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. 1.14.

Рис. 1.14. Щелевой волноводный мост

Рассмотрим принцип его работы. На схеме моста (рис. 1.15) 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.

Рис. 1.15. Схема щелевого волноводного моста

а¢=2а. 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. Однако из диаграмм типов волн, построенных для стандартного (рис. 1.16, а) и расширенного (рис. 1.16, б) волноводов, видно, что на средней длине волны условие распространения выполняется только для колебаний Н₁₀ и Н₂₀, так как для них

где l₀=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.

Рис. 1.16. Диаграммы типов волн: а) стандартного волновода; б) расширенного волновода

В начале общего волновода (сечение а–а) обе волны возбуждаются одновременно, поэтому, как видно из рисунка 1.15, 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.

Критическая длина волны Н₂₀ меньше, чем для Н₁₀, поэтому, как видно из выражения

, (1.7)

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:

, (1.8)

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. 1.17 изображены векторные диаграммы, поясняющие возбуждение плеч 3 и 4. Волна Н₁₀ возбуждает в плечах 3 и 4 синфазные колебания с амплитудой электрического поля . Волна Н₂₀ возбуждает плечи 3 и 4 в противофазе, что обусловлено законом распределения ее поля вдоль широкой стенки волновода. Амплитуда

Рис. 1.17. Векторные диаграммы для щелевого волноводного моста при Δφ<90º

этих колебаний равна амплитуде , а фаза в плече 3 опережает на некоторый угол Dj 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 Dj между колебаниями волн Н₁₀ и Н₂₀, т.е. от длины щели. Если длина щели выбрана так, что Dj =90°, то в плечи 3 и 4 поступает одинаковая энергия (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Векторные диаграммы для щелевого волноводного моста приΔφ=90º

Данный щелевой мост имеет большое сходство с двойным тройником, однако есть и некоторые отличия. Рассмотрим их, полагая, что нумерация плеч на рис. 1.15 соответствует по смыслу нумерации плеч двойного тройника (рис. 1.13).

Сравнивая диаграммы рис. 1.17 и рис. 1.18, 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.

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. Длина расширенного волновода (длина щели) в этом случае

должна обеспечить набег фазы между колебаниями волн Н₁₀ и Н₂₀ Dj =90°. Следовательно,

Так как

После простых преобразований получим

где

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 Р₃¹Р₄.

Для ослабления этого эффекта в центре общего волновода помещают емкостной согласующий штырь. Размеры штыря подбираются экспериментально.

Резонаторы

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. 1.19). Наружный проводник коаксиальной линии при этом присоединяется к стенке волновода.

Рис. 1.19. Простейший штыревой возбудитель

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 Z_вх.ш штыря должно быть равно волновому сопротивлению коаксиальной линии.

Рис.1.20. Структура электрического поля, возбуждаемого штырём

На рис. 1.20 показана примерная структура электрического поля, возбуждаемого штырем. Как видно из рисунка, кроме основной волны, штырь возбуждает волны высших типов. Следовательно, полная мощность, передаваемая в волновод, представляет сумму мощностей

Р = Р_осн + Р_высш ,

где Р_осн – мощность, расходуемая на возбуждение основной волны;

Р_высш – мощность, расходуемая на возбуждение волн высших типов (потери).

В общем случае Р_осн является комплексной мощностью, а Р_высш – 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

Z_Н = Z_вх.ш = R + jX

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= X_осн + X_высш

Можно показать, что входное сопротивление тонкого штыря определяется выражением

где h_д – действующая высота штыря (высота штыря, у которого ток по длине распределен равномерно, а амплитуда I₀ в основании и площадь тока S_i = I₀ h_д такие же, как у данного);

x– расстояние от штыря до боковой стенки волновода;

l – расстояние от штыря до короткозамкнутого конца

Анализируя выражение (1.8), можно определить условия, при которых обеспечивается согласование штыря, т.е. условия, при которых

R = r, а X = 0

На рис. 1.21 показаны графики зависимости активной и реактивной частей входного сопротивления штыря от места его расположения относительно узкой стенки волновода. Эти составляющие максимальны, когда штырь располагается в середине широкой стенки волновода, и убывает по мере приближения штыря к боковым стенкам.

Рис. 1.21. График изменения составляющих входного сопротивления штыря при перемещении его вдоль широкой стенки

Рис. 1.22. График изменения составляющих входного сопротивления штыря при изменении расстояния до закороченной стенки

На рис. 1.22 представлены графики зависимости составляющих входного сопротивления штыря от расстояния до короткозамкнутого конца волновода. Из графика видно, что активная составляющая достигает максимума, если

При этом реактивная составляющая, обусловленная полем основной волны, равна нулю. Максимум X_осн будет при

Реактивная составляющая X_высш, 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<l/4 она имеет емкостной характер (X_высш< 0); при h>l/4 – индуктивный характер (X_высш> 0); при h»l/4 обращается в нуль (X_высш = 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»l/4

Закороченный участок l волновода (рис. 1.19) должен иметь длину

l»l_в/4

В этом случае входное сопротивление закороченного волновода в сечении штыря равно бесконечности и не влияет на входное сопротивление Z_вх.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. 1.19, 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.

Для уменьшения концентрации электрического поля применяют штыри специальной формы, например, каплевидные (рис. 1.23, а), пестиковые (рис. 1.23)

б). Увеличение электрической прочности в данном случае достигается за счет перехода от коаксиальной линии к волноводу.

Рис.1.23. Штыревые возбуждающие устройства:

а – каплевидная форма штыря; б – пестиковая форма штыря; в – пуговичная форма штыря

Разновидностью пестиковой конструкции является пуговичная конструкция штыря (рис. 1.23, в). Такое возбуждающее устройство при l=10 см позволяет передавать в волновод без пробоя мощности порядка 1 Мвт.

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 X_высш входного сопротивления, обусловленная полями волн высших типов. При уменьшении реактивной составляющей входное сопротивление штыря в меньшей степени зависит от частоты.

Аттенюаторы

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.

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. 1.24. Обычно в волноводе устанавливают одну или две пластины с поглощающим слоем.

Рис. 1.24. Волноводные поглощающие нагрузки

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 К_с£ 1,02 ¸ 1,05 в диапазоне частот 10 ¸ 15 %. Величина ослабления зависит от числа пластин, их длины и места расположения в волноводе.

Применяются также переменные аттенюаторы ножевого типа (рис. 1.25.), в которых ослабление регулируется глубиной погружения пластины в волновод. Максимальная величина ослабления поглощающих аттенюаторов достигает обычно 30-40 дБ.

В предельных аттенюаторах (рис 1.26) 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.

Рис. 1.26. Предельный аттенюатор

Предельные аттенюаторы в отличие от поглощающих применяются в основном для ответвления части энергии из основного тракта. На рис. 1.26 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. Отбор энергии в данном аттенюаторе производится при помощи петли 3, однако может применяться штырь или отверстие.