Лекция №12. Согласование линий передачи

.

Рисунок 10.1 – К определению погонного затухания Т-волны в коаксиальном волноводе

В прямоугольном волноводе с воздушным заполнением для основного типа волны Н₁₀:

.

В круглом волноводе для основного типа волны Н₁₁:

.

Рисунок 10.2 – Зависимость затухания от частоты для круглого волновода	Рисунок 10.3 – График затухания в полосковой линии

Из графиков для круглого волновода (см. рисунок 10.2) видно, что диапазон одномодовой работы и диапазон минимального затухания не совпадают. При частоте приближающейся к потери растут за счет уменьшения толщины поверхностного слоя (повышения сопротивления). В прямоугольном волноводе графики выглядят аналогично. Однако для круглого волновода есть исключения волны типа H_om, для этих волн потери неограниченно убывают при увеличении частоты (объясняется это тем, что есть только азимутальные составляющие тока, которые убывают по амплитуде с ростом частоты). При этом существенный выигрыш можно получить при отношении , тогда получаемое затухание 12 дБ/км. Ограничение для других типов волн делают в виде колец или спирали, наносят на металл поглощающую пленку и т.д.

С точки зрения затухания полосковая линия подобна коаксиальной линии. В случае сплошного диэлектрического заполнения затухание в полосковой линии соизмеримо с коаксиальной линией, диаметр внешней оплетки которой равен 2b. Главное отличие от коаксиальной линии в том, что здесь нет оптимального с точки зрения потерь соотношения между размерами проводников (см. рисунок 10.3).

Выбор типа линии и размеров поперечного сечения ведется исходя из заданного значения КПД, максимальной пропускаемой мощности Р_ДОП, работы на единственном типе колебания (одномодовый режим), в заданном диапазоне частот f_MAX-f_{MIN ,} при минимуме вносимых искажений. Линия должна обладать необходимой степенью экранировки (ЭМС), и разумеются конструктивно – экономические факторы (габариты, вес, стоимость и т.д.).

Свободные колебания в объемных резонаторах.

Объемным резонатором называется часть пространства, ограниченная металлической стенкой. В таком объёме могут происходить ЭМ колебания, поэтому на СВЧ он имеет свойства колебательного контура с высокой добротностью:

.

Т.к. резонаторы используют как элементы сложных устройств, соединяемых различными линиями передачи, то обычно их выполняют в виде закороченных отрезков линий передач, соответственно резонаторы могут быть открытого и закрытого типа.

Из уравнений Максвелла следует выражение для частоты ЭМ колебаний:

То есть резонансная частота зависит от структуры поля в резонаторе, его формы и размера. Причём таких частот может быть бесконечное число. Колебание, резонансная частота которого минимальна, называется низшим. Могут существовать вырожденные волны.

Добротность резонаторов определяется формулой: .

Общие потери в резонаторе:

ΔW=ΔW_мет + ΔW_д +ΔW_∑ +ΔW_вн,

где ΔW_вн – энергия, отдаваемая во внешние устройства, ΔW_мет – энергия потерь на металле, ΔW_∑ - энергия, теряемая за счет воздействия радиации, ΔW_д – энергия, теряемая в диэлектрике.

Если нет у резонатора внешнего устройства, которому он отдает энергию, то добротность ненагруженного резонатора называется – собственной добротностью:

и

.

Энергия потерь в металлических оболочках определяется:

и

.

Структуры полей определяются числом вариаций не только по поперечным координатам, но и по продольной координате. При этом чтобы различать типы волн используют третий индекс: Н_mnp, E_mnp, T_p, HЕ_mnp. Р – число стоячих полуволн вдоль продольной оси, при этом для Е , для остальных .

Например, в прямоугольном резонаторе один из основных типов Н₁₀₁ (см. рисунок 10.4), причём эта структура не отличается от структуры Е₁₁₀, эти два колебания – вырожденные.

Рисунок 10.4 – Волна типа Н101 в прямоугольном резонаторе	Рисунок 10.5 – Волна типа Е010 в цилиндрическом резонаторе

Резонансная длина волны в прямоугольном резонаторе для волн Е и Н

,

добротность этого колебания (с учетом металла):

.

На практике добротность в сантиметровом диапазоне достигает нескольких десятков тысяч.

В цилиндрическом резонаторе резонансная длина волны:

,

.

Наиболее часто на практике используют Е₀₁₀,Н₁₁₁,Н₀₁₁. Особенность колебания Е₀₁₀ состоит в том, что резонансная длина волны не зависит от L, поэтому можно делать малогабаритные резонаторы, его добротность

.

Использование колебания Н₀₁₁ обусловлено тем, что у этого колебания очень малые потери, что соответствует добротности сотни тысяч (реально несколько меньше), например, при . Что позволяет использовать его в качестве высокочастотного волномера.

Рисунок 10.6 – Коаксиальный резонатор	Рисунок 10.7 – Разновидности тороидальных квазистационарных резонаторов

У коаксиального резонатора (см. рисунок 10.6):

,

.

Для уменьшения геометрической длины коаксиального резонатора между центральным проводником и короткозамкнутой пластиной оставляют зазор. Ширина зазора выбирается меньше четверти длины волны, чтобы концентрация Е в зазоре была максимальна. Резонансной будет частота, на которой и определяется из равенства:

,

где Z _B -волновое сопротивление коаксиальной линии.

Добротность у такого резонатора меньше, чем у обычного резонатора.

Когда требуется взаимодействие электромагнитного колебания с электронным потоком, используется тороидальный квазистационарный резонатор (рисунок 10.7) или магниронный резонатор (рисунок 10.8).

Характерная особенность квазистационарных резонаторов – четко выраженное разделение электрических и магнитных полей. Это позволяет рассматривать такие резонаторы как колебательные контуры с сосредоточенными параметрами: .

Рисунок 10.8 – Магнитронный резонатор	Рисунок 10.9 – Резонатор бегущей волны

Для тороидального квазистационарного резонатора:

,

.

Для ячейки магнитронного резонатора:

.

Существуют резонаторы (рисунок 10.9), в которых явление резонанса имеет место в режиме бегущей волны (свёрнутая в кольцо линия передачи её длина должна быть кратна числу ).

Добротность нагруженного резонатора на практике проще определить из формулы: .

Время затухания колебаний: t(за это время энергия уменьшится в 100 раз).

Согласование состоит в полной или частичной компенсации отраженной волны. Независимо от характера и типа согласующего устройства (СУ), а также полосы частот, где оно обеспечено, схема согласования имеет вид изображенный на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1 – Схема согласования

Назначение СУ - устранить отраженную волну.

Существует два метода согласования:

1) Поглощение отраженной волны в СУ. При этом падающая волна проходит без потерь (или с малыми потерями).

2) Создают в линии еще одну волну, амплитуда которой равна по величине амплитуде волны, отраженной от нагрузки и сдвинута по фазе на 180⁰.

В основе первого метода лежит использование мостовых схем или независимых устройств. Эти устройства поглощают отраженную волну независимо от вида нагрузки и, так как эти устройства широкополосны, то решается проблема широкополосного согласования произвольных нагрузок. Недостаток – относительно большие потери падающей волны и полная потеря энергии отраженной волны – низкий КПД.

СУ второго типа это, как правило, набор реактивных элементов практически не вносящих потери, эти устройства многократно, переотражая отраженную волну, обеспечивают ее поглощение нагрузкой (т.е. СУ надо помещать как можно ближе к нагрузке, чтобы избежать потери в линии). Недостаток – ограниченная полоса пропускания – тем уже, чем жестче требования к КСВ. Ограничений по полосе нет, только если сопротивление нагрузки чисто активное.

Дата добавления: 2014-01-05