Электромагнитные поля и волны. Часть 2 (Направляющие системы СВЧ-диапазона. Регулярные волноводы. Колебательные системы СВЧ. Общая теория цепей СВЧ)

Федеральное агентство Связи

Хабаровский институт инфокоммуникаций (филиал)

ГОУ ВПО

«Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

Микрюков М. И.

Электромагнитные поля и волны

Часть 2

Хабаровск 2005

           Содержание

стр.

1 Направляющие системы СВЧ – диапазона  3

1.1 Требования к линиям передачи  4

1.2 Классификация линий передачи  5

1.3 Типы волн в направляющих системах 12

2 Общие свойства электромагнитных волн в направляющих системах  14

3 Регулярные волноводы 28

3.1 Прямоугольный волновод 28

3.2 Круглый волновод 34

3.3 Эллиптический волновод  37

3.4 Коаксиальный круглый волновод  39

3.5 Полосковые линии  43

3.6 линии поверхностной волны   49

3.7 Возбуждение волноводов  56

3.8 Токи в стенках волноводов  59

4 Колебательные системы СВЧ   62

4.1 Свободные гармонические колебания  63

4.2 Коаксиальный резонатор  69

4.3 Прямоугольный резонатор  71

4.4 Цилиндрический резонатор  73

4.5 Полосковый резонатор  75

4.6 Проходной резонатор  76

4.7 Прочие типы резонаторов  78

5 Направленные ответвители и мостовые схемы   81

6 Невзаимные устройства СВЧ   91

6.1 Ферритовые вентили  97

6.2 Ферритовые фазовращатели  101

6.3 Ферритовые циркуляторы   103

7 Фильтры СВЧ   106

8 Общая теория цепей СВЧ   111

8.1 Цепь СВЧ (Тракт СВЧ) 111

8.2 Согласование в линиях передачи  117

Список литературы   125

1 Направляющие системы СВЧ – диапазона

Направляющей системой в соответствии с ГОСТ называют систему или устройство, состоящее из одного или более проводников, металлических поверхностей, диэлектрических сред различной формы поперечного сечения ограничивающих область распространения электромагнитных волн (ЭМВ) и направляющих поток электромагнитной энергии в нужном направлении к потребителю. Направляющую систему называют также линией передачи, т. к. она соединяет источник электромагнитной энергии и потребитель ее, то есть полезную нагрузку. ЭМВ в системах связи используют для передачи информации, поэтому линия передачи соединяет источник информации с получателем.

1.1 Требования к линиям передачи

Качество передаваемой информации по линии передачи во многом определяется свойствами линии передачи, поэтому к ней предъявляются особые требования, основные из них:

- регулярность, в таких линиях передачи в продольном направлении не изменяется поперечное сечение и электромагнитные свойства заполняющих среду;

- малое затухание в линии энергии ЭМВ, что обеспечивает высокий КПД линии и достаточный уровень сигнала для качественного приема на конце участка линии связи;

- достаточно высокую электрическую прочность, при этом не должен возникать электрический пробой и температурный нагрев линии

- экономическая целесообразность, определяемая умеренными поперечными размерами, малым весом, доступными материалами, конструкцией и технологией производства.

В зависимости от системы, в которой используется линия передачи, значимость требований изменяется. Для систем связи, передаваемые мощности не значительны, поэтому требование высокой электрической прочности ослаблено.

1.2 Классификация линий передачи

В зависимости от конструктивного исполнения все линии передачи могут быть выполнены жесткими, не допускающими упругого или пластичного изгиба, и гибкими, которые наматывают на барабан. По числу проводящих поверхностей линии передачи классифицируют по порядку связности их поперечного сечения. Если одна поверхность – односвязная, две – двухсвязная система, четыре четырехсвязная и т. д. Если нет металлической поверхности, то нулевая связность, это диэлектрический волновод. Принята и закреплена ГОСТами терминология, определяющая длины волн и частоты электромагнитных колебаний (таблица 1.1)

Таблица 1.1

Длина волн	Частота	Термины
100…10 км 10…1 км 1000…100 м 100…10 м 10…1 м 100…10 см 10…1 см 10…1 мм 1…0,1 мм	3…30 кГц 30…300 кГц 300…3000 кГц 3…30 МГц 30…300 МГц 300…3000 МГц 3…30 ГГц 30…300 ГГц 300…3000 ГГц	Мириаметровые волны Километровые волны Гектометровые волны Декаметровые волны Метровые волны Дециметровые волны Сантиметровые волны Миллиметровые волны Децимиллиметровый диапазон	Очень низкие частоты (ОНЧ) Низкие частоты (НЧ) Средние частоты (СЧ) Высокие частоты (ВЧ) Очень высокие частоты (ОВЧ) Ультра высокие частоты (УВЧ) Сверх высокие частоты (СВЧ) Крайне высокие частоты (КВЧ) Гипервысокие частоты (ГВЧ)

В таблице диапазон СВЧ определен от 3 до 30 ГГц, однако на практике считают диапазон СВЧ от 300 МГц до 3000 ГГц.

В  зависимости от конструктивных особенностей и материалов, из которых изготовлена линия передачи их, классифицируют следующим образом (рисунок 1.1).

   

Рисунок 1.1

Любую линию передачи можно называть также волноводом, это общее название всех линий. Однако под волноводом чаще подразумевают закрытые линии передачи.