Элементы СВЧ трактов (лекция № 16)

1. Тема №5 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ПО НАПРАВЛЯЮЩИМ СИСТЕМАМ Лекция № 16 Элементы СВЧ трактов

Учебные вопросы:
1. Возбуждение волн в волноводах и
резонаторах.
2. Элементы линий передач.

2. СВЧ тракты тропосферной станции Р-423

3.

1.Возбуждение волн в волноводах и
резонаторах
Связь волноводов и резонаторов с другими цепями
применяется как для отбора энергии, так и для возбуждения
в них СВЧ колебаний.
Основные требования, предъявляемые к
возбуждающим устройствам:
• - должно обеспечить эффективное возбуждение нужного
типа волн и затруднять других видов волн;
• - коэффициент отражения от входа возбуждающего
устройства должен быть минимальным в заданной
полосе частот;
• - устройство должно иметь необходимую электрическую
прочность для передачи заданной мощности.

4.

Для решения этих задач используют следующие
элементы связи:
• а) зонд (электрический вибратор);
• б) петля связи (рамка с током, магнитный вибратор);
• в) щель, отверстие связи.

5.

Электрический вибратор (зонд ) обеспечивает наиболее
эффективное возбуждение нужного типа волны если его расположить в
месте максимальной напряженности электрического поля
параллельно силовым линиям этого поля.
2
2
2
E
H
J ст E E a
a
t 2
div E H
2
Для однонаправленного
распространения ЭМВ
выбирают место размещения
зонда на расстоянии l = λ/4 от
края закороченной стенки
волновода.
Для передачи заданной
мощности необходимо
обеспечить согласование
входного сопротивления зонда с
сопротивлением коаксиальной
линии (подбирая его длину и
поперечные размеры )

6.

7.

Петлю связи (рамку с
током) располагают в тех
местах, где максимальная
напряженность магнитного
поля, силовые линии которого
должны быть
перпендикулярны плоскости
рамки.
Петля связи (рамка с
током) имеет периметр много
меньше длины волны λ
возбуждаемого ЭМП.

8. Места размещения рамки в волноводах.

Размещение рамки для
создания (приема) поперечных
составляющих магнитного
поля
• l = (n-1)λ/2 при n=1,2,3…
• l = (n-1)λ/2 при n=1,2,3…
Для создания (приема)
продольных составляющих
магнитного поля плоскость
рамки размещают
перпендикулярно этим
составляющим ЭМП.

9. Отверстия связи

Если прорезать отверстие в стенке волновода, то часть ЭМП
проникает в отверстие и является источником поля в соседнем
пространстве.
• Геометрические размеры отверстия значительно меньше длины
волны и поэтому мало нарушают структуру поля в волноводе.
Эффективность излучения ЭМП будет максимальной,
если отверстие разрывает линии токов проводимости,
протекающих по внутренним стенкам волновода (создают
токи смещения).

10. 2. Элементы линий передач

В волноводах, как и в двухпроводных линиях, могут
наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в
зависимости от величины коэффициента отражения на конце
волновода.
Режим работы волновода характеризуется коэффициентом
1 К отр
бегущей волны, которой определяется
КБВ
1 К отр
Если в конце волновода расходуется вся энергия бегущей
волны, то получается режим бегущих волн. Действующее
значение напряженности электрического поля в различных
точках вдоль волновода тогда будет неизменно и КБВ=1. Этот
режим наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем
наименьшие потери и в нагрузку отдается максимум энергии.

11.

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 напряженность
поля Е в узлах равна нулю.
t5
t4
s
z
t3
s1 A cos t kz 1 ,
s 2 A cos t kz 2 .
t2
t1
2 1
1 2
s s1 s 2 2 A cos kz
cos t
2
2

12.

Режим смешанных волн получается, если на конце
волновода энергия поглощается частично. Строго говоря,
всегда наблюдается именно этот режим, так как невозможно
получить чисто бегущую или чисто стоячую волну.
Особенно трудно создать режим бегущей волны.
Считается, что нагрузка хорошо согласована с
волноводом, если КБВ≥0.8.
Волноводные тракты состоят из множества элементов,
соединенных друг с другом, что облегчает транспортировку
и ремонт.
Любое нарушение целостности волновода эквивалентно
появлению неоднородностей, что существенно увеличивает
коэффициент отражения и величину тепловых потерь.

13. Контактные соединения

Для соединения
волноводных трактов
используют плоские
фланцевые соединения.
Качество электрического соединения и широкополосность
зависит от тщательности механической обработки,
параллельности и чистоты контактирующих поверхностей.
Для улучшения качества контактов используют специальные
мягкие прокладки: медные, алюминиевыеи т.д. Герметизация
обеспечивается специальной резиновой прокладкой.
• Коэффициент отражения от хорошо подогнанных контактных
соединений достигает Котр ≈ 0.001 во всей полосе частот.
• Существенный недостаток контактных соединений – их
высокая стоимость, их качество ухудшается при повторных
сборках. Применяют в неразборных сборках волноводных трактов.

14.

Дроссельное соединение
Они применяется в том случае, если требования к уровню
потерь, точности изготовления и широкополосности не столь
жесткие по сравнению с предыдущим соединением.
Коэффициент отражения
не превышает Котр ≈ 0.025
(КБВ≤0.95), а относительная
полоса частот достигает
Δf/f0≈ ± 15…20%.
В этом соединении волноводы снабжены двумя фланцами,
между которыми имеется щель общей длиной в/2, эквивалентная
полуволновой короткозамкнутой линии. Замыкание на конце этой
щели (в точке А) сделано сплошным металлом, а трущийся контакт
двух поверхностей находится в т. Б на расстоянии в/4 от
короткозамкнутого конца.
Повторная сборка и разборка трактов почти не ухудшает параметры.

15.

Волноводные повороты и изгибы
При изготовлении фидерных линий приходится изгибать
волноводы под различными углами. Резкий изгиб под
углом 900 приводит к недопустимо большим отражениям.
Наиболее часто находят применение:
а) плавные изгибы;
б) двухуголковые повороты;
в) одноуголковые повороты;
г) скрутки.

16.

Используются более простые
и компактные по конструкции
двухуголковые и одноуголковые
повороты.
Одноуголковые изгибы
сравнительно узкополосны, а
участки с двойным поворотом
более широкополосными
являются.
Для изгибов в плоскости Н
изменение направления оси
волновода происходит по широкой
стене, а для изгибов в плоскости Е –
по узкой стенке волновода.
Размеры уголков рассчитываются, чтобы
обеспечить компенсацию отраженных волн.

17.

•Плавные изгибы волновода делаются с
радиусом R ≥ λв превышающим длину
волны. Они достаточно громоздки, но
обеспечивают хорошее согласование в
широком диапазоне частот.
Для поворота плоскости
поляризации (вектора Е)
применяют скручивание
волновода. Удовлетворительные
результаты получают при длине
скрутка более l > 2λв.
• Как и при изгибе, желательная
длина скрутки кратная λ/ 2.

18.

Согласование волновода с нагрузкой
Согласование волновода с оконечной нагрузкой осуществляется с
помощью:
- реактивного шлейфа;
- волноводной диафрагмы;
- реактивного штыря.
Реактивный шлейф представляет собой передвижной
короткозамыкающий поршень (плунжер), помещенный в боковое
ответвление волновода.
Меняя расстояние от плунжера до места подсоединения шлейфа
к основному волноводу, можно изменять характер
неоднородности, создаваемой шлейфом: если длина ответвления
меньше в/4, то оно действует как индуктивный шлейф, если
больше в/4, то - подобно емкостному шлейфу.
Ответвление создает отраженные волны, амплитуда и фаза которых
зависят от настройки ответвления, т.е. его длины.

19.

Волноводные диафрагмы представляют собой тонкие
металлические отражающие перегородки в волноводе,
перекрывающие часть его поперечного сечения. Они почти не
вносят активных потерь, но создают местное реактивное поле.
Их размеры и расположение подбираются так, чтобы в основном
волноводе произошло взаимное уничтожение волн, отраженных
от конца волновода и от перегородки.
Волноводные диафрагмы и их эквивалентные схемы

20.

Емкостная диафрагма имеют кромки параллельные
широкой стенке волновода. Они расположены перпендикулярно
электрическому полю (рис.а), поэтому сближают заряды,
имеющиеся на противоположных стенках волновода, т.е.
создают увеличенную емкость и действуют подобно емкостному
шунту в линии.
Уменьшают допустимую пропускную мощность.
Индуктивная диафрагма. В перегородках, параллельных
электрическим силовым линиям (рис.б), возникают токи,
создающие свое магнитное поле, и тогда перегородка действует
подобно индуктивности, создающей реактивное магнитное поле.
Резонансное окно. Применяют индуктивно-емкостную
перегородку (рис.в), эквивалентную последовательному контуру,
добротность которого Q≈ 10. На определенной частоте
наступает резонанс, при этом волна беспрепятственно проходит
через окно.

21.

Реактивный штырь ввинчивается в середине широкой
стенки волновода. Он создает значительное реактивное поле
за счет токов проводимости, вызываемых в нем
распространяющегося поля.
Если длина штыря меньше четверти длины волны в
волноводе, он эквивалентен емкости, а если больше –
индуктивности. При l0 ≈ λ/4 наступает резонанс.
Толстые штыри с d/а>0.1 имеют резонансную длину на
20…30% короче λ/4
Рис.5. Согласование реактивным штырем

22. Волноводные согласованные нагрузки

Для полного поглощения распространяющейся по волноводу
волны служат оконечные нагрузки. Они обеспечивают малое
отражение, что крайне важно для реализации режима бегущей
волны.
Для высокой эффективности поглощающие элементы
изготавливают из металлокерамики, в состав которой входит
металлический порошок. Стенки волновода принудительно
охлаждают, оборудуют радиаторами и чернят.

23. Коаксиальные согласованные нагрузки

Представляют собой короткозамкнутые отрезки коаксиальной
линии, в которую вводится одна или несколько диэлектрических
пластин, покрытых слоем поглощающего материала (графита,
нихрома, платины и т.д.).
Для уменьшения отражения нагрузочным элементам
придается специальная форма.

24. Изоляторы для коаксиального тракта

Типичной нерегулярностью для коаксиального тракта
являются диэлектрические шайбы. Они уменьшают
в
характеристическое сопротивление в√ε раз
Z 138
ln
а
Если изменить отношение радиусов изоляционной шайбы, то
можно устранить изменение характеристического сопротивления
вш
в
ln
ln
аш
а

25.

26. Переходы между линиями передач различного типа