Устройства СВЧ и антенны. Техническая электродинамика и устройства СВЧ. Устройства СВЧ: Методические указания к лабораторным работам, страница 5

На рис. 12 кривая 1 – распределение амплитуды электрического поля при закороченном волноводе; кривая 2 – при подключенной нагрузке. Для увеличения точности определения  и  необходимо пользоваться описанным выше методом «вилки».

2.4. Методы согласования линии передачи с нагрузкой

В практике находит широкое применение метод согласования, впервые предложенный В.В. Татариновым в 1931 году, суть которого заключается в следующем. Между любыми сечениями линии передачи, где имеет место  и , имеется такое сечение, в котором нормированная вещественная составляющая эквивалентной проводимости  равна 1, а нормированная реактивная составляющая равна . Если в такое сечение линии передачи (в нашем случае в волноводе), ближайшее к нагрузке, ввести неоднородность с эквивалентной реактивной проводимостью противоположного знака, т.е. , то волновод в рассматриваемом сечении будет нагружен на согласованную нагрузку и во всем волноводе (до подключенной неоднородности вместе с нагрузкой) установится режим бегущей волны.

Рассмотрим алгоритм определения параметров согласующего устройства с помощью круговой диаграммы полных сопротивлений (рис. 10). Прежде всего необходимо найти сечение волновода, в котором =1. Для этого с помощью измерительной линии ИЛ измеряем  (или ). Затем через точку А (см. рис. 13), соответствующую значению измеренного  и расположенную на диаграмме на нижней части ее главного диаметра, проводим горизонтальную линию до пересечения ее с окружностью, являющейся геометрическим местом точек значений активных нормированных сопротивлений с величиной =1.

Рис. 13

При этом образуются две точки:  и . Обе находятся на одинаковых расстояниях от минимума электрического поля, выбираемого за начало отсчета. Заметим, что через те же точки проходят дуги окружностей, являющихся геометрическим местом точек равных значений реактивных проводимостей. Поэтому величина нормированной реактивности  в искомом сечении известна. Координаты искомых сечений в долях длин волн  определяются по шкале на внешней окружности диаграммы и находятся как точки пересечения со шкалой радиусов круга диаграммы, проходящих через точки  и . Ближайшее сечение от нагрузки, где =1 связано с точкой , где значение реактивной составляющей полной проводимости имеет положительный знак (т.е. имеет емкостный характер). В точке  имеет отрицательный знак (т.е. индуктивный характер). Компенсация реактивной проводимости в одном из указанных сечений волновода обеспечивается подключением неоднородности, эквивалентная проводимость которой равна по величине и противоположна по знаку. К примеру, если =4 см; =0,54, то =0,078 (отсюда =3,12) и =±1,28 (см. пояснения на рис. 13). Те же результаты получаются, если известна величина модуля коэффициента отражения . В качестве согласующих неоднородностей в технике СВЧ широко используются диафрагмы и штыри. Технологически и конструктивно более удобен на практике реактивный штырь, представляющий собой круглый металлический стержень, располагаемый в волноводе параллельно его узкой стенке, как это показано на рис. 14.

Рис. 14

Там же видно, как изменяется эквивалентная схема реактивного штыря в зависимости от его относительных размеров. Совокупность нескольких таких штырей образуют решетчатую диафрагму, которая находит широкое применение в технике СВЧ и как согласующее устройство и как элемент фильтра и т.п. Согласование с помощью одного штыря (т.е. одна неоднородность) является узкополосным и используется чрезвычайно редко (в технике СВЧ такое согласующее устройство называется согласующим трансформатором). При использовании более широкополосных согласующих трансформаторов: двух и трех штыревых, расстояния между штырями берется соответственно равным  и . Использование штыревых трансформаторов снижает электрическую прочность волновода из-за уменьшения вместе включения штыря размера  волновода, т.е. увеличению в этом сечении напряженности электрического поля. С этой точки зрения лучше использовать волноводные шлейфные согласователи, которые в настоящем цикле лабораторных работ не изучаются.

РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

И МЕТОДОВ СОГЛАСОВАНИЯ ЕЕ С НАГРУЗКОЙ

1. Цель работы

Изучение конструкций волноводной линии передачи отдельных ее элементов и узлов. Приобретение практических навыков исследования структуры поля и режимов работы линии передачи. Овладение методами согласования линии передачи с нагрузкой. Ознакомление с принципами действия и электрическими характеристиками измерительных приборов.

2. Краткие сведения из теории

Волновод – это металлическая труба, внутри которой распространяются электромагнитные волны. Форма поперечного сечения волновода определяет тип волны. Волноводы преимущественно применяются в сантиметровом и реже в миллиметровом и дециметровом диапазонах волн. Для изготовления волноводов применяются медь, латунь, алюминий – материалы, обладающие малыми потерями. Волноводы по сравнению с двухпроводной линией обладают рядом преимуществ:

1.  Электромагнитное поле полностью сосредоточено во внутренней полости волновода, поэтому индукционные потери и потери на излучение отсутствуют.

2.  Из-за отсутствия в волноводе второго провода, а также диэлектрических и металлических изоляторов, уменьшаются потери и возрастает уровень допустимой передаваемой мощности при одинаковых размерах поперечного сечения с коаксиальной линией.

3.  Имеют более простую конструкцию.

В волноводах могут распространяться Е– и Н–волны, которые делятся на бесконечное множество типов волн  и . Возможность передачи высокочастотной энергии по волноводу можно показать, проведя аналогию с двухпроводной линией. Если к двухпроводной ленточной линии с шириной проводника  присоединить в нескольких местах по ее длине в поперечном сечении по два четверьволновых металлических изолятора (рис. 15), то это не повлияет на процесс распространения электромагнитного поля вдоль проводов, т.к. входное сопротивление таких изоляторов, как известно из курса основ теории цепей, равно бесконечности.

Рис. 15