 |
§ 10. 5. Взаимные согласующие устройства в волноводных трактах
|
|
|
|
§ 10. 5. ВЗАИМНЫЕ СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В ВОЛНОВОДНЫХ ТРАКТАХ
Для передачи наибольшей мощности от генератора к антенне иди от антенны к приемнику в волноводах необходимо обеспечить режим бегущей волны, что достигается применением различных согласующих устройств. На СВЧ согласование особенно важно, так как такие генераторы СВЧ, как магнетроны, ЛБВ, могут нормально работать, если в волноводах КБВ> 0, 65.
В основу согласования положены те же принципы, что и в длинных линиях. Элементы согласования - реактивные шунты и трансформаторы сопротивлений. Реактивные шунты выполняются в виде короткозамкнутых шлейфов, диафрагм, подстроечных штырей.
Короткозамкнутые реактивные шлейфы
Реактивный волноводный шлейф — это отрезок волновода, замкнутый накоротко подвижным поршнем. В качестве шлейфа обычно берут волновод того не поперечного сечения, что и основной. Реактивное входное сопротивление шлейфа определяют так же, как шлейфа на длинных линиях.
Рис. 10. 18. Т-образные волноводные тройники: а - Н- и Е-волноводные тройники; б - приближенные эквивалентные схемы тройников с учетом только основного типа волны 
; в - точные эквивалентные схемы, учитывающие высшие типы волн в разветвлении волноводов; 1 - 3 - входы разветвлений
На рис. 10. 18, а показаны два способа включения волноводных шлейфов для волны типа НIO в прямоугольной волноводе. В первом случае включение шлейфа вызывает изменение пути поперечных токов основного типа волны (параллельное включение реактивного сопротивления), во втором случав включение шлейфа изменяет путь продольных токов, текущих по стенкам волновода (последовательное включение реактивного сопротивления) (рис. 10. 18, б).
|
|
|
Таким образом, основой для построения реактивных шлейфов служат Т-образные волноводные разветвления или, как их еще называют, Н- и Е-волноводные тройники. При расчете Н-и Е-волноводных тройников их обычно представляют в виде эквивалентных шестиполюсников (рис. 10. 18, в); Такие эквивалентные схемы, учитывающие высшие типы волн в месте разветвления, справедливы при определенном выборе клеммных плоскостей (рис. 10. 18, а). При смещении последних эквивалентные схемы изменяются.
С учетом короткозамкнутого шлейфа фиксированной длины шестиполюсные схемы переходят в схемы четырехполюсников: Т-образную схему для Н-тройника и П-образную схему для Е-тройника.
Место включения шлейфа определяют по формулам длинных линий. Для согласования используют либо один шлейф, местоположение которого можно менять в основном волноводном тракте, либо два или даже три неподвижных шлейфа.
Недостатками подобных реактивных шлейфов являются усложнение конструкции, а также увеличение габаритов тракта. Поэтому чаще всего их используют в лабораторных условиях.
Диафрагмы и подстроечные реактивные штыри
Наибольшее распространение в качестве согласующих устройств в волноводных трактах на СВЧ получили диафрагмы и штыри, устанавливаемые в волноводах в определенных сечениях. Диафрагма или штырь вызывают в волноводе отраженную волну, амплитуду и фазу которой можно подобрать так, чтобы компенсировать волну, отраженную от нагрузки.
Диафрагмы - тонкие поперечные проводящие перегородки, частично перекрывающие сечение волновода. Различные типы диафрагм, используемых в прямоугольных волноводах, и их эквивалентные схемы приведены на рис. 10. 19.
Диафрагмы, показанные на рис. 10. 19, а, уменьшают зазор между широкими стенками волновода. В зазоре концентрируются преимущественно силовые линии электрического поля и локализуется некоторый запас электрической энергии. Таким образом, диафрагмы вносят в линию, эквивалентную волноводу, шунтирующую емкость. В случае диафрагмы, показанной на рис. 10. 19, б, за счет частичного замыкания поперечных токов волновода через пластины диафрагмы- запасается избыточная магнитная энергия, связанная с этими токами. Поэтому такая диафрагма вносит в линию шунтирующую индуктивность.
|
|
|
Рис. 10. 19. Диафрагмы в прямоугольном волноводе и их эквивалентные схемы: а - симметричная и несимметричная емкостные диафрагмы; б - симметричная и несимметричная индуктивные диафрагмы; в - резонансная диафрагма: г, д - эквивалентные схемы индуктивной и емкостной диафрагм конечной толщины
Более сложная диафрагма (рис. 10. 19, в) эквивалентна параллельному соединению индуктивности и емкости и соответствует включению в линию параллельного колебательного контура. При определенных соотношениях между размерами выреза а' , b' и длиной волны этот контур настроен в резонанс и не шунтирует волновод (нормированная проводимость диафрагмы равна нулю).
В случае диафрагм конечной толщины их эквивалентные схемы усложняются (рис. 10. 19, г, д).
Реактивная проводимость симметричной индуктивной диафрагмы, нормированная относительно волновой проводимости волновода, при 
определяется приближенным выражением
Используя теорию длинных линий, можно показать, что в случае параллельного индуктивного шунта абсолютная величина его нормированной проводимости
где КБВ - коэффициент бегущей волны в волноводе.
С учетом последнего соотношения для расчета величины окна d индуктивной диафрагмы получаем
Аналогичным путем при можно получить приближенную расчета емкостной диафрагмы:
Диафрагмы включаются на расстоянии l1 от пучности напряженности электрического поля в сторону генератора при индуктивной диафрагме и в сторону нагрузки - при емкостной диафрагме, определяемом по уже известной из теории длинных линий формуле
Индуктивная диафрагма предпочтительнее, так как она практически не снижает пропускаемую мощность, поскольку расстояние между широкими стенками волновода остается неизменным. В емкостной диафрагме расстояние между широкими стенками волновода уменьшается, вследствие чего величина пропускаемой мощности снижается.
|
|
|
Диафрагмы в круглых волноводах принципиально не отличаются от диафрагм в прямоугольных волноводах. Для примера на рис. 10. 20 показана диафрагма с круглым отверстием, проводимость которой при волне типа 
имеет индуктивный характер, а при волне типа 
- емкостной.
Рис. 10. 20. Диафрагма в круглом волноводе
Системы резонансных (или нерезонансных) диафрагм используют для создания волноводных частотно-избирательных фильтров, а также в качестве составных частей СВЧ разрядников и коммутаторов. Недостаток таких диафрагм - трудность регулирования величины реактивной проводимости.
Наряду с диафрагмами в волноводах используют сосредоточенные реактивности (подстроечные реактивные штыри) в виде металлических штырей, соединенных с широкой стенкой волновода и располагающихся вдоль линий электрического поля основного типа волны (рис. 10. 21, а). Токи проводимости, затекающие с широкой стенки волновода на штырь, переходят затем в токи смещения, которые, достигнув нижней стенки волновода, снова превращаются в токи проводимости. Такое явление приводит к тому, что воздействие штыря на волновод проявляется на эквивалентной схеме в шунтировании тракта последовательным колебательным контуром (рис. 10. 21, б). При малой глубине погружения штыря ( 
) проводимость шунтирующего контура имеет емкостной характер, что и обусловило название штыря - емкостной штырь.
Рис. 10. 21. Подстроечные реактивные штыри в волноводе: а-емкостной штырь; б-его эквивалентная схема; в-индуктивный штырь; г-его эквивалентная схема
На резонансной частоте, когда 
, штырь ведет себя как закорачивающая перемычка (проводимость шунтирующего контура равна бесконечности). При дальнейшем увеличении глубины погружения штыря ( 
) проводимость шунтирующего контура на эквивалентной схеме приобретает индуктивный характер. Индуктивный штырь обычно выполняют в виде проводника круглого сечения, соединенного с верхней и нижней широкими стенками волновода. Вид такого штыря и его эквивалентная схема приведены на рис. 10. 21, в, г. Последовательные емкостные сопротивления, присутствующие на эквивалентных схемах, учитывают конечность толщины штырей. При малых диаметрах штырей эти сопротивления малы и ими можно пренебречь.
|
|
|
Для обеспечения согласования тракта при любых неоднородностях и фиксированном положении реактивного шунта вдоль оси волновода размещают три емкостных штыря переменной высоты на расстоянии 
друг от друга (рис. 10. 22).
Рис. 10. 22. Перестраиваемое согласующее устройство в виде трех штырей в волноводе
Индуктивные штыри подобно индуктивным диафрагмам почти не снижают электрической прочности волновода. Они более технологичны и часто применяются вместо индуктивных диафрагм в согласующих устройствах и конструкциях частотно-избирательных фильтров.
Емкостные штыри, как и емкостные диафрагмы, существенно снижают электрическую прочность.
|
|
|
