- •Свч линии передачи
- •1. Общие указания
- •1.1. Цель работы
- •1.2. Основные сведения о волноводах
- •2. Домашние задания и методические указания по их выполнению
- •3. Вопросы к домашнему заданию
- •4. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы по выполненной работе
- •1. Общие указания
- •1.1 Цель работы
- •1.2. Краткие сведения о волноводной измерительной линии
- •2. Домашние задания и методические указания по их выполнению
- •3. Вопросы к домашним заданиям
- •4. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению
- •5. Содержание отчета
- •6. Контрольные вопросы по выполненной работе
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»
Кафедра радиоэлектронных устройств и систем
Свч линии передачи
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам №1, 2 по дисциплине
«Электродинамика и распространение радиоволн»
для студентов специальности 210302 «Радиотехника»
очной и заочной форм обучения
РШ
Воронеж 2009
Составители: канд. техн. наук В.И. Филатов,
канд. техн. наук И.А. Филатов.
УДК 621.385.6
СВЧ линии передачи: методические указания к лабораторным работам
№1, 2 по дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн» для
студентов специальности 210302 «Радиотехника» очной и заочной форм обучения / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. В.И. Филатов, И.А. Филатов. Воронеж, 2009. 29 с.
Методические указания содержат домашние и лабораторные задания; даны рекомендации по их выполнению. С целью проверки знаний студентов приведены контрольные вопросы.
Табл. 8. Ил. 9. Библиогр. 5 назв.
Рецензент канд. техн. наук, доц. З.Н. Федорова
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.С. Балашов
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© ГОУВПО «Воронежский государственный
технический университет», 2009
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ВОЛНОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА С РЕАКТИВНЫМИ ДИАФРАГМАМИ
1. Общие указания
1.1. Цель работы
Цель работы - исследование параметров и характеристик волноводных трактов при включении в них реактивных согласующих диафрагм различного типа, обучение студентов навыкам работы с СВЧ измерительными приборами. Для выполнения лабораторной работы студентам предоставляются следующие приборы и принадлежности:
1) СВЧ генератор качающейся частоты 61;
2) аттенюатор;
3) измерительная СВЧ линия;
4) реактивный волноводный шлейф;
5) короткозамыкатель;
6) стрелочный индикатор типа М242;
7) набор реактивных согласующих диафрагм;
8) штангенциркуль (для измерения геометрических размеров диафрагм);
9) отвертка.
При выполнении лабораторной работы необходимо руководствоваться общими правилами техники безопасности. Кроме того, при пользовании СВЧ приборами нужно следить за тем, чтобы СВЧ колебания не излучались в окружающее пространство в местах соединения волноводных элементов. Прежде, чем произвести сборку или разборку волноводного тракта на отдельные составные части, что требуется по условиям выполняемой работы, необходимо выключить СВЧ сигнал или полностью обесточить используемую лабораторную установку.
1.2. Основные сведения о волноводах
В диапазоне сантиметровых волн, а также в высокочастотной части
дециметрового и низкочастотной части миллиметрового диапазонов широкое применение для передачи СВЧ энергии и сигналов нашли устройства, которые принято называть волноводами.
Радиоволновод - или просто волновод - это устройство, которое «ведет» волну в нужном направлении. Конструктивно волновод представляет собой в простейшем случае полую трубу прямоугольного или круглого сечения, изготовленную из хорошо проводящего материала (медь, латунь, алюминий и др.) Поперечные сечения волноводов такого типа изображены на рис. 1, где а, b - наибольший и наименьший размеры поперечного сечения прямоугольного волновода, D - диаметр круглого волновода.
Наряду с этими волноводами, которые по конфигурации можно отнести к выпуклым волноводам, находят применение волноводы вогнутого сечения. Примерами волноводов подобного типа являются Н- и П- образные волноводы, сечения которых представлены на рис. 2,
где а', в'- размеры в суженной части сечений волноводов.
Волноводы имеют следующие преимущества перед другими линиями передачи.
Активные потери в металле минимальны, так как в волноводе отсутствует внутренний провод, имеющийся в коаксиальной линии, а стенки волновода образуют проводящую поверхность при большом поперечном сечении.
В волноводе, как и в коаксиальной линии, электромагнитные волны сосредоточены между проводящими поверхностями, а поэтому потерь на излучение нет.
В волноводе отсутствует диэлектрическое наполнение и, следовательно, отсутствуют потери в диэлектрике.
Предельная мощность высокочастотных колебаний, передаваемых по волноводу, значительно больше, чем в коаксиальной линии. Это объясняется тем, что в волноводе отсутствует внутренний проводник, уменьшающий расстояние между проводящими поверхностями, от которого зависит допустимое напряжение в линии передачи, следовательно, и передаваемая мощность.
Волновод отличается большой механической прочностью и жесткостью, что обеспечивает высокую стабильность его электрических параметров.
Достоинством волноводов является также возможность осуществления по ним эффективной передачи широкого спектра весьма высоких частот с малым затуханием сигналов и хорошей защищенностью их от помех.
К недостаткам волноводов относятся:
наличие критической длины волны при данном поперечном сечении
волновода;
сложность изготовления, поскольку внутренняя поверхность стенок волновода должна быть тщательно отполирована и для уменьшения потерь покрыта хорошо проводящим металлом (обычно стенки волновода с внутренней стороны серебрят);
возможность возникновения и распространения нежелательных (паразитных) типов волн;
громоздкость размеров волноводов в дециметровом диапазоне и уменьшение пробивной прочности в миллиметровом диапазоне;
наличие дисперсионных свойств, то есть зависимости скоростей распространения энергии и фазы волны от частоты передаваемых колебаний, что приводит к частотным искажениям сигналов.
Принципиальная возможность передачи энергии и сигналов высокой частоты с помощью волноводов может быть показана следующим образом. Предположим, что имеется двухпроводная линия (рис. 3), вход которой подключен к источнику энергии, а выход - к нагрузке, представляющей собой активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Кроме того, подключим к проводникам линии сверху и снизу четвертьволновые короткозамкнутые отрезки, которые будут иметь в точках а и б сопротивление, равное бесконечности, вследствие чего эти отрезки не будут оказывать никакого влияния на процесс передачи энергии по линии.
Число отрезков (шлейфов) может быть различным. В пределе
при увеличении числа отрезков они сольются в сплошную конструкцию, ограничивающую пространство с четырех сторон и называемую прямоугольным волноводом.
Поскольку передача энергии возможна по двухпроводной линии, то возможна она и по волноводу.
Изучение процесса распространения волн по волноводу сводится к решению уравнений Максвелла при наложении определенных граничных условий. Решение этих уравнений дает пространственное распределение составляющих векторов электромагнитного поля во внутренней полости волновода и одновременно показывает, что в нем могут существовать лишь только электрические и магнитные волны (раздельно или совместно).
Электрические волны отличаются тем, что у них вектор напряженности магнитного поля имеет только поперечную составляющую, а вектор напряженности электрического поля, помимо поперечной, имеет также продольную составляющую, то есть составляющую в направлении распространения волны.
Магнитными называют волны, у которых вектор напряженности электрического поля имеет только поперечную составляющую, а вектор напряженности магнитного поля имеет как поперечную, так и продольную составляющую.
Электрические волны обозначают буквой Е, а магнитные - буквой Н с добавлением внизу к этим символам индексов: m, n , т.е. Еmn и Нmn. В прямоугольном волноводе индексы m, n указывают число стоячих полуволн, укладывающихся соответственно вдоль наибольшего и наименьшего размеров поперечного сечения.
Для прямоугольного волновода основной (низшей) является волна типа Н10, при которой критическая длина волны оказывается максимальной, а размеры и масса волновода будут минимальными. Минимальными будут и потери.
Каждой из волн соответствует своя критическая длина волны, определяемая соотношением:
Для Н10 λкР =2а. Волны с λ > λкР по волноводу не распространяются.
Распространение электромагнитных волн вдоль волновода характеризуется фазовой и групповой скоростями. Фазовая скорость определяет только скорость перемещения вдоль оси волновода точек поля, находящихся в одинаковой фазе. Эта скорость не является скоростью движения материи и поэтому она может быть больше скорости света. Передача энергии вдоль волновода характеризуется групповой скоростью, которая не может превышать скорость света.
Поскольку фазовая скорость в волноводе оказывается больше скорости света, то длина волны в волноводе, определяемая расстоянием между точками поля, находящимися в одинаковой фазе, будет больше, чем в свободном пространстве. Длина волны в волноводе определяется формулой:
где λ - длина волны в воздушном пространстве (или вакууме).
Волну, распространяющуюся в волноводе от источника энергии к
нагрузке, называют падающей, а волну, распространяющуюся в обратном направлении, - отраженной.
Характер распределения поля вдоль оси волновода зависит от величины и характера нагрузки.
При н = RН =ρ по волноводу распространяются только бегущие волны, энергия в этом случае полностью поглощается нагрузкой и отраженных волн не будет. В режиме бегущей волны амплитуда поля неизменна по всей длине волновода, что обеспечивает меньшую опасность пробоя и независимость входного сопротивления линии от ее длины. При бегущих волнах передача энергии происходит с минимальными потерями.
Стоячие волны в волноводе возникают тогда, когда он на своем конце
либо замкнут накоротко, либо разомкнут, либо нагружен на чисто реактивное сопротивление, т.е.
где Хн - сопротивление реактивной нагрузки.
При стоячих волнах в идеальном случае энергия полностью отражается от конца волновода и поэтому амплитуды падающей и отраженной волн будут равными. В действительности при открытом конце волновода это равенство несколько нарушается, так как часть энергии будет излучаться в пространство.
В режиме стоячих волн амплитуды напряженности элегического и магнитного полей вдоль волновода распределяются по определенному закону, не изменяющемуся во времени.
При нагрузке волновода на активное, не равное волновому, или на комплексное сопротивление в волноводе устанавливается режим комбинированных волн, причем справедливо равенство:
(4)
Здесь при комплексной нагрузке величина RH может быть любой, в том числе и равной ρ, но отличной от нуля и бесконечности.
При рассмотрении структуры электромагнитных полей в волноводах следует учитывать, что электрические силовые линии подходят к стенкам волновода практически перпендикулярно, поскольку потери в них малы; магнитные силовые линии вблизи стенок располагаются параллельно их поверхности, причем в плоскости поперечного сечения волновода электрическое и магнитное поля имеют всегда характер стоячих волн.
Распределение напряженности поля (например, электрического) вдоль волновода в режиме бегущих, стоячих и комбинированных волн характеризуется коэффициентом бегущей волны Кбв, под которым понимают отношение минимальной напряженности поперечной составляющей электрического поля к ее максимальному значению:
По величине Кбв, можно судить о степени согласования волновода с
нагрузкой.
Наряду с коэффициентом бегущей волны в технике СВЧ широко используется и обратная ему величина, называемая коэффициентом стоячей волны Ксв:
Таким образом, КбвּКсв=1.
Коэффициент Кбв может принимать значения от нуля до единицы, a Kсв от единицы до бесконечности.
Режим работы волновода характеризуется также коэффициентом отражения, модуль которого равен отношению амплитуд отраженной и падающей волн:
Величину ׀P׀ можно вычислить через коэффициент Кбв и Ксв по
формулам:
Совершенно ясно, что Кбв и Кcв могут быть выражены через ׀P׀:
Величина ׀P׀ изменяется в пределах от 0 до 1, а Р от -1 до +1.
В волноводной технике для характеристики отражения наиболее часто используется Ксв. Режим бегущей волны соответствует Ксв, равному 1, а режиму стоячей волны - Ксв, равный бесконечности. Обычно считают, что нагрузка хорошо согласована с волноводом, если измеренный Ксв < 1,05 1,2; удовлетворительно согласована, если Ксв ≤1,05÷1,2, и не согласована, если
Kсв ≥5÷10.
Вообще любые неоднородности волноводного тракта могут создавать отражения. Это свойство и используется для согласования: около нагрузки помещают такую неоднородность, чтобы отраженная от нее волна была равна по величине и противоположна по фазе волне, отраженной от нагрузки, что приводит к взаимной компенсации обеих отраженных волн. На участке от согласующей неоднородности до генератора будет существовать только бегущая волна и лишь на небольшом участке от нагрузки до неоднородности волна будет комбинированной.
Для согласования оконечной нагрузки с волноводом или отдельных элементов волноводного тракта между собой широко используется волноводные диафрагмы.
Волноводная диафрагма - это помещенная поперек волновода тонкая металлическая пластинка с отверстием. При правильном выборе размеров прямоугольного отверстия диафрагма может быть согласована с волноводом.
Для использования в качестве элементов согласования пригодны индуктивная и емкостная диафрагмы, показанные на рис. 4 и рис. 5.
У индуктивной диафрагмы размер а' меньше размера широкой стенки волновода, а размер в равен размеру его узкой стенки.
У емкостной диафрагмы размер в' меньше в, а размер а равен размеру широкой грани волновода. Меняя размеры диафрагм можно в широких пределах изменять их эквивалентные сопротивления. Однако в процессе работы производить регулировку диафрагм невозможно. Это, наряду с узкополосностью, является их недостатком.
Иногда находят применение также индуктивно-емкостные диафрагмы, или резонансные окна (рис. 6).
Более часто волноводные окна используются в виде согласованных
нагрузок. Подобрав размер окна и закрыв его тонким слоем диэлектрика (стекло, слюда), можно получить неотражающий узкополосный вывод СВЧ
энергии. Применяется такое устройство там, где в отпаянных электровакуумных приборах СВЧ необходимо вывести энергию в вакуумную часть прибора от внешней, невакуумной.