 |
§ 10. 3. Возбуждение волн в волноводах
|
|
|
|
Для возбуждения волн в волноводах и извлечения из них энергии электромагнитных колебаний используются специальные элементы связи.
Наиболее распространенным видом связи является электрическая связь, осуществляемая с помощью симметричного или несимметричного вибратора, вводимого внутрь волновода. Для возбуждения нужного типа волны в волноводе возбудитель, помещенный в нем, должен создавать такое поле, которое совпадает или наибольшим образом приближается к тому полю, которое требуется возбудить. Этот же принцип используется для приемных элементов связи, извлекающих энергию из волновода.
Для возбуждения волны типа Н в волновод вводится штырь, перпендикулярный продольной оси волновода (рис. 10. 12, а), т. е. поперек волновода. Для возбуждения волны типа Е штырь вводится с торца волновода параллельно оси z (рис. 10. 12, 6).
Остановимся подробнее на возбуждении основного типа волны 
в прямоугольном волноводе с помощью штыря. Примером такого возбуждающего устройства является коаксиально-волноводный переход (рис. 10. 13). Для того чтобы энергия поля полностью переходила из коаксиальной линии в волновод, необходимо обеспечить режим бегущей волны в коаксиальном питающем фидере, что имеет место при равенстве входного сопротивления возбуждающего устройства 
волновому сопротивлению фидера 
. Для обеспечения требуемого согласования необходимо правильно подобрать высоту штыря l и его местоположение в волноводе, т. е. расстояние 
от боковой стенки и 
-расстояние от штыря до короткозамыкающего поршня в волноводе.
Рис. 10. 12. Возбуждение волн в прямоугольном волноводе: а - поперечно-электрических; б - поперечно-магнитных
|
|
|
Рис. 10. 13. Возбуждающее устройство прямоугольного волновода: a-к расчету параметров; б-возможная схема построения коаксиально-волновода перехода; I, 3- коаксиальный кабель; 2 – шлейф
В общем случае расчет возбуждения полей в волноводе выполняется с помощью векторных уравнений поля с учетом граничных условий, что вообще сложно. Однако ту же задачу можно решить методом зеркальных изображений (или методом наведенных э. д. с. ). Такой упрощенный метод расчета разработан И. И. Вольманом. При этомметоде расчета полагают, что мощность, излучаемая несимметричным вибратором (штырем), переносится по волноводу только волной основного типа , что обеспечивается соответствующим выбором размеров поперечного сечения волновода. Волны высших типов, также возбуждаемые вибратором и локализованные вблизи него, находятся в полосе непрозрачности волновода; их действие на возбудитель носит чисто реактивный характер, ибо они активной мощности не переносят.
С учетом указанного подхода к решению задачи для входного сопротивления несимметричного вибратора в волноводе, закороченного с одной стороны и согласованного с другой, может быть получено следующее выражение:
где 
- активная составляющая входного сопротивления, определяемая только полем волны основного типа:
- реактивная составляющая, определяемая как полем основного, так и полями высших типов волн:
- постоянная распространения в волноводе;
- волновое сопротивление волновода с волной типа HIO;
- действующая высота вибратора в волноводе;
l - геометрическая высота вибратора;
- реактивная составляющая входного сопротивления вибратора, обусловленная полем основного типа волны;
- реактивная составляющая, учитывающая реактивную мощность, расходуемую на создание полей высших типов волн.
Формула (10. 6) позволяет проанализировать согласование штыря с фидером. Согласование состоит в обеспечении равенства активной части входного сопротивления штыря 
волновому сопротивлению фидера и доведении до нуля суммарного реактивного сопротивления штыря 
.
|
|
|
Составляющие входного сопротивления, обусловленные основным типом волны, в значительной мере зависят как от положения штыря в поперечном сечении, так и от расстояния между штырем и короткозамкнутым концом волновода. Составляющая входного сопротивления 
вследствие концентрации местного поля у самого вибратора мало зависит от перемещения штыря вдоль и поперек волновода. Величина этого реактивного сопротивления зависит от диаметра штыря и его высоты l (обычно 
. Поэтому для обеспечения условий согласования 
и 
необходимо подбирать не менее двух параметров возбуждающего устройства, например, высоту штыря l и расстояние до короткозамыкающего поршня.
Обычно штырь располагают посредине широкой стенки волновода ( 
), а расстояние до короткозамыкающего поршня берут равным четверти длины волны в волноводе. В этом случае реактивная составляющая входного сопротивления, 
(10. 7), а 
достигает максимального значения. Составляющую компенсируют с помощью установки короткозамкнутого шлейфа (рис. 10. 13, б).
Следовательно, настройка возбуждающего устройства производится двумя поршнями. Перемещение поршня в волноводе влияет в основном на 
Изменение же длины, закороченной коаксиальной линии приводит к изменению электрической длины штыря, а, следовательно, и его входного сопротивления. При этом реактивная часть входного сопротивления меняется быстрее, чем активная.
На практике часто обходятся одной регулировкой - изменением . Конструктивное оформление переходных устройств может быть выполнено различным образом.
На рис. 10. 14, а приведен пример широкополосного коаксиально-волноводного перехода с поперечным стержнем, обеспечивающим надежное крепление вертикального штыря и пропускающим большие мощности. Для работы в полосе частот также может быть применен возбуждающий штырь увеличенного диаметра (рис. 10. 14, б), имеющий пестиковую форму для уменьшения торцевой емкости штыря на стенки волновода. Дальнейшим развитием диапазонного возбуждающего устройства является переход " пуговичного" типа (рис. 10. 14, в). Здесь центральный проводник питающей коаксиальной линии оканчивается на противоположной стороне волновода утолщением определенного размера и формы, благодаря чему обеспечивается согласование полных сопротивлений и увеличивается электрическая прочность перехода.
|
|
|
Помимо рассмотренных видов связи существует магнитная связь, осуществляемая введением в волновод металлической петли. На сантиметровых волнах применяется связь в волноводах через отверстия щели в их стенках.
Рис. 10. 14. Широкополосные коаксиально-волноводные переходы: a-переход с поперечным стержнем; б-каплевидный зондовый переход; в- " пуговичный" переход
Если для возбуждения волны основного типа в прямоугольном волноводе используется полосковая линия, то широкополосный переход между ними может быть реализован применением П-образного волновода, имеющего пониженное сопротивление. При этом П-образный волновод получается из обычного прямоугольного волновода путем установки продольного металлического клина длиной 2 ÷ 3 
(рис. 10. 15).
Рис. 10. 15. Широкополосные переходы от волновода к полосковой линии: а - к симметричной полосковой линии; б - к несимметричной линии; 1, 6 - диэлектрики; 2, 3 - металлические клинья; 4 - полосковый проводник; 5 – пайка
|
|
|
