3.23 Распространение ЭМВ в линиях конечной длины

Обрыв линии передачи, подключение нагрузки и т. п. - эквивалентно изменению граничных условий.

На конце линии образуется новая структура поля отвечающая новым граничным условиям. Это изменение трактуют как появление в линии, кроме основной (падающей) волны, волны, распространяющейся от конца к началу (отраженной), причем, если линия работает в одномодовом режиме, то структура отраженной волны не отличается от падающей.

Коэффициент отражения в любом сечении линии:

.

Наличие отраженной волны приводит к изменению входного сопротивления отрезка линии.

КПД - отношение активной мощности Р_Н , выделяемой в нагрузке к активной мощности, подводимой ко входу: =Р_Н/Р.

Если в линии режим бегущей волны (R_Н=Z_В), то .

Е и Н связаны через сопротивление линии и =е^-2LZ1-2LZ.

Если нагрузка не согласована, надо учитывать отражение:

.

После подставки: =е^-2LZ(1-R²).

Из графика, там, где потери малы, для различных КБВ почти совпадают (LZ<0,1).

В диапазоне КВ особой степени согласования не надо и допустимы значения КБВ?0,3 0,5.

В диапазоне СВЧ КБВ0,80,9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возбуждение ЭМ колебаний

Для возбуждения ЭМК в линиях передачи необходимо вводить специальные устройства - носители сторонних источников (токов, зарядов и полей).

Эти устройства называют - возбуждающие устройства (ВУ).

В большинстве случаев, это различные модификации электрического и магнитного вибраторов.

Из теоремы единственности следует, что задав функцию распределения сторонних источников и граничные условия, можно однозначно определить структуру поля. Это накладывает ограничения на конструкцию возбуждающего устройства и его положение в линии передачи.

Точное распределение сторонних источников задать практически не возможно, единственный критерий правильности - совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Основные требования к ВУ.

ВУ должно обеспечивать эффективное возбуждение желаемого типа волны и, по возможности, должно затруднять возбуждение всех других типов волн.

Коэффициент отражения от возбуждающего устройства должен быть минимальным в нужной полосе частот.

ВУ должно иметь электрическую прочность, достаточную для пропускания необходимой мощности.

Вибратор - это короткозамкнутый отрезок однопроводной линии с косинусоидальным распределением тока, которая теряет энергию на излучение.

В общем случае входное сопротивление вибратора комплексное.

Активная часть характеризует мощность, отдаваемую волне Н, реактивная часть - реактивная мощность полей в близи вибратора.

Желательно, чтобы мнимая часть была равна 0, а активная - равна волновому сопротивлению коаксиальной линии.

Полная мощность, отдаваемая штырю коаксиальной линией: .

Входное сопротивление:

Размещено на http://www.allbest.ru/

r₀ - радиус вибратора.

По этой формуле, как показывают расчёты, сопротивления коаксиальной линии значительно больше. Снизить сопротивление можно, либо сместив штырь к боковой стенке, либо существенно увеличив его толщину, это, кроме того, позволяет уменьшить индуктивное по характеру реактивное сопротивление линии.

Часто в широкополосных устройствах используют ВУ пестиковой формы.

Т.к. вибратор по обе стороны от себя возбуждает синфазные электрические поля почти равной амплитуды, то пока он расположен по центру, он может возбуждать только колебания типа Н₁₀,Н₃₀,Н₅₀…., а чётные не возбуждает.

Общее для волноводов правило:

Для эффективного возбуждения в волноводе с любой формой поперечного сечения одного из типов волн электрический вибратор необходимо помещать: 1) параллельно силовым линиям электрического поля волны желаемого типа; 2) в сечениях близких к пучности электрического поля этой волны.

Если пучностей несколько - можно помещать вибраторы в каждую с учётом фазового сдвига.

Чтобы обеспечить распространение энергии в одном направлении, надо обеспечить отражённую волну в фазе с прямой.

Расстояние l выбирают с учётом того, что на металле R = -1.

Рамка с током

Обычно периметр рамки выбирают много меньше.

Отверстия связи

Через отверстие в боковой оболочке часть силовых линий ЭМП ответвляется и возбуждает ЭМП в соседнем пространстве.

Отверстия эквивалентны одновременно штырю и рамке.

Размеры отверстий, как правило, берут значительно меньше , чтобы не нарушать структуру в основном волноводе.

Причём два волновода не обязательно одинакового сечения.

Элементы СВЧ трактов

Волноводные тройники

Н - плоскостное разветвление на эквивалентной схеме представляется параллельным соединением линий, так как продольные токи на широких стенках в месте соединения разветвляются на два направления.

Направление электрического вектора не меняется.

В то же время, разветвление представляет собой неоднородность и, следовательно, здесь будут возбуждаться поля высших типов - реактивное сопротивление (Х), в зависимости от соотношения между л и a x в, может быть, индуктивного или ёмкостного характера.

Т - образное разветвление в плоскости Е имеет то свойство, что при переходе энергии из плеча 1 в 2-3, фазы в них противоположны, но мощность делиться пополам (нагрузки согласованные).

При подаче мощности в любое другое плечо, она в общем делиться не поровну за счёт неоднородности и, чтобы обеспечить симметрию, надо использовать либо диафрагмы, либо штыри, либо ступенчатые трансформаторы.

Из сравнения Н и Е тройников следует, что у Н - больше Р_пред, а у Е шире полоса частот, но при этом они оба узкополосные.

Основные свойства волноводного тройника.

Если А и Б нагружены на одинаковые нагрузки (не обязательно согласованные), находящиеся на одинаковом расстоянии, то при подаче в Г мощность, которая делиться поровну между А и Б и не поступает в В, т.е. плечи В и Г развязаны.

Энергия из плеча В делиться между А и Б и поступает в противофазе.

Из плеча Г в плечи А, Б в фазе.

При возбуждении плеч А и Б в плече Г - сумма амплитуд, в плече В - разность.

При подключении к любым трём плечам согласованных нагрузок, четвёртое плечё также оказывается согласованным.

Сочленение отрезков линий передачи

Для упрощения ремонта и транспортировки волноводные тракты делают разборными.

Даже едва заметный зазор в линиях приводит к ощутимым отражениям в тракте.

Излучение через зазор приводит к увеличению потерь и паразитным связям (в том числе отрицательное влияние на обслуживающий персонал).

Сопротивление контакта малая, но конечная величина, а при поверхностных токах порядка 300А (при Р=Р_пред и л=10см) количество энергии выделяемой на нём очень значительно.

Обычно применяют контактные и дроссельные сочленения.

При контактном - качество определяется точностью механической обработки. Иногда между фланцами вводят контактные прокладки с пружинящими лепестками, для герметизации - специальные резиновые прокладки.

Коэффициент отражения в промышленных образцах не более 0,001 при потерях 0,01 дБ во всей рабочей полосе частот.

Недостаток - стоимость и ухудшение качества при неоднократных разборках и сборках из-за окисления.

Структура на l₂ -H₁₁ в коаксиальной линии: l₂ = л/4.

На участке l₁- х_ф = х_Т-типа = с, то есть l₁= л₀ /4 и сопротивление R₅ >R₁₂.

Недостаток - узкополосность.

KCB ? 1.05

?f/f₀ =±15%

l₁= л₀ /4

l₂ = л_H11 /4

Элементы конструкций линий передачи СВЧ

Для сборки и разборки используют специальные разъёмы.

Необходимые свойства разъёмов:

Разъёмы должны обеспечивать надежный электрический контакт;

Они не должны снижать электрическую прочность;

Не должны вносить значительных отражений в тракт;

Должны обеспечивать требуемый уровень электрогерметичности.

В волноводах используют:

1.Неподвижные прямые соединения.

для коаксиальных линий, в виде ВЧ штепсельных разъёмов (фишек).

Герметизацию обычно обеспечивают резиновой прокладкой, а надежный электрический контакт - применением пружинных юбок на внешнем и внутреннем проводах соединения.

для волноводов неподвижные прямые соединения, называют фланцами. Неразборные фланцы выполняют с помощью муфт и последующей пайкой.

У наиболее простых контактных разборных фланцев главный недостаток, что при частых сборках и разборках они мало надежны.

В этих случаях применяют контактные фланцы с мягкими (лепестковыми) прокладками или бесконтактные дроссельно-фланцевые соединения.

Затор между гладким фланцем и выточкой образует плоскую радиальную линию, в которой распространяется волна типа Т, возбужденная продольными точками на широких стенках разорванных зазором между волноводами.

Длина радиальной линии, на конце её гальванический контакт между фланцами: l /4.

Кольцевая выточка - отрезок коаксиальной линии, закороченный на конце.

2. Подвижные соединения.

Подвижные соединения позволяют смещать и поворачивать в небольших пределах одну часть фидерного тракта относительно другой.

К числу подвижных соединений относят гибкие волноводы: нерезонансные и резонансные.

Нерезонансные или гофрированные стенки, или навитые спирально с зацеплением гусеничного типа.

Резонансный или панцирный волновод состоит из последовательного ряда дроссельных секций в виде шайб толщиной л/4. Шайбы крепятся в резиновом кожухе.

3.Вращающиеся сочленения.

Назначение - обеспечение невозмущенной передачи ЭМЭ (без модуляции за счет вращения) при непрерывном круговом вращении одной части фидерного тракта относительно другой.

В основном вращающиеся сочленения соединяют круглые волноводы и коаксиальные линии с полем обладающим круговой симметрией Е₀₁ ,Н₀₁,Т и др.

Коаксиальные (из отрезков жестких коаксиальных линий).

Два основных типа:

1. контактное - при малых скоростях вращения и низких мощностях в МВ, СМВ, ДМВ.

2. бесконтактное (дроссельное).

Общая длина л/2 и в точках Б не требуется контакта, его даже может не быть в точках С (это приведет только к незначительному увеличению излучения), т.к. в точках А идеальный металлический контакт не нужен и А трансформирует в Б.

2. Волноводные обычно содержат переход от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому с симметричной волной и наоборот и устройство вращения одной части круглого волновода относительно другой.

Волна Е₀₁ создаёт сильные продольные токи и требует дроссельного сочленения. Волна Н10 продольных токов не имеет и более удобна.

В местах перехода возникает отражённая волна и, если расстояние между переходами кратно целому л/2, то возникает резонанс, причем, если он для нужного типа Е₀₁, то это не страшно, т.к. условия передачи ЭМЭ несколько улучшаются, но если для Н₁₁, то будет идти её усиление.

Значит надо длину перехода выбирать с одной стороны: L = nл_Е01/2,

с другой: L = (2n+1) л_Н11/4, где n = 1,2,3,…. при этом Н₁₁-гаситься.

Чем короче переход, тем шире полоса пропускания, но при этом возможна непосредственная связь между основными волноводами, что приведёт к модуляции при повороте..

Чтобы обеспечить вращение, круглый волновод рассекают перпендикулярно оси и обеспечивают контакт как в дроссельном сочленении в КЛ. Достаточно часто используют коаксиально-волноводные сочленения (шарик на зонде призван для увеличения полосы пропускания и допустимой мощности).

Изгибы и скрутки линий передач СВЧ

Используются при изменении направления передачи ЭМЭ и соединяют прямые отрезки линий передач.

Выполняются и в виде отдельных узлов и в виде изгибов цельного отрезка линии.

Простые уголки без компенсации в практических конструкциях применяются лишь в тех случаях, когда угол поворота не превышает 30⁰

Реактивность, вносимая в линию простым уголком любого типа, представляется эквивалентной схемой в виде Т-образного четырехполюсника.

В прямоугольном волноводе, в Н - плоскости, в основном индуктивное сопротивление в Е - плоскости - ёмкостное.

Простые уголковые переходы приводят к рассогласованию за счет образования высших типов волн в области изгиба.

Емкость можно уменьшить, если уменьшить размер центрального проводника.

Подрезанный изгиб (под углом 45 градусов) или подобный скругленный очень часто применяют на практике.

Плавный изгиб дает, как правило, лучшие результаты, но его длина больше чем у подрезанного.

Плавный изгиб эквивалентен однородному отрезку линии с несколько иным волновым сопротивлением и, если его длину выбрать равной л/2, то изгиб действует как полуволновой трансформатор и рассогласование очень мало независимо от радиуса изгиба и его волнового сопротивления.

В изгибе с двойным изломом улучшение согласования достигается за счет уменьшения отражений от каждого из изломов и взаимной компенсации отраженных волн от каждого из них. Для этого расстояние l выбирают примерно лв/4.

Кстати, этот метод возможен при выполнении скруток, длину скруток берут л/2 и они почти не вносят отражения.

В изогнутом волноводе волновое сопротивление несколько больше, чем в прямой линии.