Т3 Занятие 2

1.

Тема № 3: Элементы радиотехнических устройств и
автоматики, применяемые в ЗРС

2.

Занятие № 2: Элементы СВЧ-трактов

3.

Вопрос № 1:
Волноводные тройники, направленные ответвители, щелевой
волноводный мост, устройства связи волновода с нагрузкой.

4.

Волноводные тройники
Волноводные тройники — это соединение двух волноводов (основного и
вспомогательного), продольные оси которых расположены под прямым углом.
Вспомогательный (боковой) волновод может включаться либо в широкую, либо
в узкую стенку основного волновода. В первом случае плоскость разветвления
волноводов совпадает с плоскостью электрических силовых линий, поэтому
такое разветвление называется Е-тройником (рис. 3.20, б).
Во втором случае плоскость разветвления совпадает с плоскостью
магнитных силовых линий, поэтому такое разветвление называется Hтройником (рис. 3.20, а).

5.

Рис. 3.20

6.

Рассмотрим свойства волноводных тройников с качественной стороны
(количественный анализ сложен). Волноводные Е и Н тройники можно
представить в виде упрощенных эквивалентных схем (рис. 3.21) пользуясь
аналогиями с длинными линиями.
E тройник
Н тройник
Рис. 3.21.

7.

Остановимся на свойствах Е-тройника. Предположим, что плечи тройника
согласованы и в них распространяется только основная волна H10. Если тройник
питать со стороны плеча 2, то в плечах 1 и 3 возбуждаются противофазные волны
одинаковой амплитуды (рис. 3.22, а). Распределение поля при питании со
стороны плеч 1 и 3 показано на (рис. 3.22, б, в). В этом случае энергия,
поступающая в одно из плеч, распределяется между двумя другими.
2
2
а)
г)
1
3
1
3
2
2
б)
д)
1
3
1
2
в)
1
3
Рис. 3.22.
3

8.

Рассмотрим, как распределяется поле при питании тройника одновременно
со стороны плеч 1 и 3 (рис. 3.22, г, д). Предположим, что плечи 1 и 3
симметричны относительно плеча 2, а возбуждающие их колебания имеют
равные амплитуды. Если колебания синфазные, то плечо 2 они возбуждают в
противофазе. Таким образом, при синфазном возбуждении плеч 1 и 3 энергия в
плечо 2 не поступает (рис. 3.22, д). В основном волноводе устанавливается
режим стоячих волн, причем в плоскости симметрии будет пучность
электрического поля. При противофазном питании плеч 1 и 3 вся энергия
ответвляется в плечо 2 (рис. 3.22, г), т.к. колебания в это плечо приходят в фазе.
В основном волноводе в плоскости симметрии будет нуль электрического поля.
Аналогичным способом проанализируем свойства Н-тройника (рис. 3.23).
При питании тройника со стороны плеча 2 в плечах 1 и 3 возбуждаются
синфазные волны с равными амплитудами (рис. 3.23, а).

9.

При питании тройника через плечо 1 энергия распределяется между
плечами 2 и 3 (рис. 3.23, б).
1
3
3
1
в)
а)
2
1
2
3
1
3
г)
б)
2
- силовая линия направлена из-за плоскости чертежа
- силовая линия направлена за плоскость чертежа
Рис. 3.23.
2

10.

Рассмотрим распределение поля при питании тройника одновременно со
стороны плеч 1 и 3, полагая, что плечи 1 и 3 симметричны относительно плеча 2,
а возбуждающие их колебания имеют равные амплитуды. Если плечи 1 и 3
питать синфазно, то в плечо 2 колебания приходят в фазе, поэтому вся энергия
поступает в это плечо (рис. 3.23, в). В плоскости симметрии тройника будет
максимум электрического поля.
При противофазном возбуждении плеч 1 и 3 энергия в плечо 2 не поступает,
т.к. колебания в это плечо приходят в противофазе (рис. 3.23, г). В основном
волноводе устанавливается режим стоячих волн, причем в плоскости симметрии
тройника будет узел электрического поля. Сравнивая Е и Н тройники можно
заключить, что при одновременном питании плеч 1 и 3 условия ответвления
энергии различны. В Е-тройнике ответвление происходит при противофазном
питании плеч 1 и 3. Чтобы получить ответвление в Н-тройнике плечи 1 и 3
следует возбуждать синфазно.

11.

Н-тройник имеет большую электрическую прочность, чем Е-тройник, но
уступает ему в широкополостности.
В современных РЛС, состоящих на вооружении, находят применение так
называемые
двойные
волноводные
тройники,
представляющие
собой
комбинацию двух волноводных тройников Н-тройника и Е-тройника (рис. 3.24).

12.

Свойства Е и Н тройников присущи и ДВТ.
Сформулируем их
1. При питании тройника со стороны плеча Н в боковых плечах 3 и 4
возбуждаются синфазные волны с одинаковыми амплитудами. Плечо Е не
возбуждается.
2. При питании тройника со стороны плеч 3 и 4 синфазными волнами одинаковой
амплитуды возбуждается плечо Н, причем мощности сигналов в плече Н
складываются, а в Е-плечо сигнал не поступает.
3. При питании ДВТ со стороны плеча Е в боковых плечах 3 и 4 возбуждаются
противофазные
возбуждается.
волны
с
одинаковыми
амплитудами.
Плечо
Н
не

13.

4. При питании тройника одновременно со стороны плеч 3 и 4
противофазными волнами равной амплитуды возбуждается плечо Е,
причем мощности сигналов в Е-плече складываются, в Н-плечо сигнал
не поступает.
5. При питании одновременно со стороны плеч Е и Н синфазными
волнами с одинаковой амплитудой возбуждается плечо 4, плечо 3 не
возбуждается.
6. При питании одновременно со стороны плеч Е и Н противофазными
волнами одинаковой амплитудой возбуждается плечо 3, плечо 4 не
возбуждается.

14.

Е-плечо
2
плечи 1, 3, 4 – Н-тройник
плечи 2, 3, 4 – Е-тройник
4
Н-плечо
3
1
Рис. 3.24
Для свойств ДВТ (пункты 2 и 4) справедливо и более общее утверждение:
При одновременном запитывании плеч 3 и 4 произвольными сигналами в
плечо Н поступает их сумма, в плечо Е – их разность. Поэтому Н-плечо
называют суммирующим, а Е-плечо – разностным.

15.

Направленный ответвитель
Волноводные ответвители служат для ответвления некоторой части
мощности из основного тракта во вспомогательный.
Ответвление в обычном ответвителе не зависит от направления
распространения волны в основном тракте. Примером такого
ответвителя является штырь, введенный в волновод.
Направленным ответвителем (НО) называется устройство,
позволяющее ответвлять из основного тракта раздельно
мощность падающей и отраженной волн.
НО состоит из двух взаимно перпендикулярных отрезков волновода,
имеющих общую широкую стенку (рис. 3.25). Элементом связи
является крестообразное отверстие, прорезанное в общей широкой
стенке волноводов. Оно представляет собой две излучающие щели
продольную и поперечную, которые для вспомогательного
волновода являются возбуждающими источниками. Каждая щель
возбуждает во вспомогательном волноводе волны, которые в одном
плече вычитаются, а в другом – суммируются.

16.

Рис. 3.25

17.

Если по основному волноводу энергия распространяется в направлении 1–2
(падающая волна), то часть этой энергии ответвляется в плечо 4. Если по
основному волноводу энергия распространяется в направлении 2–1 (отраженная
волна), то часть этой энергии ответвляется в плечо 3, где она поглощается
нагрузкой.
При обратном включении ответвителя в плечо 4 будет ответвляться энергия
пропорциональная уровню мощности отраженной волны, а поглощаться
нагрузкой будет часть энергии падающей волны.

18.

Докажем, что НО обладает направленными свойствами. На рис. 3.26
изображена падающая и отраженная волна с соответствующими им
токами проводимости и смещения.
Рис. 3.26.

19.

На рис. 3.26, а) изображена падающая волна (вектор Пойтинга направлен к
плечу 2), на рис. 3.26, б) – отраженная волна (вектор Пойтинга направлен к плечу
1).
Рассмотрим отдельно продольную и поперечную щель НО. Направленный
ответвитель изобразим схематично (рис. 3.27). Поперечная щель, прерывающая
продольные токи в основном волноводе, является продольной щелью
вспомогательного волновода. На краях щели будут накапливаться заряды,
которые возбуждают волну Н10 во вспомогательном волноводе. Эта волна
распространяется как в плечо 3 так и в плечо 4.

20.

Рис. 3.27.
Такую щель на эквивалентной схеме можно представить генератором ЭДС,
подключенным параллельно к плечам 3 и 4. Такой генератор запитывает
плечи 3 и 4 синфазно.

21.

Щелевой волноводный мост
Конструктивно щелевой мост представляет собой два волновода, имеющих
общую узкую стенку. Часть общей стенки вырезана и на этом участке образуется
расширенный волновод. Общий вид щелевого моста показан на рис. 3.28.
Рис. 3.28.

22.

Рассмотрим принцип его работы. На схеме моста (рис. 3.29) можно
выделить три участка. Участки I и III состоят из стандартных прямоугольных
волноводов. Участок II представляет собой расширенный прямоугольный
волновод, у которого размер, а широкой стенки увеличен вдвое по сравнению
со стандартным волноводом, т.е.
а =2а
а
2
lщ
б
4
Н20
Н10
3
1
I
а
II
Рис. 3.29.
б
III

23.

Предположим, что щелевой мост питается через плечо 1, а плечи 2, 3 и 4
нагружены на согласованные нагрузки. Основная волна, распространяющаяся в
плече 1, будет возбуждать расширенный волновод. Так как волновод
возбуждается несимметрично, то выполняются условия возбуждения не только
основной волны Н10, но и волн Н20, Н30 и т.д.
Рис. 3.30.

24.

Однако из диаграмм типов волн, построенных для стандартного (рис. 3.30,
а) и расширенного (рис. 3.30, б) волноводов, видно, что на средней длине волны
условие распространения выполняется только для колебаний Н10 и Н20, так как
для них
0 к р H a 2a ;
20
0 к р H 2a 4a
10
где 0=1,4а – средняя длина волны рабочего диапазона для стандартного
волновода.
Таким образом, энергия в расширенном волноводе переносится двумя
типами волн. Теоретически и экспериментально доказано, что волны Н10 и Н20 в
данном случае переносят одинаковую мощность.

25.

В начале общего волновода (сечение а–а) обе волны возбуждаются
одновременно, поэтому, как видно из рисунка 10, в сечении а–а, прилегающем к
волноводу 1, волны Н10 и Н20 будут в фазе, а в сечении а–а, прилегающем к
волноводу 2, – в противофазе. Следовательно, плечо 2 не возбуждается и
оказывается электрически изолированным от плеча 1. Поэтому вся энергия,
поступающая из плеча 1, будет передаваться в направлении сечения б–б.

26.

Критическая длина волны Н20 меньше, чем для Н10, поэтому, как видно из
выражения
С
vф
1
кр
2
волна Н20 будет распространяться с большей фазовой скоростью. К сечению
б–б волны придут с различными фазами. Разность фаз волн Н10 и Н20 в сечении
б–б зависит от длины общего волновода (длины щели) и определяется по
формуле:
H10 H20 lщ

27.

В сечении б–б каждая из волн возбуждает в плечах 3 и 4 волну основного
типа с равными амплитудами колебаний, но с различными фазами. На рис. 3.31
изображены векторные диаграммы, поясняющие возбуждение плеч 3 и 4.
Рис. 3.31.

28.

Волна Н10 возбуждает в плечах 3 и 4 синфазные колебания с амплитудой
электрического поля
E H10
. Волна Н20 возбуждает плечи 3 и 4 в противофазе, что
обусловлено законом распределения ее поля вдоль широкой стенки волновода.
Амплитуда
E H20
этих колебаний равна амплитуде
E H10
, а фаза в плече 3
опережает на некоторый угол фазу колебаний, возбужденных волной Н10.
Сравнивая амплитуды Е3 и Е4 суммарных полей, можно видеть, что энергия,
поступающая в плечо1, делится между плечами 3 и 4 в некотором соотношении,
зависящем от величины фазового набега между колебаниями волн Н10 и Н20,
т.е. от длины щели. Если длина щели выбрана так, что =90 , то в плечи 3 и 4
поступает одинаковая энергия (рис. 3.32).

29.

Рис. 3.32.

30.

Данный щелевой мост имеет большое сходство с двойным тройником,
однако есть и некоторые отличия. Рассмотрим их, полагая, что нумерация плеч
на рис. 3.29 соответствует по смыслу нумерации плеч двойного тройника (рис.
3.24).
Сравнивая диаграммы рис.12 и рис.13, можно видеть, что суммарные
колебания в плечах 3 и 4 всегда сдвинуты по фазе на 90 , причем отставание
фазы происходит в плече, расположенном по диагонали по отношению к
возбуждающему плечу. В двойном тройнике при возбуждении его со стороны
плеча 1 (Н) колебания в боковых плечах всегда находятся в фазе, а при
возбуждении со стороны плеча 2 (Е) – в противофазе.

31.

Кроме того, плечи 1 и 2 двойного тройника оказываются электрически
развязанными при согласованных и несогласованных, но равных нагрузках в
боковых плечах (3 и 4). Плечи 1 и 2 щелевого моста электрически развязаны
только при согласованных нагрузках в плечах 3 и 4. При наличии отражений в
плечах 3 и 4 часть энергии ответвляется в плечо 2 (при питании моста через плечо
1), так как отраженные волны в это плечо приходят в фазе. В плечо 1 колебания
приходят в противофазе. Предлагаем показать это самостоятельно с помощью
векторной диаграммы.
Стандартные щелевые мосты рассчитывают так, чтобы мощность,
поступающая в одно плечо, делилась поровну между противоположными
плечами.

32.

Длина расширенного волновода (длина щели) в этом случае
должна обеспечить набег фазы между колебаниями волн Н10 и Н20 =90 .
Следовательно,
H10 H20 lщ
2
Так как
2
в
,
После простых преобразований получим
lщ
1 вН20 вН10
,
4 вН20 вН10
где
вН
10
0
1 0
2a
2
;
вН
20
0
1 0
a
2

33.

В реальном случае на величину фазового набега влияют неоднородности,
обусловленные концами щели, а также реактивные поля волн высших типов (Н30,
Н40 и т.д.), которые могут возбуждаться в общем волноводе. В этом случае часть
энергии ответвляется в плечо 2, поэтому Р3 Р4.
Для ослабления этого эффекта в центре общего волновода помещают
емкостной
согласующий
экспериментально.
штырь.
Размеры
штыря
подбираются

34.

Устройства связи волновода с нагрузкой
Рассмотрим штыревые возбуждающие устройства, предназначенные для
возбуждения волны Н10, так как они наиболее часто применяются в волноводных
трактах. Штыревые возбудители осуществляют передачу электромагнитной
энергии от коаксиальной линии в волновод, поэтому их часто называют
коаксиально-волноводными переходами.
Простейший штыревой возбудитель представляет собой продолжение
центрального проводника коаксиальной линии (рис. 3.33). Наружный проводник
коаксиальной линии при этом присоединяется к стенке волновода.

35.

Рис. 3.33. Простейший штыревой возбудитель

36.

Исходя
из качественной картины возбуждения волновода,
штырь
необходимо располагать параллельно электрическим силовым линиям в том
месте, где электрическое поле максимально. Проанализируем более подробно
условие эффективного возбуждения волновода (или эффективного вывода
энергии) при помощи штыря.
Возбуждающий штырь является нагрузкой коаксиальной линии. Чтобы вся
подводимая энергия передавалась в волновод, штырь должен быть согласован с
подводящей линией, т.е. входное сопротивление Zвх.ш штыря должно быть равно
волновому сопротивлению коаксиальной линии.
На рис. 3.34 показана примерная структура электрического поля,
возбуждаемого штырем.

37.

Рис. 3.34.

38.

Как видно из рисунка, кроме основной волны, штырь возбуждает волны
высших типов. Следовательно, полная мощность, передаваемая в волновод,
представляет сумму мощностей
Р = Росн + Рвысш ,
где Росн – мощность, расходуемая на возбуждение основной волны;
Рвысш – мощность, расходуемая на возбуждение волн высших типов
(потери).
В общем случае Росн является комплексной мощностью, а Рвысш –
реактивной мощностью, так как в обычных условиях волны высших типов не
переносят активной мощности.
Из сказанного следует, что в общем случае штырь представляет для
коаксиальной линии комплексную нагрузку
ZН = Zвх.ш = R + jX

39.

Активная составляющая этого сопротивления характеризует среднюю
энергию, поступающую из коаксиальной линии в волновод, реактивная
составляющая – пульсацию энергии между волноводом и коаксиальной линией.
Реактивная составляющая обусловлена как полем основной волны, так и полями
волн высших типов, т.е. в общем случае
X = Xосн + Xвысш
Можно показать, что входное сопротивление тонкого штыря определяется
выражением
Z вх. ш
2 h 2д
ab
H sin 2
a
x sin 2
h 2д
l j
H sin 2 x sin 2 2
ab
a
l X высш (3.1)

40.

где hд – действующая высота штыря (высота штыря, у которого ток по длине
распределен равномерно, а амплитуда I0 в основании и площадь тока Si = I0 hд
такие же, как у данного);
x – расстояние от штыря до боковой стенки волновода;
l – расстояние от штыря до короткозамкнутого конца
Анализируя выражение (3.1), можно определить условия, при которых
обеспечивается согласование штыря, т.е. условия, при которых
R = , а X = 0
На рис. 3.35 показаны графики зависимости активной и реактивной частей
входного сопротивления штыря от места его расположения относительно узкой
стенки волновода.

41.

Рис. 3.35.

42.

Эти составляющие максимальны, когда штырь располагается в середине
широкой стенки волновода, и убывает по мере приближения штыря к боковым
стенкам.
На рис. 3.36 представлен график зависимости составляющих входного
сопротивления штыря от расстояния до короткозамкнутого конца волновода. Из
графика видно, что активная составляющая достигает максимума, если
l
2m 1
в
4

43.

Рис. 3.36.

44.

При этом реактивная составляющая, обусловленная полем основной волны,
равна нулю. Максимум Xосн будет при
l
2m 1
в
8
Реактивная составляющая Xвысш, обусловленная полями волн высших типов,
практически не зависит от места расположения штыря. Экспериментально
доказано, что эта составляющая зависит от высоты штыря и его диаметра. При h
< /4 она имеет емкостной характер (Xвысш < 0); при h > /4 – индуктивный
характер (Xвысш > 0); при h /4 обращается в нуль (Xвысш = 0).
Таким образом, из анализа выражения (3.1) следует, что штырь можно
согласовать путем выбора его размеров и места включения. Чтобы штырь имел
чисто активное входное сопротивление, его длина должна быть порядка четверти
длины волны
h /4

45.

Закороченный участок l волновода (рис.14) должен иметь длину
l в/4
В этом случае входное сопротивление закороченного волновода в сечении
штыря равно бесконечности и не влияет на входное сопротивление Zвх.ш штыря,
так как эти сопротивления включены параллельно. Если при выбранных
параметрах штыря оказывается, что активная составляющая R входного
сопротивления больше волнового сопротивления коаксиальной линии, то штырь
смещают из центра поперечного сечения волновода. Окончательно все размеры
уточняются экспериментально.
Штыревой возбудитель, схема которого показана на рис.14, очень прост по
конструкции, однако он узкополосен (полоса пропускания не более 6%) и имеет
малую электрическую прочность. Малая электрическая прочность объясняется
концентрацией электрического поля между концом штыря и противоположной
стенкой волновода.

46.

Для уменьшения концентрации электрического поля применяют штыри
специальной формы, например, каплевидные (рис. 3.37, а), пестиковые (рис. 3.37,
б). Увеличение электрической прочности в данном случае достигается за счет
перехода от коаксиальной линии к волноводу. Разновидностью пестиковой
конструкции является пуговичная конструкция штыря (рис. 3.37, в). Такое
возбуждающее устройство при =10 см позволяет передавать в волновод без
пробоя мощности порядка 1 Мвт.

47.

Рис. 3.37. Виды тороидальных резонаторов:
а) каплевидная форма штыря; б) пестиковая форма штыря; в) пуговичная форма штыря
Важным свойством штырей специальной формы является то, что наряду с
увеличением электрической прочности увеличивается диапазонность
возбуждающих устройств. Это объясняется тем, что плавный переход
создает меньшие отражения и тем, что при увеличении диаметра
уменьшается реактивная составляющая Xвысш входного сопротивления,
обусловленная полями волн высших типов. При уменьшении реактивной
составляющей входное сопротивление штыря в меньшей степени зависит
от частоты.

48.

Вопрос № 2: Резонаторы

49.

Резонаторы
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 резонансных 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.

50.

Рис. 3.38. Переход от обычного контура а) к объемному резонатору в)

51.

На рис. 3.38 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. 3.38, а). Как известно, качество такого
контура на СВЧ получается весьма низким. Если подключить к конденсатору
параллельно несколько витков (рис. 3.38, б), то индуктивность и активное
сопротивление уменьшается. В результате этого повысятся собственная частота
контура fо и его добротность Q.

52.

Например, если включить 25 витков, то индуктивность уменьшится в 25 раз,
а частота увеличится в 5 раз, так как
характеристическое сопротивление контура уменьшится в 5 раз, что следует
из формулы
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. 3.38, в). 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.

53.

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 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.

54.

Рис. 3.39. Поле в цилиндрическом объемном резонаторе

55.

Колебательный процесс в резонаторе, по существу, представляет собой
стоячие электромагнитные волны, возникшие благодаря отражению волн от
стенок резонатора. На рис. 3.39 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.

56.

Рис. 3.40. Виды тороидальных резонаторов

57.

Исторически одним из первых был тороидальный резонатор (рис. 3.40, 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 на (рис. 3.40, а), сложен в
изготовлении, и в настоящее время резонаторы такого типа делаются иной
формы. Наиболее распространены тороидальные резонаторы, показанные на
(рис. 3.40, б и в), называемые иначе коаксиальными.

58.

Действительно резонатор (рис. 3.40, в) составлен из двух коаксиальных
цилиндров и напоминает коаксиальную линию, короткозамкнутую 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.

59.

В некоторых случаях применяются резонаторы, подобные изображенным на
(рис. 3.40б, 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.

60.

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
рассматривать
как
или
цилиндрический
короткий
волновод,
объемный
резонатор
можно
закрытый
с
концов
обоих
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.

61.

Для простейшего типа колебаний, характерно то, что собственная частота
не зависит от высоты резонатора h, а определяется только его диаметром D:
Возможно также возбуждение других колебаний высших порядков, частоты
которых в большинстве случаев не кратны основной (низшей) 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) колебания.

62.

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.
Рис. 3.41. Электрическая (а) и магнитная (б) связь
резонатора с другими цепями и их эквивалентные схемы
(в и г)

63.

Электрическая связь устраивается с помощью штырька (рис. 3.41а), а
магнитная связь — с помощью витка (петли) (рис. 3.41б). 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. 3.41в, 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. 3.42).

64.

Рис. 3.42. Связь резонатора с двумя цепями

65.

Связь объемных резонаторов с волноводами делается часто дифракционная
- через отверстие, причем для согласования обычно ставятся диафрагмы (рис.
3.43). В некоторых радиотехнических устройствах связь с резонатором
осуществляется с помощью электронного потока. Для пропускания этого потока
в стенках резонатора делаются отверстия.
Рис. 3.43. Дифракционная связь волновода с объемным
резонатором (через отверстие)

66.

Качество объемных резонаторов, связанных с другими цепями, получается
значительно меньше, чем при отсутствии связи. Отбор энергии от резонатора
равносилен увеличению потерь 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. 3.44 показаны различные способы
изменения
объема
резонаторов.
Подвижный
плунжер
(рис.
3.
44а)
устанавливается так же, как и в коаксиальной резонансной линии, и обладает
теми же недостатками. Часто встречается конструкция (рис. 3. 44б), в которой
внутренний цилиндр резонатора может ввинчиваться и вывинчиваться.

67.

Рис. 3.44. Настройка объемного резонатора путем
изменения его объема

68.

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. 3.44в).
Рис. 3.45. Настройка объемного резонатора с помощью
переменного конденсатора переменной емкости

69.

Другим методом настройки является показанное на (рис. 3.45а), включение
в резонатор конденсатора переменной емкости. Наиболее простая конструкция
изображена на (рис. 3.45б). 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.

70.

Вопрос № 3: Аттенюаторы

71.

Волноводные аттенюаторы (ослабители) служат для ослабления и
регулировки уровня мощности сигнала, проходящего по волноводному
тракту. Наиболее широко аттенюаторы используются в измерительной
технике. Ослабление сигнала бывает необходимо, например, для создания
развязки между генератором и нагрузкой, т.е. для устранения влияния
измеряемого объекта на мощность и частоту генерируемых колебаний.
Аттенюаторы служат также для уменьшения в нужное число раз
мощности, поступающей в измерительные приборы (например, в
волномер, измеритель мощности и пр.) или в некоторые радиотехнические
устройства.
Применяются аттенюаторы с фиксированным ослаблением и переменные
аттенюаторы.
По характеру ослабления различают два принципиально отличных типов
аттенюаторов – поглощающие и предельные аттенюаторы.

72.

Принцип работы поглощающих аттенюаторов точно такой же, как и у
поглощающих нагрузок. Отличие их заключается в том, что аттенюаторы
поглощают только часть проходящей энергии. В поглощающих аттенюаторах,
как правило, применяются поверхностные поглощающие сопротивления,
конструкция и расположение которых относительно узких стенок волновода
аналогичны показанным на рис. 3.46. Обычно в волноводе устанавливают одну
или две пластины с поглощающим слоем. Так как электромагнитная энергия
может распространяться через аттенюатор в прямом и обратном направлениях,
пластины имеют скосы с обоих концов. При правильном подборе формы
пластины аттенюаторы могут иметь
Кс 1,02 1,05 в диапазоне частот 10
15 %. Величина ослабления зависит от числа пластин, их длины и места
расположения в волноводе.

73.

Рис. 3.46. Волноводные поглощающие нагрузки

74.

Применяются также переменные аттенюаторы ножевого типа (рис. 3.47), в
которых ослабление регулируется глубиной погружения пластины в волновод.
Максимальная величина ослабления поглощающих аттенюаторов достигает
обычно 30-40 дБ.
Рис. 3.47.

75.

В предельных аттенюаторах (рис. 3.48) не происходит преобразования
электромагнитной энергии в тепловую. Предельный аттенюатор представляет
собой отрезок прямоугольного или чаще круглого волновода. Размеры этого
волновода выбирают так, чтобы его критическая длина волны при любом типе
колебаний была значительно меньше длины волны генератора λ
кр<<
λ.
Предельные аттенюаторы в отличие от поглощающих применяются в основном
для ответвления части энергии из основного тракта. На рис. 3.48 приведена
примерная конструкция одного из возможных типов предельного аттенюатора.
Он представляет собой отрезок волновода 1, включённого в широкую стенку
прямоугольного волновода 2. Величина затухания такого аттенюатора
определяется диаметром круглого волновода и его длиной.

76.

Рис. 3.48. Предельный аттенюатор
Отбор энергии в данном аттенюаторе производится при помощи петли 3,
однако может применяться штырь или отверстие.