книги из ГПНТБ / Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ

от конца линии к ее началу в виде бегущих волн электромаг­ нитного поля (отраженная волна).

Таким образом, в линии одновременно распространяются в противоположных направлениях две волны:' падающая и отра­ женная.

Если линия разомкнута на конце (рис. 41, a) (RB = °о), т. е. отсутствует потребитель энергии, то электромагнитная энергия падающей волны полностью отражается от конца линии и дви­ жется к ее началу. Поэтому в такой линии есть две волны с рав­ ными амплитудами: падающая и отраженная. В результате пх сложения в линии образуются так называемые стоячие волны.

*-nad

Рис. 40. Линии конечной длины

При распространении волны вдоль линии, разомкнутой на конце, ток в конце линии равен нулю, а напряжения прямой и отраженной волн складываются. Если в линии нет потерь энер­ гии, то напряжение на конце линии равно удвоенному напряже­ нию, развиваемому генератором. На рис. 44,6 представлены кривые распределения тока и напряжения вдоль линии.

Из рисунка видно, что на расстоянии х, равном 0,25 X; 0,75 X; 1,25 X от конца линии, амплитуда результирующего напряжения обращается в нуль. Ток во всех этих точках, наоборот, макси­ мален.

На расстояниях х, равных 0,5 X; 1 X; ll,5 X и т. д., амплитуды напряжения максимальны, а амплитуды тока равны нулю.

Из рисунка видно, что токи сдвинуты относительно напряже­ ния на 0,25 X и по фазе на 90°, а это служит признаком того, что линия обладает реактивным, сопротивлением.

Максимумы напряжения или тока принято называть пуч­ ностями, а минимумы — узлами. Образование узлов и пучностей характерно для режима стоячих волн.

В короткозамкнутой линии {RB —0), представленной на рис. 42, от генератора к концу линии распространяются падаю­ щие волны. Энергия их на конце линии не потребляется, а пол­ ностью отражается. В результате сложения падающих и отра­ женных волн образуются стоячие волны, которые имеют те же характерные признаки, что и в разомкнутой линии.

50

6

Рис. 41. Образование стоячих волн в разодг кнутои линии

RH= 0

Рис. 42. Короткозамкнутая линия

51

На конце короткозамкнутой л и н и и напряжение равно нулю. Это означает, что напряжение отраженной волны на конце ли­ нии в каждый момент равно по величине напряжению падаю­ щей волны и противоположно ему по знаку. Ток на конце линии максимален, так как энергия электрического поля падающей волны переходит в энергию магнитного поля.

1т г т Ит с т

Рис. 43. Зависимость входного сопротивления разом' кнутой линии от ее длины

Одной из основных характеристик длинной линии является ее входное сопротивление ZBX, определяемое как отношение на­

пряжения к току на входе линии, т. е. Z BX= —f xв-х- . Входное со-

*т вх

противление бесконечно длинной линии равно ее волновому со­ противлению (ZEX= p) и имеет чисто активный характер, обу­ словленный тем, что энергия уходит от генератора в линию и обратно в генератор не возвращается.

52

Входное сопротивление разомкнутой линии зависит от ее волнового сопротивления и длины линии. Оно может быть ин­ дуктивным или емкостным и иметь любую величину от —оо до + оо. На рис. 43 показана зависимость его от длины линии. В преде­ лах всех нечетных четвертей волн оно имеет емкостной харак­ тер, т. е. отрицательно, а в пределах всех четных четвертей волн — индуктивный характер, т. е. положительно.

Рис. 44. Зависимость входного сопротивления ко­ роткозамкнутой линии от ее длины

Входное сопротивление разомкнутой линии равно нулю, если ее длина равна целому нечетному числу четвертей волн, и бес­ конечности, если длина линии равна целому числу полуволн. В первом случае линия подобна последовательному резонанс­ ному контуру (ZBX= 0), а во втором — параллельному (ZBX= oo),

Таким образом, при /= {2п+1) • -j- возникает «последователь­

ный резонанс», а при 1 — п -----«параллельный резонанс».

53

Входное сопротивление короткозамкнутой линии (рис. 44) является реактивным и может иметь величину от —оо до +оо. В пределах нечетных четвертей волн оно положительное, т. е. индуктивное, а в пределах четных четвертей волн— отрицатель­

ное, т.	е. емкостное. При	/= (2п+ 1)	, где п = 0, 1, 2,		3..., воз­
никает «параллельный резонанс», т. е. ZBX= oo,				/	к
				а при 1=п —, где
n = 0,	1, 2, 3..., возникает	«последовательный		резонанс», т. е.
2цх= 0.
На практике особый интерес представляют отрезки разомк­
нутых	линий, длина которых равна		ч е т в е р т и и		половине

волны

Четвертьволновая линия, разомкнутая на конце (рис. 45). Входное сопротивление такой линии равно нулю.

Рис. 45. Четвертьволновая линия,			Рис.	46. Четвертьволновая	линия,
	разомкнутая на конце			замкнутая на конце
При	подсоединении к	ее концу		несогласованной	нагрузки
входное сопротивление становится равным ZBX= 4 —					или при
смешанной нагрузке ZBX=		—.		'41
Это		£\\	сопротивление нагрузки транс­
	означает, что большое

формируется в малое входное сопротивление линии, и наоборот. Если подобрать такой отрезок четвертьволновой линии, вол­

новое сопротивление которого р = |/ Z BXZH, то этот отрезок можно применять для согласования линий с различными вол­ новыми сопротивлениями, т. е. линия будет выполнять роль сог­ ласующего трансформатора.

Четвертьволновый трансформатор служит основным согла­ сующим элементом во всех линиях, работающих на одной фик­

сированной рабочей частоте.	конце
Четвертьволновая линия, короткозамкнутая на
(рис. 46). Входное сопротивление такой линии очень	большое
и чисто активное.

54

Такие отрезки нашли применение как колебательные конту­ ры для волн короче 2 м. Такой контур имеет острую резонанс­ ную кривую, так как его добротность Q велика (несколько ты­ сяч) .

Кроме того, отрезки четвертьволновых короткозамкнутых ли­ нии применяются на метровых и главным образом на децимет­ ровых и сантиметровых волнах в качестве металлических изоля­ торов (рис. 47). Возможность такого применения объясняется большим входным сопротивлением указанных отрезков.

/< |4fr

1

Рис. 47. Металлические изоляторы

Полуволновая линия, разомкнутая на конце. Такая линия эквивалентна контуру с последовательным резонансом. При под­ ключении к ее концу сопротивления нагрузки Zn входное сопро­ тивление линии окажется равным ZBX= Z„. Линия эквивалент­ на трансформатору с коэффициентом трансформации, равным единице.

§ 4. Применение отрезков линий

Для передачи электромагнитной энергии СВЧ от передатчи­ ка к антенне и от антенны к приемнику, а также для соедине­ ния отдельных блоков РЛС служат передающие линии, или фи­ деры.

Существуют три основных типа передающих линий: откры­ тая двухпроводная линия, коаксиальный фидер и волновод.

Двухпроводная линия разобрана при рассмотрении длинной линии.

Распределение электромагнитной энергии в фидерах проис­ ходит по тем же законам, что и в длинных линиях.

В радиолокации наиболее часто применяется коаксиальный гибкий фидер, устройство которого и распределение полей в нем представлены на рис. 36, в и 38, а.

Для передачи энергии по фидеру без потерь необходимо со­ гласовать сопротивление фидера и нагрузки, так, чтобы по фи­ деру перемещалась бегущая волна. С этой целью выпускают

55

фидеры с различными волновыми сопротивлениями, которые можно подбирать для различных случаев согласования, или при­ меняют специальные согласующие устройства (четвертьволно­ вые отрезки длинных линий).

Фидеры применяются в линиях метрового и дециметрового диапазонов; на более высоких частотах в них происходят боль­ шие потери, поэтому они непригодны в сантиметровом диапазо­ не волн. Для передачи энергии сантиметрового диапазона при­ меняют волноводы —металлические полые трубы, внутри кото­ рых распространяется электромагнитная энергия. Процесс пе­ редачи этой энергии от источника внутри волновода называют часто возбуждением волновода.

Рис. 48. Образование волновода:

а — присоединение четвертьволновых короткозамкнутых отрез­ ков к линии; б — образование волновода

Работа волновода может быть объяснена следующим обра­ зом. Подключим к двухпроводной линии справа и слева чет­ вертьволновые короткозамкнутые отрезки линий (рис. 48). При­ соединение таких отрезков не повлияет на распространение энергии вдоль линии, так как они являются металлическими изоляторами. Увеличивая количество подключаемых отрезков, получим сплошную трубу прямоугольного сечения: это и будет волновод. Короткозамкнутые четвертьволновые отрезки не поз­ воляют выходить энергии из внутреннего пространства волно­ вода, поэтому потерь на излучение нет. Сечение волновода опре­ деляется диапазоном волн, в котором он применяется: широкая сторона сечения выбирается равной половине длины волны.

Волноводы возбуждаются в широком диапазоне частот; на­ именьшая частота возбуждения называется критической. Конст­ руктивно волноводы могут исполняться различной формы (рис. 49); материалом обычно служит медь, внутреннюю поверх­ ность которой серебрят или кадмируют для улучшения проводя­ щих свойств токопроводящей поверхности.

56

Электромагнитная энергия в волноводе распространяется в результате многократного отражения от его стенок (рис. 50, а). Чем меньше длина волны, тем меньше угол отражения (рис. 50, б). Для волн значительно короче критической условия распространения приближаются к условиям распространения в свободном пространстве, чем обеспечивают образование в вол­ новоде бегущей волны.

Рис. 49. Конструкции волноводов:

а — круглый с яетлей связи; 6 — квадратный со штырем связи; в — прямоугольные со щелью связи

Нагрузкой волноводов служат различного вида антенны или другие потребители энергии. При переходе от волновода к коак­ сиальному фидеру или к нагрузке необходимо осуществить со­ гласование сопротивлений. В первбм случае согласование осу­

ществляется теми же устройствами,										?х
что и возбуждение волновода: пет­
лей (рис. 49, а), штырем (рис.49,б),
щелью	(рис.		49,	б).	При		согласо­
вании	волновода			с	нагрузкой			для		а
устранения		отражения				волны		от
нагрузки или ее компенсации на
небольшом		расстоянии				от	нагрузки
в поперечном			сечении			волновода
устанавливается перегородка (диа­
фрагма), играющая роль реактив­										6
ного мостика.
Если в		этом		поперечном сече­					Рис.	50. Распространение
										волны в волноводе
нии входное			сопротивление					вол­

новода имеет индуктивную реакцию, то необходимо поставить перегородку, подобную показанной на рис. 51, б, сближающую верхнюю и нижнюю грани и, следовательно, эквивалентную ем­ костной проводимости.

57

Если же входное сопротивление имеет емкостную реакцию, то необходимо поставить перегородку (рис. 51, а), эквивалент­ ную индуктивной проводимости. Перегородка нарушает неод­ нородность волновода вполне определенным образом: отражен­ ная от перегородки волна имеет в данном сечении фазу, проти­ воположную фазе волны, отраженной от конца волновода.

В станциях метрового диапазона подключение к антенне обычно производится с помощью симметричного двухпроводного фидера, а радиолокационные приемники, как правило, имеют несимметричный вход н подключаются с помощью коаксиально­

го фидера. Переход от симметричного двухпроводного фидера к несимметричному коаксиальному осуществляется с помощью симметрирующего колена или симметрирующего дросселя.

С и м м е т р и р у ю щ е е к о л е н о (рис. 52, а). В точках а и а' двухпроводного фидера потенциалы по отношению к земле равны по величине и противоположны по фазе. Пути распрост­ ранения бегущих волн потенциала по длинному и короткому участкам колена отличаются на Х/2. В точку 0 волны придут в фазе, благодаря чему создается возможность отводить энергию по коаксиальному фидеру, подключенному к этой точке.

С и м м е т р и р у ю щ и й д р о с с е л ь (рис. 52, б). Здесь за­ дача состоит в том, чтобы ток, подходящий к точке А по прово­ ду 1 двухпроводного фидера, заставить идти далее только по внутренней поверхности наружной оболочки коаксиального фи­ дера. Для этого необходимо создать на наружной поверхности оболочки коаксиального фидера очень большое индуктивное со­ противление для тока (дроссель).

На зачищенную от изоляции часть наружной трубки (или оплетки) коаксиального фидера надевается закороченная ла­ тунная трубка длиной Х/4. Входное сопротивление такой трубки в сечении перехода от двухпроводного фидера к коаксиальному теоретически равно бесконечности. Поэтому ток, поступающий из провода 1, не может течь по наружной поверхности коакси­

58

ального фидера, что и обеспечивает требуемый переход от двух­ проводного фидера к коаксиальному.

О б ъ е м н ы е р е з о н а т о р ы . В участке длинной линии, за­ короченной на концах, возникают стоячие волны, которые под воздействием питающего генератора превращаются в вынужден­ ные незатухающие колебания. Амплитуда этих колебаний ста­ новится наибольшей, если длина линии выбрана в кратных от-

■/•* .			ношениях с длиной волны
			питающего			генератора.
			В этом случае говорят,
			что линия		резонирует		на
			частоте генератора, т.				е.
			работает как			резонирую­
			щая колебательная систе­
			ма.'
			Подобное явление име­
			ет место и в возбужденном
			волноводе,		закрытом		с
			обоих	концов		металличе­
--------т			скими		перегородками.
1 ,, 'У,
——	—-	и
\	~ L	- l
б
Рис. 52. Переход от	двухпроводного		Рис.	53. Объемные резо-
фидера к коаксиальному и обратно				наторы

Электромагнитное поле в таком волноводе благодаря отражени­ ям от концов обязательно приобретает характер стоячих волн не только в поперечном сечении, но и по длине волновода. Ограни­ ченный поперечными отражающими перегородками отрезок вол­ новода превращается в объемный резонатор (рис. 53), который в соответствии с формой поперечного сечения можно подразде­

лить	на	параллелепипедный (рис. 53, а) и цилиндрический
(рис.	53,	б).

Часто объемным резонаторам приходится придавать форму, отличающуюся от правильной геометрической. Это диктуется, например, необходимостью возбуждать резонатор электронным потоком, проходящим сквозь полость резонатора. Для большей эффективности воздействия электронного потока часть полости резонатора сдавливают, приближая противоположные части друг к другу.

Наиболее распространенные типы сдавленных резонаторов представлены на рис. 54. Сдавленные резонаторы приближаются

59