Элементы волноводных линий и объемные резонаторы

Передача энергии. Энергия от гене­ратора передается в волноводную ли­нию и извлекается из нее через пере­ходное устройство. В качестве такого

устройства используется обычно ко­аксиальная линия, связанная с волно­водом. Связь может быть различной, но во всех случаях элемент связи должен располагаться в волноводе так, чтобы возбуждаемое им поле совпада­ло по структуре с полем волны в волноводе.

Возбуждение энергии в прямоуголь­ном волноводе возможно или попе­речным штырем, находящимся в пучности электрического поля волновода, или с помощью петли связи, располо­женной в точке максимума магнитно­го поля. На практике чаще применяет­ся электрическая связь с помощью внутреннего проводника коаксиальной линии, входящего внутрь волновода на высоту l/4, выполняющего функцию штыревой антенны (рис. 1.16).

Рис.1.16 Возбуждение энергии в прямоугольном волноводе

Энергия извлекается из волновода таким же образом, так как штырь, являясь антенной, обладает свойством обратимости, т. е. может работать как на передачу, так и на прием сигналов.

Волноводная линия на судне соби­рается из отдельных волноводных секций по месту установки приемо­передатчика и антенны. Для сочлене­ния этих секций между собой приме­няют дроссельно-фланцевые соедине­ния. Принцип соединения двух непод­вижных отрезков прямоугольного волновода показан на рис. 1.17,а. Один фланец плоский, другой при непосред­ственном соединении с первым обра­зует полуволновой короткозамкнутый отрезок длинной линии. Поскольку входное сопротивление такого отрезка линии равно нулю, то в волноводном стыке создается короткое замыкание, и энергия без заметного отражения будет распространяться из одной секции в другую.

Рис.1.17 Сочленение волноводных линий

а – дроссельно-фланцевой соединение

б – устройство дроссельных фланцев

Устройство дроссельных фланцев (рис. 1.17,6) следующее. К концам пря­моугольного волновода припаиваются 2 фланца: один плоский, второй имеет 2 выточки а и в в виде круговой ка­навки вдоль оси волновода и проточку в поперечной плоскости. Выточка а имеет глубину l_в/4. Расстояние от цент­ра широкой стенки волновода до этой выточки также равно l_в/4. Когда оба

фланца соединяются между собой, вы­точка а образует полуволновой короткозамкнутый отрезок линии. Выточка в необходима для обеспечения герме­тичности волновода. В нее закладыва­ется резиновый уплотнитель, и оба фланца стягиваются винтами. КБВ та­кого сочленения составляет около 0,95.

При работе судовой РЛС в режиме кругового обзора антенна вращается, а приемопередатчик неподвижен. Вследствие этого возникает необходи­мость в наличии в антенно-волноводном тракте вращающегося перехода. Широкое использование на практике получила схема перехода, показанная на рис. 1.18. Электрический контакт между вращающейся и неподвижной частями волноводной линии обеспечивается за счет четвертьволнового разомкнутого на конце отрезка, обра­зованного внешним проводником коаксиальной линии. Известно, что входное сопротивление такого отрезка линии равно нулю. Тем самым обеспечивается условие перехода энергии от приемопередатчика к антенне и обратно без заметного отражения энергии от вращающегося перехода.

Рис.1.18 Схема вращающегося волноводного перехода

В судовых условиях жесткая волноводная линия, подвергающаяся вибра­ции, соединяется с приемопередатчи­ком. Поэтому в качестве переходного элемента применяют небольшой отре­зок гибкого волновода, имеющего гофрированную конструкцию. Глубина гофрировки должна быть значительно меньше длины волны, чтобы отдельные гофры не вносили в волноводный тракт существенных неоднородностей и не вызывали заметного отражения энергии. КБВ длинного волновода достигает 0.9 – 0.93.

Для разветвления энергии широко используются тройниковые соединения (рис.1.19). В зависимости от конструктивных особенностей РЛС разветвление может выполняться в плоскости широкой стенки волновода и узкой. В первом случае волновод, из которого разветвляется энергия, называется Е-плечом, во втором случае— Н-плечом.

рис.1.19 Тройниковые соединения

а – Е-плечо; б – Н-плечо

При передаче энергии через Е-плечо поля в ответвлениях изменяются в противофазе. Если энергия поступает в разветвление через Н-плечо, то поля в ответвлениях будут изменяться синфазно. По аналогии с двухпроводны­ми линиями ответвление энергии через Е-плечо называют последовательным, а через Н-плечо — параллельным.

К разветвлениям волноводной линии относятся также направленные ответвители особенность которых - связь с каким-либо одним направлением распространения с одновременным уменьшением этой энергии в определенное количество раз. Преимущество направленных ответвителей перед другими видами связи в линиях передачи – ослабление реакции, оказываемой ответвлением на режим работы основной линии передачи.

Направленные ответвители приме­няются для отвода энергии из основ­ной волноводной линии к измеритель­ным приборам, индикаторам колеба­ний, эхо-камере и пр.

Наряду с направленными ответвителями в каналах СВЧ находят при­менение также щелевые и Т-образные мосты.

Щелевой мост (ЩМ) представляет собой 2 отрезка волноводной линии прямоугольного сечения с общей узкой стенкой (рис. 1.20). Волноводные от­резки связаны между собой щелью, вырезанной в общей узкой стенке волновода. Если в плечо 1 поступает энергия СВЧ, то она распределяется поровну между плечами 3 и 4 и не по­падает в плечо 2. Причем энергия, ответвляющаяся в плечо 4, будет отста­вать по фазе на 90° относительно энергии, распространяющейся в пле­че 3.

Рис.1.23 Щелевой мост

Устройство Т-образного моста, или, как его называют, двойного волноводного тройника, показано на рис. 1.21. Как уже отмечалось, при поступлении энергии в плечо 4 она будет делиться поровну между плечами 2 и 3 и изме­няться в этих плечах синфазно. Наобо­рот, при поступлении энергии в Т-образ­ный мост через плечо 1 энергия также будет делиться поровну между плеча­ми 2 и 3, но оказывается в этих пле­чах в противофазе.

1.21 Двойной волноводный тройник

Поскольку двойной волноводный тройник (ДВТ) обладает свойством взаимности, то при поступлении энергии синфазных волн через плечи 2 и 3 эти волны будут складываться и поступать в плечо 4, а плечо 1 оказывается развя­занным (изолированным).

Если же на вход плеч 2 и 3 подается энергия с фазовым сдвигом на 180°,

то энергия этих волн будет суммиро­ваться и поступать в плечо 1, а плечо 4 окажется изолированным (отключен­ным). При подведении энергии к одно­му из боковых плеч 2 или 3 одно из них окажется изолированным, а энер­гия будет распределяться между пле­чами 1 и 4.

Вентили и циркуляторы. Вентилем называется устройство однонаправлен­ного действия, предназначенное для защиты какого-либо узла в линии пе­редачи от отражений, возникающих в других узлах. Точнее, вентиль почти полностью поглощает энергию, рас­пространяющуюся в одном направле­нии, и обеспечивает передачу энергии без потерь в другом направлении.

Циркулятором называется устройст­во, имеющее несколько плеч и пере­ключающее мощность электромагнит­ных колебаний с одного плеча на дру­гое.

В обоих устройствах широко исполь­зуются ферриты, представляющие со­бой магнитокерамические материалы, состоящие в основном из окислов ме­таллов. Они отличаются от обычных металлических магнитных материалов отсутствием электрической проводи­мости и незначительными потерями энергии в диапазоне СВЧ.

Взаимодействие электромагнитного поля сигнала с электронами феррита управляется с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого по­стоянными магнитами. Это взаимо­действие вызывает изменение магнит­ной проницаемости феррита и про­является, например, в таких невзаим­ных свойствах, как вращение плоско­сти поляризации электромагнитного поля, сдвига фазы, изменение характе­ристики электромагнитного поля в за­висимости от направления распростра­нения энергии через феррит и т. п.

Циркулятор представляет собой сим­метричное под углом 120° разветвление волноводной линии, в центре которого находится ферритовый цилиндр, разме­щенный в диэлектрической втулке (рис. 1.22).

Рис. 1.22 Фазовый циркулятор

При работе под действием поля постоянного магнита электроны феррита закручиваются, как показано окружностью со стрелками.

Электромагнитная энергия СВЧ, по­ступающая в плечо 1 разветвления, будет распространяться в направлении плеча 2 и не будет попадать в плечо 3. Объясняется это тем, что в направле­нии плеча 2 вектор поля вращается навстречу электронам, и колебания здесь проходят без ослабления. В на­правлении плеча 3 электроны и магнит­ное поле вращаются в одном направ­лении, и энергия поглощается.

Если энергия в разветвление посту­пает через плечо 2, то по этой же при­чине она будет распространяться в направлении плеча 3 и не попадает в плечо 1, которое оказывается изоли­рованным (развязанным) от плеча 2. Поместив в одно из плеч циркулятора согласованную нагрузку, легко превра­тить его в вентиль.

Аттенюаторы и поглощающая на­грузка. Аттенюатором называется устройство в волноводной линии, при­меняемое для уменьшения (ослабле­ния) мощности колебаний СВЧ на за­данное значение. Поглощающие на­грузки применяются для согласования и полного поглощения энергии СВЧ в волноводных линиях.

Для поглощения энергии в нагрузках и аттенюаторах используют резистивные или поглощающие материалы в виде диэлектрических или полупро­водниковых вставок с большими поте­рями. Материалами для изготовления вставок могут служить смолы с на­полнением карбонильным железом, проводящая керамика и др.

Аттенюаторы могут быть нерегули­руемые и регулируемые. Последние выполняются обычно установкой в ли­нию передачи параллельно вектору электрического поля диэлектрической пластины с нанесенной на нее погло­щающей пленкой. Эта пластина в виде заслонки вводится в прямоугольный волновод через узкую щель в середине широкой стенки.

Вносимое аттенюатором затухание энергии в децибелах

L_п = 10lg(P_вх / P_вых)

где P_вх — входная мощность от источника; Р_вых — выходная мощность на согласованной нагрузке.

Объемные резонаторы. В диапазоне сантиметровых радиоволн не могут применяться обычные колебательные контуры с сосредоточенной емкостью и индуктивностью, а также контуры в виде короткозамкнутых четверть­волновых линий. Причина этого — возникающие большие потери энергии и трудности конструктивного оформле­ния. На этих волнах (частотах) нашли исключительное применение полые (объемные) резонаторы, представляю­щие собой замкнутую металлическую оболочку, во внутренней полости кото­рой возбуждается электромагнитное поле.

Принцип создания объемного резо­натора можно показать с помощью четвертьволнового короткозамкнутого отрезка линии. При подключении тако­го отрезка линии к генератору СВЧ в линии возникают стоячие волны тока и напряжения. Максимум тока, как известно, будет на конце линии, а максимум напряжения — в начале линии у генератора. Далее, если увели­чить число отрезков линий, подклю­чаемых к генератору, то электро­магнитное поле каждой линии будет суммироваться, и общее поле возрастет. Взяв количество отрезков линий доста­точно большим, получим сплошную замкнутую систему, образующую ци­линдр с включенным в центре, между верхней и нижней стенками генерато­ром СВЧ (рис. 1.23).

Рис 1.23 Объемный резонатор

а – построение объемного резонатора;

б – резонатор цилиндрической формы

Такой цилиндр — объемный резона­тор цилиндрической формы. Электро­магнитные колебания происходят внутри объемного резонатора ввиду экранирующего действия стенок. Собственная длина волны зависит от размеров резонатора, в данном слу­чае— от диаметра цилиндра d; l_о= 1,3d. Следовательно, размеры резо­натора соизмеримы приблизительно с длиной волны.

Например, для волны l_о= 3,2 см диаметр цилиндра должен быть d =l_о /1,3 = l_о /1,3 2,5 см.

Наряду с цилиндрическими резона­торами на практике применяются и другие формы резонаторов, напри­мер прямоугольные и др. Возбуждение колебаний в объемном резонаторе и извлечение энергии из резонатора осуществляются теми же способами, что и в волноводах. Например, приме­няется электрическая связь с помощью штыря или антенны. Магнитная связь производится с помощью витка прово­да, расположенного в участке полости с максимальным магнитным полем. Собственную волну резонатора можно изменять, сделав одну из стенок его подвижной.

Как и всякий колебательный контур, кроме длины волны, объем­ный резонатор характеризуется доброт­ностью и резонансным сопротивлением

Добротность резонатора Q представ­ляет собой отношение колебательной мощности Р, запасаемой в резонаторе, к потерям мощности Р_п в резонаторе:

Q = P/P_п

Запасаемая мощность пропорциональная объему полости резо­натора, а потеря мощности — внутрен­ней поверхности резонатора. Поэтому добротность резонатора с медными стенками может достигать нескольких тысяч, что во много раз превышает добротность обычного контура (не­сколько десятков).

Дата добавления: 2015-07-15