Волноводы

Тема 3 Волноводы, ферриты в волноводных трактах и объемные резонаторы

Волноводы

Образование волновода

Волноводом называется металлическая труба или диэлектрический стержень, используемый в качестве фидерных линий в диапазоне сантиметровых (и более коротких) радиоволн.

Переход от линии к волноводам обусловлен резким возрастанием потерь энергии в линии с повышением частоты. В двухпроводных линиях это потери на излучение и на нагрев проводов. Первые возникают, когда расстояние между проводами: , а вторые – в следствии поверхностного эффекта. В коаксиальных линиях излучение устраняется экранированием, а потери на нагрев происходят в основном в одном – внутреннем проводе. Поэтому такие линии используют на дециметровых волнах. Существенное уменьшение потерь возможно если из коаксиальной линии изъять внутренний провод. В этом случае она превратиться в трубу – волновод круглого сечения.

Графики изменения постоянной затухания при повышении частоты для двухпроводной, коаксиальной линии и волновода показаны на рис. 3.1а.

Рис. 3.1 К сравнению фидерных линий различных конструкций

а) по частотным характеристикам затухания;

б) по пробивному напряжению

Кроме уменьшения потерь, преимуществом волновода по сравнению с коаксиальной линией, является увеличение пробивного расстояния (рис. 3.1б). Это позволяет, при одинаковых габаритах, увеличить амплитуду напряжения не менее чем в 2, а передаваемую мощность – в 4 раза. Последняя в диапазоне СМВ может превышать сотни киловатт.

1. Возможность превращения линии в волновод иллюстрируется рис. 3.2 На нем показана двухпроводная согласованная линия, к проводам которой с двух сторон подключены четвертьволновые отрезки КЗЛ – металлические изоляторы, имеющие огромное входное сопротивление. Поэтому их подключение и увеличения их числа, вплоть до слияния в сплошной короб, не оказывает влияния на процесс бегущей волны в исходной линии. Два таких короба с двух сторон линии и превращают ее в прямоугольный волновод. В волноводе наряду с продольными бегущими волнами существуют поперечные стоячие волны в металлических изоляторах.

Рис. 3.2 Образование прямоугольного волновода из двухпроводной линии, опирающейся на ряд металлических изоляторов

2. Типы волн в волноводе представим себе образование прямоугольного волновода из двухпроводной линии состоящим из двух этапов. На первом этапе (рис. 3.3а) мы будем расширять провода линии, превращая их в широкие стенки волновода, структура ЭМВ от этого не нарушится. Волна останется поперечной-электромагнитной (типа ТЕМ).

На втором этапе будем приближать к широким стенкам узкие. В момент их соединения возникает экран, через который м.с.л. не могут выйти за пределы волновода. Поэтому волна типа ТЕМ не может существовать в волноводе.

Учитывая, что м.с.л. должны быть замкнуты и что м.с.л. и э.с.л. должны быть взаимно перпендикулярны, можно представить себе два возможных типа волн.

Волна типа Н (или ТЕ) – продольная магнитная (или поперечная электрическая). Электрическое поле расположено в плоскости поперечного сечения, а электрическое имеет продольную составляющую (рис. 3.3б).

Волна типа Е (или ТМ) – продольная электрическая (или поперечная магнитная) магнитное поле расположено в поперечном сечении, а электрическое имеет продольную составляющую (рис. 3.3в).

Рис. 3.3 Волны:

а) ТЕМ

б) Н (ТЕ)

в) Е (ТМ)

Волна Н₁₀ в прямоугольном волноводе

Обозначение волны.

Как уже отмечалось, вдоль волновода распространяется бегущая волна, а в поперечном сечении существует стоячая. Обозначение волн в прямоугольном волноводе буквенно-цифровое. Буква указывает тип волны (Н – продольная магнитная, Е – продольная электрическая). Первая цифра индекса – число стоячих полуволн вдоль широкой стенки волновода ( – полуволна одна). Вторая цифра индекса – число стоячих полуволн вдоль узкой стенки волновода (0 – поле не изменяется) (рис. 3.5а). Волна Н₁₀ находит наиболее широкое применение, т.к. для ее получения требуется волновод с наименьшими поперечными размерами.

Образование и структура волны.

Распространение волн в волноводе происходит путем многократного зеркального отражения исходной волны от боковых стенок волновода. На рис. 3.4 показан один из множества параллельных многократных лучей.

Рис. 3.4 К образованию продольной волны в волноводе

Рис. 3.5 Структура и графики

а) электрического поля поперечной-стоячей волны

б) и в) – электрического и магнитного полей продольной бегущей волны

Структура ЭМВ в волноводе есть результат интерференции (наложения) полей падающих и отраженных волн. На рис. 3.5 показаны структуры и графики изменения напряженностей полей Е и Н продольной и поперечной волн для фиксированного момента времени. С течением времени продольная волна перемещается вдоль оси волновода, а поперечная изменяется по амплитуде и направлению полей, оставаясь неподвижной. На стенках волновода выполняются следующие граничные условия: Е_t = 0 и Н_N =0. В точках пересечения м.с.л. перпендикулярны э.с.л.

Рис. 3.6 К определению параметров волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе

3. Распространение и параметры волны Н₁₀

1). Исходные соотношения. На рис. 3.6 показан многократно отраженный луч и два положения фронта волны Фр1 иФр2. Рассмотрим прямоугольный треугольник АВD. Его вершины А и В принадлежат фронту Фр2, поэтому колебания в точках А и В должны совпадать по фазе. Для выполнения этого условия необходимо чтобы на пути Р + S изменение фазы составляло 360^о, т.е., чтобы длина пути равнялась длине волны: Р + S = l.

Но, из DАВD; P = S cos(2Q), а из DGDB: S=a/cosQ, где а = GD – ширина волновода.

Подставив значения Р и S в исходное уравнение получи:

2). Критическая (наибольшая) длина волны. Из последнего равенства: , получим: . Следовательно угол падения и отражения лучей – зависит от длины волны – , ширины волновода а. Чем длиннее волна, тем меньший угол . Если , то существует только поперечная – стоячая волна, а бегущей – продольной волны нет.

В этом случае ,

Следовательно волновод пропускает волны длиной , частоты .

3). Групповая скорость – . Это скорость распространения энергии вдоль оси волновода. Теперь рассмотрим прямоугольный треугольник ЕАВ, выделенный на рис. 3.7а. Его катет ЕА совпадает с направлением падающего луча. Длина ЕА равна пути, пройденному лучем за некоторое время :

ЕА = с (с – скорость света)

За это же время энергия волны вдоль оси волновода переместится на расстояние ЕF, равное проекции пути на направление продольной оси. Из DЕFА получаем:

ЕF = = ЕА = с = kс .

Для сокращения записи обозначено:

при

Окончательно:

Поскольку , то .

Энергия ЭМВ перемещается в волноводе медленнее, чем в свободном пространстве.

4). Фазовая скорость – . Это скорость изменения фазы вдоль оси волновода.

За тоже время , фронт волны (рис. 3.4) переместится из точки Е в точку В. Вместе с фронтом переместится и фаза волны, поэтому: ЕВ = . Из DЕАВ, гипотенуза:

ЕВ = ЕА/ = ЕА/k = с /k

Поэтому

Поскольку ,

Произведение: .

5). Длина волны в волноводе – . Это путь пройденный бегущей волной вдоль оси волновода за один период.

Рис. 3.7 К определению фазовой и групповой скоростей волны

Из подобия треугольников рис. 3.7 следует что , но , поэтому

.

Волна в волноводе длиннее, чем в свободном пространстве.

6). Волновое сопротивление волновода.

Как и для свободной ЭМВ: . Однако в волноводе напряженности Е_в и Н_в складываются из напряженностей полей падающей и отраженной волн. Как видно из рис. 3.8а, электрические поля этих волн расположены в вертикальной плоскости (вдоль стенки ), совпадают по направлению и складываются арифметически: Е = 2Е.

Магнитные поля, расположены в горизонтальной плоскости (вдоль стенки ), пересекаются под углом и складываются векторно. Поэтому: Н_в = 2kН. Подставив эти значения в формулу получим:

Следовательно и возникает необходимость согласования со свободным пространством.

Рис. 3.8 К определению волнового сопротивления волновода

Выбор поперечных размеров волновода.

Ширина волновода – выбирается и условия: .

Если выбирать: , то окажется, что и волна распространятся в волноводе не будет.

Если выбрать: , то вдоль стенки будет распространяться две стоячих полуволн, т.е. возникнет волна Н₂₀, что нежелательно.

Практически выбирают: .

Высота волновода – , Если выбрать , то возникнет волна Н₁₁. При уменьшении уменьшается допустимая передаваемая мощность из-за опасности пробоя. Практически выбирают:

Пример: Требуется выбрать оптимальные размеры и определить параметрыпрямоугольного волновода с волной Н₁₀, если .

Ответ:

Классификация волн в волноводе

Прямоугольный волновод.

Кроме волны основного типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе могут возникать волны высших порядков: продольные магнитные или электрические. Они маркируются Н_mn или Е_mn,

где: m – число стоячих полуволн вдоль стенки ;

n – тоже вдоль стенки .

Рис. 3.9 Структуры волн Н₁₁ и Е₁₁ в прямоугольном волноводе

Причиной возникновения этих волн может быть неправильный выбор поперечных размеров волновода или рабочих частот. Они возникают и на частотах высших гармоник. Их наличие нежелательно, т.к. оно приводит к появлению отражений от нагрузки, которая для них оказывается несогласованной и, как следствие, к снижению КПД волновода и обратному воздействию на ГВЧ.

Пример: На рис. 3.10 показаны структуры ЭМП поперечных и продольных сечениях прямоугольного волновода. Требуется построить эпюры полей Е и Н в поперечных сечениях и записать обозначения волны.

Рис. 3.10 К примеру

Ответ: волна H₂₀

Круглый волновод.

Маркировка волн Н_mn и Е_mn в круглом волноводе отличается тем, что здесь:

m – число стоячих полуволн вдоль периметра окружности;

n – то же вдоль диаметра окружности.

Наиболее широкое применение на ходят волны Е₀₁ и Н₁₁ (рис. 3.11)

Волна Е₀₁ имеет осевую симметрию. Поэтому ее структура не нарушается при вращении волновода, что используется во вращающихся сочленениях волноводов.

Волна Н₁₁ легко превращается в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе плавном изменением формы сечения из круглой в прямоугольную.

Рис. 3.11 Структуры полей волн а) Е₀₁ и б) Н₁₁ в круглом волноводе

Элементы волноводных трактов

Волноводный тракт соединяет выход передатчика СВЧ с антенной и антенну со входом приемника. В него, кроме волноводов, входят элементы обеспечивающие возбуждение волн, согласование, разветвление и соединение волноводов.

Возбуждение волноводов

Возбудителем волны в волноводе является излучатель – простейшая антенна – питаемая от генератора СВЧ непосредственно или через короткий коаксиальный фидер. Возбудитель должен быть согласован с ГВЧ и волноводом и эффективно излучать радиоволны. Широко применяются три способа возбуждения.

1). Возбуждение штырем (рис. 3.12)

Штырь – внутренний провод коаксиального фидера вводится в волновод параллельно стенке , в этом случае электромагнитное поле соответствует полю волны Н₁₀. На СВЧ короткий проводник интенсивно излучает радиоволны.

Поршень П1 располагают на расстоянии от штыря. В это случае отраженная от поршня волна совпадает по фазе и складывается с волной непосредственно излученной в вправо (см. рис. 3.12) от штыря. Сдвиг фазы волны излученной влево составляет 360^о, т.к. на 180^о фаза изменяется при отражении и еще на 180^о на пути от штыря до поршня и обратно.

Положение поршня П2 выбирают так, чтобы обеспечить бегущую волну в фидере.

Рис. 3.12 Возбуждение волновода штырем

2). Возбуждение зондом (рис. 3.13).

Зонд – это разомкнутый на конце внутренний провод линии. Его длина – глубина погружения подбирается так, чтобы в фидере возникла бегущая волна. В остальном данный способ возбуждения близок к предыдущему.

Рис. 3.13 Возбуждение волновода зондом

3) Возбуждение петлей (рис. 3.14).

Петля – виток расположенный в плоскости стенки , является магнитным возбудителем. Его магнитное поле расположено параллельно стенке и совпадает с полем волны Н₁₀. Согласование фидера с волноводом обеспечивается подбором размеров и глубины погружения петли.

Рис. 3.14 Возбуждение волновода петлей

Согласование волновода с нагрузкой.

Согласующие элементы обеспечивают получение бегущей волны в волноводе, когда входное сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению волновода.

По принципу действия согласующие элементы волноводов бываю – диафрагмы и винты (рис. 3.15) напоминает реактивные шлейфы используемые для согласования линии с нагрузкой.

Рис. 3.15 Схемы согласования волноводов

В рассогласованном волноводе устанавливается режим смешанных волн. В этом режиме соотношение между напряженностями полей Е_в и Н_в не постоянно. Оно изменяется в зависимости от расстояния от нагрузки. Согласующий элемент устанавливается на таком расстоянии где активная составляющая входного сопротивления волновода, равна его волновому сопротивлению. В этих условиях для получения бегущей волны достаточно скомпенсировать реактивную составляющую, создав равную ей, но противоположное по характеру сопротивление (проводимость). Емкостные диафрагмы (рис. 3.15 б и в) сближают широкие стенки волновода увеличивая емкость и поле Е_в.

Индуктивные диафрагмы (рис. 3.15 г и а) – сужают волновод, концентрируя магнитное поле Н_в.

Сочетание таких диафрагм позволяет получить резонансное отверстие (рис. 3.15 д), которое по свойствам напоминает настроенный параллельный колебательный контур.

Настроечный винт (рис. 3.15 е) может вносить в волновод различное по характеру и величине сопротивление в зависимости от глубины его погружения . Если – оно емкостное, если – индуктивное, если – последовательный резонанс.

Соединение волноводов.

1). Фланцевое соединение неподвижных однотипных волноводов (рис. 3.16) должно обеспечить точное совпадение соединяемых волноводов и хороший, ненарушаемый контакт. В противном случае возможно возникновение отражения или пробоя.

Рис. 3.16 Фланцевое соединение прямоугольных волноводов

2). Дроссельно-фланцевое соединение (рис. 3.17) более надежно. Благодаря наличию полуволнового короткозамкнутого шлейфа с нулевым входным сопротивлением (в точке ) обеспечивается надежный контакт между несоприкасающимися волноводами. Шлейф состоит из кольцевой канавки глубиной и углубления , длина которого так же равна в середине широкой стенки волновода (в пучности напряжения).

Рис. 3.17 Неподвижное дроссельно-фланцевое соединение волноводов

3). Вращающееся сочленение. Антенна самолетной панорамной РЛС должна вращаться или сканировать по азимуту. При этом волны в волноводе не должны нарушаться. Таким свойством обладает волна в круглом волноводе. Сочленение (рис. 3.18) обеспечивает передачу энергии от неподвижного волновода с волной Н₁₀ соединенного с ГСВЧ в подвижный, соединенный с антенной. Волна Н₁₀ из входного прямоугольного волновода (3) переходит в круглый волновод (2), возбуждая в нем продольное поле Е волны Е₀₁. Через вращающееся дроссельно-фланцевое сочленение (5) волна Е₀₁ переходит в верхнюю подвижную часть круглого волновода, а из него в прямоугольный волновод соединенный с антенной, преобразуясь в волну Н₁₀. Винты (1) обеспечивают согласование волноводов. Резонансные кольца (2) препятствуют возникновению волн других типов.

Рис. 3.18 Вращающееся сочленение волноводов

Разветвление волноводов

1). Волноводные тройники (Т-образные ответвители). Используются для ответвления части энергии из главного волновода в дополнительную цепь, для обеспечения согласования и измерений. Возможны две разновидности тройников.

Тройник типа Е (рис. 3.19). Ответвитель (плечо Е) расположен перпендикулярно широкой стенке главного волновода. При возбуждении главного волновода из плеча Е, поля в точках главного волновода, равноудаленный от плеча Е, оказываются противофазными (противоположные направления э.с.л. на рис. 3.19).

Рис. 3.19 Конструкция (а), эквивалентная схема (б) Т-образного ответвления (тройника) типа Е и распределение силовых линий электрического поля в нем (в)

Тройник типа Н (рис. 3.20). Ответвитель (плечо Н) расположено в плоскости широкой стенки главного волновода. При возбуждении из плеча Н, поля в симметричных точках главного волновода синфазны.

Рис. 3.20 Конструкция (а), эквивалентная схема (б) Т-образного ответвления (тройника) типа Н и распределение силовых линий электрического поля в нем (в)

Двойной тройник (рис. 3.21) – сочетание тройников типа Е и Н. Главное свойство двойного тройника – взаимная развязка противоположных плеч при сбалансированной нагрузке двух других.

Пусть симметрично нагруженные плечи главного волновода возбуждаются из плеча Е. Энергия поровну распределяется между ними не проникая в плечо Н, т.к. для его возбуждения требуются синфазные поля, а волна из плеча Е создает в главном волноводе – противофазные. Аналогично волна из плеча Н не проникает в плечо Е. Поэтому двойной тройник называю волноводным мостом.

Если ГСВЧ включить в плечо Е, индикатор – в плечо Н, плечо-1 нагрузить эталонным, а плечо-2 измеряемым сопротивлением, то показания индикатора будут тем больше, чем больше отличаются эти сопротивления. На этом основан метод мостового измерения сопротивления и К_св на СВЧ.

Можно показать, что плечи 1 и 2 обладают такими же свойствами, относительно плеч Е и Н

Рис. 3.21 Волноводный мост

2. Волноводный кольцевой мост (рис. 3.22)

Представляет собой кольцевой волновод соединенный с четырьмя волноводами. Энергия волны из главного волновода (плечо-1) разветвляется поровну в два полукольца. На вход каждого ответвителя действует две волны. Если их поля синфазны, в ответвителе возникает волна, если противофазны – нет. Условие синфазности: разность путей пройденных волнами по кольцу равна нулю или целому числу . Условие противофазности: эта разность равна нечетному числу . Так при возбуждении из плеча-1, волны возникают в ответвителях 2 и 4.

Рис. 3.22 Волноводный кольцевой мост

Пример: В каких ответвителях кольцевого моста возникнут волны, при его возбуждении из плеч: а) 2; б) 3; в) 4.

Ответы: а) В 1 и 3; б) В 4 и 2; в) В 1 и 3.

3. Направленный ответвитель. (рис. 3.23). Главный волновод связан с ответвителем через два отверстия, расположенные на продольной оси широких стенок, на расстоянии . Часть энергии прямой волны переходит в ответвитель через эти отверстия. Энергия отраженной от нагрузки волны в волновод ответвителя не проникает, поскольку разность путей отраженных волн прошедших через 1 и 2 отверстия равны и они противофазны. Поглощающая нагрузка в закрытом конце ответвителя предотвращает повторное отражение.

Если поменять местами волновод ответвителя и поглощающую нагрузку, то в волновод будет проникать только отраженная волна, а прямая поглотится.

Рис. 3.23 Направленный волноводный ответвитель

Особенности полосковых и диэлектрических волноводов

1. Полосковые волноводы. Находят все более широкое применение в малогабаритном РЭО СВЧ. Поперечные сечения несимметричной и симметричной полосковой линии показаны на рис. 3.24

Рис. 3.24 Разновидности полосковых волноводов: а) и б) симметричные;

в) несимметричный

Линия состоит из тонкого полоскового проводника и металлического экрана (основания) разделенный тонким слоем диэлектрика. В таких линиях распространяются поперечные волны близкие волнам типа ТЕМ. Поэтому критической волны нет и диапазон волн шире чем у металлических волноводов: от МВ до СМВ.

К достоинствам таких линий можно отнести: малые габариты, вес, стоимость, печатную технологию изготовления, конструктивную совместимость с микроминиатюрными компонентами, широкую полосу пропускания, отсутствие побочных типов волн. Их недостатками являются: меньшая передаваемая мощность и большее затухание, чем у металлических волноводов. Несмотря на это они весьма перспективны для бортового оборудования и широко применяются в современных образцах.

Рис. 3.25 Диэлектрический волновод: а) отражение и преломление лучей на поверхности волновода; б) структура поля волны Н₁₁ в поперечном и в) продольном сечениях волновода.

2. Диэлектрический волновод (3.25) представляет собой стержни круглого сечения из диэлектрика с малыми потерями. На границе диэлектрик-воздух происходит частичное отражение, частичное преломление луча. Чем больше отношение тем большая часть энергии распространяется внутри волновода за счет многократного отражения. Поскольку у диэлектрика , скорость и длина волны в волноводе меньше, чем в воздухе:

и

Структура волны такова, что как электрические, так и магнитные поля имеют продольную составляющую. Тип волн НЕ₁₁.

Несмотря на то, что затухание в диэлектрическом волноводе больше, чем в металлическом, его применение становится целесообразным на миллиметровых и более коротких волнах. В связи с тем, что изготовление металлических волноводов для этих диапазонов сопряжено со значительными трудностями.

В диапазоне световых волн диэлектрический волновод превращается в световод – тонкую стеклянную нить, по которой световой луч распространяется почти без потерь на значительные расстояния. Многожильные волоконные световоды уже сейчас находят применение для передачи световых сигналов. В перспективе они могут успешно конкурировать с линиями электросвязи.

Вопросы для самоподготовки

1. Что называется волноводом, как он образуется из двух проводов линии?

2. Каковы преимущества волноводов перед длинными линиями? Почему они находят применение на СМВ?

3. Как классифицируются и маркируются типы волн в волноводе? Какие из них находят применение и почему?

4. Почему в прямоугольном волноводе используют волну Н₁₀? Какова ее структура?

5. Что называется критической длинной волны, от чего она зависит?

6. Как и почему изменяется в волноводе скорость распространения, длина волны, волновое сопротивление?

7. Какими способами можно возбудить волну в волноводе?

8. Как производится согласование волновода с нагрузкой?

9. Сопоставьте различные способы соединение волноводов?

10. Как обеспечивается и где используется вращающееся сочленение?

11. Как обеспечивается распределение энергии радиоволн с помощью тройников, кольцевых и направленных ответвителей. Каковы устройства, принцип работы и область применения каждого из них?

12. Каково устройство, сравнительные особенности и область применения полосковых волноводов?

13. Каковы устройство, принцип работы и область применения диэлектрических волноводов?

Дата добавления: 2015-10-21