б попадает волна, амплитуда которой определяется разностями амплитуд и фаз волн, отраженных от концов плеч В и Г. Поэтому по показаниям индикатора, находящегося в плече Б, можно судить о различии нагрузочных сопротивлений плеч В и Г.

Таким образом, двойной тройник может работать в качестве измерительного мостика сопротивлений. При равенстве сопротивлений мостик будет сбалансирован и в плечо Б энергия не поступит.

ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ

В технике СВЧ и, в частности, в радиолокационной аппаратуре волноводы находят разнообразные применения. Помимо использования как хороших устройств для канализации энергии, волноводы могут служить в качестве фильтров низших частот: подбирая размеры их сечений, можно отфильтровать нежелательные частоты.

Помещенные в волноводы материалы с достаточно большим электрическим сопротивлением (например, графит) вызывают сильное поглощение волн. Этим пользуются для устройства ослабителей интенсивности волн (аттенюаторов). Изменяя размеры и положение поглощающих элементов, добиваются плавной регулировки передаваемой мощности и отсутствия отражений в волноводах.

Если сечение волновода уменьшить так, что частота колебаний окажется ниже критической, волна, просачивающаяся через сужение, будет быстро затухать. Изменением длины суженного отрезка можно регулировать ослабление волны и получить так называемые предельные аттенюаторы.

Прорезая в волноводе излучающие щели, получают направленные щелевые антенны. Совместное излучение из нескольких должным образом вырезанных щелей создает остронаправленные пучки сантиметровых волн.

Для получения энергии, распространяющейся в волноводе, или для того, чтобы энергия из окружающего пространства попала в волновод, применяется и другой тип антенн. Действие их основано на следующем явлении. Если один конец волновода сделать открытым, через него в окружающее пространство будет излучаться небольшая часть энергии; большая часть энергии отразится от этого конца, как от резкой неоднородности. Если же сечение волновода плавно увеличивать по направлению к открытому концу (придать ему форму раструба), то отражение будет меньше и большая часть подводимой энергии будет излучаться. При правильном выборе формы раструба можно добиться того, что вся подводимая энергия будет излучаться направленным пучком. Мы получим рупорный электромагнитный излучатель (рис. 7,а), согласованный с пространством. Такие рупоры в комбинации с параболическими зеркалами с успехом применяет на волнах сантиметрового диапазона для получения направленных пучков радиоволн (рис. 7,6).
 

Замкнутые отрезки волновода применяются на СВЧ в качестве колебательных контуров. Если замыкающие проводящие стенки расположены на расстоянии, кратном длине волны, возбуждаемой в волноводе, то в нем возникают интенсивные стоячие волны. Вследствие того, что потери в стенках волновода весьма малы, такие замкнутые отрезки волновода обладают очень высокой добротностью — порядка десятков тысяч, т. е. очень хорошими резонансными свойствами. Они представляют собой один из типов так называемых объемных электромагнитных резонаторов, впервые предложенных советским ученым М. С. Нейманом.

Наконец, используя свойства двойных тройников, можно осуществить различные устройства для измерений на СВЧ и высокочастотные коммутаторы.

В качестве примера рассмотрим применение таких тройников в антенном переключателе современной радиолокационной станции, работающей в сантиметровом диапазоне волн.
 

Так как передатчик и приемник такой станции работают с общей антенной, то необходимо обеспечить защиту чувствительного приемника, от попадания на его вход мощных импульсов, вырабатываемых передатчиком. Эту задачу успешно выполняет система, состоящая из двух двойных тройников (рис. 8). Мощные импульсы от передатчика поступают в плечо А тройника № 1, к плечу Б которого присоединена антенна. Энергия импульса в тройнике разделяется между плечами В и Г, в которые волна попадает в противофазе. В этих плечах установлены разрядники, в которых при попадании на них мощных импульсов вспыхивает электрическая дуга. Сопротивление дуги мало и оба импульса отражаются от зажженных разрядников, как от короткого замыкания. Один из разрядников помещен от тройника № 1 на четверть волны дальше, чем другой, поэтому после отражения оба импульса приходят в плечо Б в фазе и излучаются антенной. Небольшая часть энергии импульсов, просочившаяся через разрядники, подходит к тройнику № 2 в противофазе и поэтому попадает только в плечо Д, где и гасится помещенным там поглотителем.

Когда же слабый импульс из антенны, работающей на прием, попадает в плечо Б, а затем в плечи В и Г разрядники не зажигаются и практически не влияют на распространение энергии в волноводах. Импульсы, попадая в тройник № 2 в фазе, заворачивают в плечо Е к приемнику.

Автор: А. Саломонович

Источник публикации: ж. Радио, 1952, №3, с. 16 - 19
 
Категория: Статьи из литературы | Добавил: cner (01.08.2017)
Просмотров: 274 | Рейтинг: 0.0/0