Техническая электродинамика Черенков (Кривець)

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

121

Приложение С

ВОЛНОВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА С.1. Типы, назначение и параметры волноводных устройств

Волноводные устройства (узлы) представляют собой отдельный конструктивный блок с одним, двумя или более плечами (входами). Они предназначены для возбуждения, передачи, разделения, преобразования структуры электромагнитных волн, модуляции, детектирования, фильтрации электромагнитного сигнала и пр.

Волноводные устройства, соединяющие, например, антенну с генератором или приёмником, образуют волноводный тракт.

В технике СВЧ используется большое количество волноводных устройств. Ниже приведены названия и назначение некоторых из них.

Контактные и дроссельные фланцы, используемые для соединения волноводных секций друг с другом.

Волноводные изгибы, используемые для поворота волноводной линии. Гибкие волноводы, используемые в тех волноводных трактах, которые в

процессе работы подвержены вибрации.

Адаптерные переходы, используемые для соединения прямоугольного и коаксиального волноводов.

Волноводные скрутки, используемые для поворота в пространстве плоскости поляризации волны H10 прямоугольного волновода.

Трансформаторы типов волн, предназначенные для преобразования одного типа волны в другой (например, трансформатор волны H10

прямоугольного волновода в волну H11 круглого волновода).

Реактивные элементы (диафрагмы, штыри, стержни), используемые для создания отражённой волны в волноводе, для построения волноводных фильтров.

Короткозамкнутые поршни, предназначенные для регулирования длины короткозамкнутого отрезка волновода.

Фазовращатели, используемые для изменения электрической длины отрезка линии передачи.

Поглощающие оконечные нагрузки, предназначенные для полного поглощения мощности волны, распространяющейся по волноводу.

Аттенюаторы реактивного, поглощающего и поляризационного типов, предназначенные для ослабления мощности электромагнитных волн, распространяющихся по линиям передачи.

Преобразователи поляризации, предназначенные для изменения поляризации волны, распространяющейся в линиях передачи.

122	ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Волноводные разветвления, используемые для разветвления волновода на два или большее число каналов.

Направленные ответвители, предназначенные для ответвления части падающей (или отражённой) волны в волноводе в вспомогательный волновод.

Устройства СВЧ с применением pin-диодов, применяемые в регулирующих устройствах (например, переключатели, фазовращатели).

Устройства СВЧ с намагниченным ферритом (невзаимные

фазовращатели, вентили, циркуляторы и др.).

Объемные резонаторы, которые играют роль резонансных контуров в СВЧ диапазоне. Объемные резонаторы используются, например, при создании частотомеров и фильтров в диапазоне высоких частот.

Свойства любого волноводного узла полностью характеризуются

волновой матрицей рассеяния порядка n

	S11	S12	...	S1n
[S ] =	S21	S22	...	S2n	.
	...	...	...	...
	Sn1	Sn 2	...	Snn

Порядок матрицы [S ] равен числу плеч волноводного узла. Элементы матрицы Sik , i, k = 1,2,3,..., n в общем случае являются комплексными и имеют следующий смысл. Элементы главной диагонали Sii представляют собой

комплексные коэффициенты отражения от i-го плеча, когда все остальные плечи нагружены на согласованные нагрузки; остальные элементы Sik – это

коэффициенты передачи по мощности из i-го плеча в k-е плечо.

Рассмотрим подробнее устройство, принцип действия и параметры некоторых, названных выше, волноводных узлов.

С.2. Направленный ответвитель

Направленный ответвитель (НО) – представляет собой два связанных прямоугольных волновода с общей стенкой (основной и вспомогательный), в которой имеются отверстия связи. НО предназначены для ответвления во вспомогательный волновод части падающей (или отражённой) волны, распространяющейся в основном волноводе.

Принцип действия НО легко понять из рассмотрения рис. С.1. На этом рисунке изображено продольное сечение НО, состоящего из двух одинаковых прямоугольных волновода с общей стенкой. В общей стенке имеются два одинаковых отверстия связи, расположенных на расстоянии λв 4 друг от

друга. Назовем верхний волновод основным, а нижний волновод – вспомогательным. Если по основному волноводу слева направо распространяется волна, то она возбуждает во вспомогательном волноводе (через отверстия связи) волны a , b , c и d . Рассмотрим волны a и b , бегущие

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

123

в вспомогательном волноводе слева направо, т.е. в плечо 4. Эти волны имеют одинаковые амплитуды и фазы, так как проходят одинаковые пути, и, следовательно, складываются. Обозначим мощность в согласованной нагрузке плеча 4 через Р4.

			λв	4
Р1		Основной волновод
							Р2
					а P4
Р3		с
		d			b

Рисунок С.1 – К принципу действия направленного ответвителя

Рассмотрим теперь волны, бегущие во вспомогательном волноводе справа налево, т.е. в плечо 3 (волна c от левого отверстия, волна d – от правого). В любом сечении эти волны имеют сдвиг фаз, равный 180°, так как их пути отличаются на λв 2 , поэтому напряжённости полей этих волн

вычитаются. Обозначим мощность на выходе плеча 3 через Р3.

Если расстояние между отверстиями в точности равно λв 4 и амплитуды

волн в точности равны между собой (идеальный случай), то волны будут компенсировать друг друга и мощность Р3 в нагрузке плеча 3 будет равна нулю.

Пусть теперь в основном волноводе волна распространяется справа налево, тогда во вспомогательном волноводе существует волна только на выходе плеча 3. Таким образом, рассмотренное устройство позволяет выделить из двух волн, бегущих в основном волноводе навстречу друг другу, отдельно волну прямого и обратного направления.

Основными характеристиками направленного ответвителя являются.

1. Переходное ослабление, определяемое как

		P
	L = 10 lg	1	[дБ],
		P4
где P1 – мощность волны, распространяющейся по основному волноводу слева
направо;	P4 – мощность волны, распространяющейся по вспомогательному
волноводу слева направо;
2.	Направленность, которая характеризует отношение мощности P4 к

мощности P3 в том случае, когда в основном волноводе имеется только волна, распространяющаяся слева направо

124	ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

N = 10 lg P4 [дБ].

P3

3.Коэффициент стоячей волны (КСВ) (см. приложение D) или коэффициент бегущей волны (КБВ) со стороны каждого плеча.

4.Полоса рабочих частот, которая определяется как полоса частот, в пределах которой характеристики направленного ответвителя удовлетворяют наперед заданным условиям.

С.3. Волноводная поглощающая нагрузка

Волноводная поглощающая нагрузка представляет собой короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода с плоским соединительным фланцем (рис. С.2). Внутри волновода расположен специальный материал 1, который поглощает энергию электромагнитной волны. В качестве поглощающего материала используют графит, феррит и др. Заполнение волновода поглотителем производится таким образом, чтобы обеспечить плавный переход от незаполненного к заполненному волноводу, что обеспечивает хорошее согласование поглощающей нагрузки с волновым сопротивлением волновода.

1

1

1

Рисунок С.2 – Поглощающие нагрузки

Основными параметрами волноводной поглощающей нагрузки являются: КСВ (КБВ) и полоса рабочих частот.

С.4. Волноводная детекторная секция

Волноводная детекторная секция представляет собой короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода с плоским соединительным фланцем (рис. С.3). На рис. С.3 показано продольное и поперечное сечение секции.

Д

Д

Рисунок С.3 – Детекторная секция

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

125

Внутри волновода на расстоянии l ≈ λв 4 от его закороченного конца

расположен кристаллический высокочастотный детектор Д, который выпрямляет ток, наведенный волной, бегущей по волноводу. Обычно величина выпрямленного тока пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля в месте расположения диода. Подключив детектор (с помощью соединительного кабеля) к измерительному усилителю, можно измерить величину, пропорциональную мощности волны в волноводе. Кристаллический детектор крепится внутри волновода с помощью специального гнезда. Для настройки детекторной секции на максимум КБВ при изменении частоты генератора или типа диода используется подвижная стенка, закорачивающая волновод. Основными параметрами детекторной секции являются: КБВ и полоса рабочих частот.

С.5. Волноводные аттенюаторы

Волноводные аттенюаторы – это устройства, предназначенные для ослабления мощности сигналов, передаваемых по линии передачи.

Возможны два способа ослабления проходящей мощности: путём отражения части волны обратно к генератору или за счёт поглощения части мощности в поглощающем элементе. Для отражения той или иной доли падающей мощности применяются реактивные элементы без потерь, включаемые в линию, согласованную по входу. Второй способ ослабления осуществляется в проходных элементах с большими активными или диэлектрическими потерями.

Основными параметрами аттенюаторов являются:

1. Затухание (ослабление), вносимое аттенюатором, которое определяется

A = 10 lg Pвх [дБ],

Pвых

где Pвх , Pвых – мощность на входе и соответственно на выходе аттенюатора.

2.Зависимость затухания от частоты.

3.Начальное затухание A0 (для переменных аттенюаторов).

4.Коэффициент бегущей волны в рабочей полосе частот.

В диапазоне СВЧ, при необходимости получения большого ослабления, часто используют реактивный аттенюатор, получивший название запредельный (или предельный), представляющий собой отрезок волновода длиной l , который работает в области частот, лежащих ниже критической частоты.

Из теории волноводов известно, что на частотах ниже критической, векторы поля имеют постоянную фазу, а их амплитуды убывают вдоль волновода по экспоненциальному закону. Затухание, вносимое запредельным аттенюатором пропорционально длине l и практически не зависит от частоты.

Достаточно широкое распространение получили на практике аттенюаторы поглощающего и поляризационного типов.

126	ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Поглощающие аттенюаторы представляют собой нагрузки в виде диэлектрических пластин (стекло, фарфор и др.) с нанесённым на их поверхность поглощающим материалом (графит, нихром, платина и др.).

На рис. С.4 показано поперечное сечение двух типов конструкций поглощающих аттенюаторов. На этих рисунках приведено распределение

амплитуды вектора E волны Н10 в поперечном сечении волновода, а через 1 и 2 обозначены поглощающие пластины.

В одной конструкции поглощающие пластины 1 и 2 расположены параллельно узкой стенке прямоугольного волновода. Если по волноводу распространяется волна Н10, то на пластинках наводится ток (пластины параллельны вектору напряженности поля волны Н10). Это приводит к поглощению части мощности волны, распространяющейся по волноводу. Меняя расстояние между пластинами и узкой стенкой волновода можно в значительных пределах изменять величину затухания, вносимого аттенюатором. Затухание меняется потому, что изменяется величина плотности тока, наведенного на пластинах

( j = σE ).

В другой конструкции, приведен-

1

ной на рис. С.4, поглощающая пластина 1

1

2

вводится в волновод через узкую щель,

прорезанную посреди широкой стенки

волновода. При этом меняется величина

Рисунок С.4 – Аттенюаторы

затухания, вносимого аттенюатором, так

поглощающего типа

как изменяется площадь пластины, на

на прямоугольном волноводе

которой наводится ток.

Аттенюаторы поглощающего типа

могут

быть как с переменным

ослаблением, так и с фиксированным. Преимущества поглощающих аттенюаторов – относительная простота конструкции. Недостаток – наличие зависимости затухания от частоты.

Поляризационный аттенюатор (рис. С.5) состоит из отрезка цилиндрического волновода круглого сечения 1 и двух переходов 2 с круглого сечения волновода на прямоугольное (на входе и выходе).

		1
2		2
3	3	3
Рисунок С.5 – Поляризационный аттенюатор

Внутри волновода 1 и в каждом переходе 2 расположены поглощающие пластины 3. Центральная часть – круглый волновод вместе с пластиной – могут поворачиваться вокруг продольной оси волновода.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

127

На входе аттенюатора волна H10 прямоугольного волновода преобразуется с помощью перехода 2 в волну H11 круглого волновода. На выходе производится обратное преобразование.

Когда плоскости всех трёх пластин совпадают, то вектор E падающей волны перпендикулярен к поверхности поглощающих пластин, ток в пластинах не наводится и поглощения нет.

Пусть средняя пластина повёрнута на угол θ относительно крайних

пластин. В этом случае имеется проекция вектора E на пластину в круглом волноводе, следовательно в пластине возникает ток и часть энергии проходящей волны будет преобразовываться в тепловую энергию, рассеиваемую в пластине. Изменяя угол наклона пластины θ в круглом волноводе, можно изменять величину ослабления проходящей волны.

Максимальное ослабление имеет место при θ = 90° .

С.6. Волноводные тройники

Волноводные тройники используются в линиях передачи СВЧ в том случае, когда появляется необходимость разветвления волновода на два или более канала. Такая задача возникает, например, при питании нескольких антенн от одного источника электромагнитных колебаний.

В прямоугольном волноводе для решения этой задачи используют различные типы тройников. Рассмотрим следующие из них:

–Е-тройник представляет собой разветвление прямоугольного волновода

вплоскости вектора E волны H10 прямоугольного волновода (рис. С.6,а);

–Н-тройник представляет собой разветвление прямоугольного волновода в

плоскости вектора H волны H10 прямоугольного волновода (рис. С.6,б);

– двойной волноводный тройник представляет собой двойное разветвление прямоугольного волновода (в плоскости векторов E и H волны H10 пря-

моугольного волновода) (рис. С.6,в); Из рис. С.6 видно, что: Е-тройник имеет три плеча (Е-плечо и два боковых));

Н-тройник имеет также три плеча (Н-плечо и два боковых); двойной волноводный тройник имеет четыре плеча (Е-плечо, Н-плечо и два боковых плеча).

Е-плечо Е-плечо

Н-плечо

Н-плечо

а)

б)

в)

Рисунок С.6 – Волноводные тройники

128	ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Пусть двойной волноводный тройник является идеально симметричным и волноводы плеч тройника работают в одноволновом режиме. Тогда он обладает следующими свойствами:

1. При питании тройника со стороны Е-плеча в согласованных нагрузках боковых плеч выделяется одинаковая мощность, а в согласованной нагрузке Н- плеча мощность не выделяется. При этом волны в боковых плечах находятся в противофазе.

2. При питании тройника со стороны Н-плеча в согласованных нагрузках боковых плеч выделяется одинаковая мощность, а в согласованной нагрузке Е- плеча мощность не выделяется. При этом волны в боковых плечах находятся в фазе.

3. При синфазном питании двойного волноводного тройника со стороны боковых плеч мощность выделяется только в согласованной нагрузке Н-плеча. В нагрузке Е-плеча мощность не выделяется.

4. При противофазном питании двойного волноводного тройника со стороны боковых плеч мощность выделяется только в согласованной нагрузке Е-плеча. В нагрузке Н-плеча мощность не выделяется.

Отмеченные свойства тройника имеют место только в том случае, когда в плечах тройника может распространяться только волна типа Н10. Эти свойства легко доказать, опираясь на симметрию тройника и структуру поля волны Н10.

Дважды согласованным тройником называется тройник, у которого отсутствуют отражённые волны от места разветвления волноводов (плоскость симметрии тройника). Для этой цели в месте разветвления располагают реактивные элементы (штырь в Н-плече, а диафрагма в Е-плече), подобранные таким образом, чтобы отражённые от реактивных элементов волны компенсировали волны, отражённые от разветвления.

Дважды согласованный тройник обладает следующим свойством. При питании тройника со стороны одного из боковых плеч в согласованных нагрузках Е-плеча и Н-плеча выделяется одинаковая мощность, а в согласованной нагрузке другого бокового плеча мощность не выделяется.

Отметим, что в литературе двойной волноводный тройник называют также, как Т-мост или как магическое Т.

Основные параметры двойного волноводного тройника:

1. Развязка между Е-плечом и Н-плечом. Определяется по следующей формуле:

КЕН = 10 lg PН , дБ,

PЕ

где PE – мощность волны, распространяющейся в Е-плече в сторону плоскости симметрии тройника; PH – мощность, выделяемая в согласованной нагрузке Н- плеча;

2. Развязка между Н-плечом и Е-плечом (КНЕ ). Определяется также, как и величина КЕН с заменой Е-плеча на Н-плечо:

	ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА			129
3. Развязка между боковыми плечами. Определяется по следующей
формуле:
	К12 = 10 lg	P2	, дБ,
		P
	1
где P1 –	мощность волны, распространяющейся в одном из боковых плеч в
сторону	плоскости симметрии тройника; P2 – мощность,			выделяемая в

согласованной нагрузке другого бокового плеча.

4. Коэффициент бегущей волны в том плече тройника, со стороны которого производиться его питания.

С.7. Волноводно-щелевой мост

Волноводно-щелевой мост представляет собой направленный ответвитель с одним отверстием связи. Размеры отверстия связи таковы, что при питании моста, например, со стороны плеча 1 мощность, выделяемая в согласованных нагрузках плеч 2, 3 и 4 распределяется следующим образом. В нагрузках плеч 2 и 4 (см. рис. С.1) мощность одинакова, в нагрузке плеча 3 мощность минимальна (в идеальном щелевом мосте в нагрузке плеча 3 мощность не выделяется).

Волноводно-щелевой мост можно характеризовать такими же параметрами, как и направленный ответвитель. При этом величина переходного ослабления равна 3 дБ.

В литературе волноводно-щелевой мост принято также характеризовать величиной развязки между плечами моста. Величина развязки определяется так же, как и для двойного волноводного тройника. Очевидно, что величина развязки между плечами 1 и 2 связана с величиной направленности моста

Отметим, что волна, распространяющаяся в плече 4 волноводно-щелевого моста, отстает по фазе на π2 от волны в плече 2.

С.8. Адаптерный переход

Адаптерный переход представляет собой устройство, предназначенное для соединения коаксиального кабеля с волной Т и прямоугольного волновода с

волной Н10.

Адаптерный переход представляет собой короткозамкнутый отрезок прямоугольного волновода с плоским соединительным фланцем. Внутри волновода на расстоянии l ≈ λв 4 от его закороченного конца расположен зонд

(отрезок проводника), ориентированный перпендикулярно широкой стенке

волновода (параллельно вектору E волны Н10). Зонд является продолжением внутреннего проводника коаксиального кабеля, который входит через отверстие в широкой стенке волновода, расположенное примерно на ее

130	ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

середине. Наружный проводник кабеля соединяется непосредственно с внешней поверхностью широкой стенки волновода.

Размеры поперечного сечения кабеля и волновода, а также рабочая частота выбираются такими, чтобы кабель и волновод работали в одноволновом режиме. В этом случае при рассмотрении принципа работы адаптерного перехода можно рассматривать только основные типы волн в кабеле и волноводе, так как в этом случае высшие типы волн распространяться не могут.

Работу адаптерного перехода можно рассматривать как со стороны кабеля, так и со стороны волновода. Пусть в кабеле распространяется Т-волна. В зонде, являющемся продолжением внутреннего проводника кабеля, течет ток, который в волноводе возбуждает (в принципе) как основную, так и высшие типы волн, распространяющиеся от зонда в обе стороны. Так как зонд расположен посредине широкой стенки, то основная волна (волна Н10) возбуждается с наибольше возможной амплитудой (посредине широкой стенки

амплитуда вектора E волны Н10 также максимальна). Основная волна, идущая от зонда в направлении стенки волновода, отражается от нее и складывается в фазе с волной, распространяющейся от зонда в другом направлении. Эта волна «набирает» фазу 3600 за счет скачка фазы в 1800 при отражении от стенки (коэффициент отражения равен минус единице) и за счет изменения фазы на 1800 при прохождении расстояния λв 2 (от зонда до стенки и обратно). Таким

образом, волна Т кабеля преобразуется (трансформируется) в волну Н10 прямоугольного волновода.

При питании адаптерного перехода со стороны волновода рассмотрение его принципа работы проводится аналогично.

Основными параметрами адаптерного перехода являются коэффициент передачи, КБВ и полоса рабочих частот. Настройка адаптерного перехода на максимальный коэффициент передачи (с учетом взаимного влияния зонда и стенок волновода) производится путем небольшого изменения положения зонда относительно стенок волновода. Для расширения полосы рабочих форма зонда выполняется в виде капли (каплевидная форма). Для настройки адаптерного перехода на максимум КБВ при изменении частоты генератора используется подвижная стенка, закорачивающая волновод.

С.9. Ферритовые вентили

Волноводные устройства, рассмотренные в разделах С.2 … С.8, удовлетворяют принципу взаимности, одним из следствий которого является следующее. Пусть к одному из плеч устройства подключен генератор, а к другому – поглощающая нагрузка. При этом в нагрузке выделится некоторая мощность. Если поменять местами генератор и нагрузку, то мощность в нагрузке не измениться.