Передача энергии сверхвысокой частоты

Широкое применение для передачи энергии СВЧ на волнах до 10 см вклю­чительно находят двухпроводные ли­нии специальной конструкции, назы­ваемые коаксиальными (соосными). Конструкция гибкого коаксиального кабеля (рис. 1.14) состоит из внутрен­него проводника 4, коаксиально (со-осно) расположенного относительно внешнего проводника 2. Внутренний проводник имеет небольшой диаметр и отделен от внешнего высокочастот­ной изоляцией 3 в виде нескольких охватывающих друг друга слоев.

Рис. 1.14 Конструкция гибкого коаксиального кабеля

Внешний проводник выполняется чаще всего в виде оплетки из тонких медных проволок. Для защиты внешне­го проводника от окисления и механи­ческих повреждений он покрывается оболочкой из пластмассы 1.

Коаксиальная линия характеризует­ся волновым сопротивлением (50— 90 Ом); затуханием энергии на едини­цу длины (0,22—0,4 дБ/м).

К достоинствам коаксиальной линии относятся отсутствие излучения энер­гии, экранирование от воздействия внешних электромагнитных полей, ста­бильность параметров. Важно также и то, что в коаксиальной линии ток СВЧ проходит только по внутреннему проводнику и внутренней поверхности внешнего проводника. Внешняя по­верхность внешнего проводника имеет нулевой потенциал, что упрощает прокладку таких линий.

В диапазоне сантиметровых волн короче 10 см заметно увеличиваются по­тери энергии во внутреннем проводнике и в диэлектрике коаксиального ка­беля. По этой причине в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн передача энергии осуществляется с помощью полых металлических труб- волноводов.

В волноводе, как и в коаксиальной линии, отсутствуют излучение энергии во внешнее пространство вдоль волновода, влияние внешних электромагнитных полей, токопрохождение по наружной стенке волновода. Кроме того, волновод отличается отсутствием потерь в диэлектрике, большей пропуск­ной мощностью, простотой конструкции. Недостатком волновода является невозможность передавать электромагнитную энергию на длине волны большей, чем так называемая критическая длина волнызависящая от размеров волновода.

Принцип передачи энергии по волноводу (рис. 1.15,а) следующий. К про­водам линии CD, по которой передается энергия от генератора переменного тока, с обеих сторон подключены четвертьволновые короткозамкнутые отрезки линий. Наличие этих отрезков не влияет на работу линии, так как входное сопротивление их бесконечно велико. Число отрезков также не по­влияет на работу линии. Следователь­но, взяв их достаточно большим, полу­чим сплошную конструкцию линии, которая и является волноводом прямо­угольной формы (рис. 1.15,6). По та­кому же принципу может быть полу­чен и волновод круглой формы.

Рис.1.15 Волноводная линия

а – принцип передачи энергии по волноводу;

б – образование прямоугольного волновода

Вначале может показаться, что вол­новод способен передавать энергию только одной определенной частоты или длины волны. Оказывается, по волноводу могут передаваться волны короче так называемой критической длины волны l_кр, зависящей от разме­ров волновода, но не могут передавать­ся волны, длина которых равна или больше критической.

Это свойство волноводов можно по­яснить следующим образом. Пусть, например, на рис. 1.18,а, иллюстри­рующем образование прямоугольного волновода, длина волны l генератора, питающего линию CD, уменьшится до значения l₁ < l. При этом длина четвертьволновых отрезков линии ста­нет короче (l₁/4 < l/4), что при данных размерах волновода как бы увеличи­вает ширину проводов линии CD. Сле­довательно, для волны l₁ условия рас­пространения в волноводе изменяться не должны, так как по-прежнему ко­роткозамкнутые отрезки имеют длину l₁ /4 и их входное сопротивление равно бесконечности.

Иная картина имеет место тогда, когда длина волны увеличится до значения l₂ >А. Теперь уже вдоль отрезка короткозамкнутой линии длиной l/4 будет укладываться менее четверти волны. Входное сопротивление отрезка сильно уменьшается, становится по ха­рактеру индуктивным, ток в линии сильно шунтируется и распростране­ние энергии оказывается невозмож­ным.

Значение критической длины волны волновода можно показать, пользуясь рис. 1.15,б. Размер а прямоугольного волновода называется широкой стен­кой, a b — узкой стенкой. Как видно из рис. 1.15, критическая длина волны прямоугольного волновода зависит от размера широкой стенки: l_кр=2а. Выбор размера узкой стенки зависит от передаваемой мощности. Практиче­ски размеры волновода выбираются из соотношения а @0,7l; b£а/2, где l — рабочая длина волны (длина волны генератора СВЧ). Для круглого волно­вода l_кр =l,7d, где d — диаметр волно­вода.

Для латунных волноводов 10-санти­метрового диапазона коэффициент за­тухания составляет 0,062 дБ/м, в 3-сан­тиметровом диапазоне — 0,23 дБ/м.

В связи с ограниченными размерами распространение электромагнитной энергии вдоль волновода происходит путем многократного отражения от про­тивоположных стенок волновода. В связи с этим фазовая скорость l_ф больше скорости распространения энер­гии в свободном пространстве и зави­сит от длины волны генератора, пи­тающего волновод, и размеров широ­кой стороны волновода.

Скорость переноса энергии вдоль волновода, называемая групповой ско­ростью v_гр, оказывается меньше ско­рости распространения в свободном пространстве и зависит также от дли­ны волны lи размеров волновода. Поскольку длина волны в волноводе, зависящая от фа­зовой скорости, l_в=v_ф/f

l_в = l/ ((1-(l/2а)²)^0.5

Следовательно, длина волны в волноводе превышает длину волны генератора. Волновое сопротивление волновода r_в = 120pl_в/l.

В волноводе, как и в обычной двухпроводной линии, может иметь место режим бегущих, стоячих и смешанных волн. Например, если конец волновода закрыть наглухо, то волновод будет вести себя как короткозамкнутая линия. Тогда в волноводе имеет место режим стоячих волн. Если конец волновода открыт, то часть энергии будет излучаться, а часть ее отразится от конца волновода.

Дата добавления: 2015-07-15