Учебные вопросы: 1. Закрытые волноводы. 2. Объемные резонаторы. Тема 1. «Линии передачи электромагнитных волн». «Волноводы и объемные резонаторы» Время: 2 аудиторных часа 1 «Элементная база радиотехнических устройств» Групповое занятие №3
2 Цель занятия: 1. Изучить назначение, конструкцию и особенности распространения электромагнитной энергии в закрытом волноводе.
Основная литература: [1]. Белоцерковский, Г. А. Основы радиотехники и антенны / Г. А. Белоцерковский. - М. : Советское радио, – 1969. Ч. 1 : Основы радиотехники. – 432 с. Стр. 362 – 396. 3
Коаксиальная линия С повышением частоты увеличивается сопротивление внутреннего провода из-за поверхностного эффекта. Увеличение диаметра внутреннего провода может привести к пробою. Увеличение диаметра обоих проводов ведет к увеличению габаритов.
Приставим к проводам линии передач сверху и снизу отрезки линий закороченных на конце длиной λ /4. Так как их входное сопротивление Z ВХ =∞, то это не приведет к изменению физических процессов в линии.
Если увеличить количество таких отрезков до бесконечности, то они образуют стенку трубы-волновода. Такая конструкция не препятствует распространению бегущих волн в продольном направлении и создает стоячие волны в поперечном сечении.
Особенности и преимущества волноводов В волноводе электромагнитные волны сосредоточены между проводящими поверхностями потерь на излучение нет. В волноводе отсутствует диэлектрическое наполнение нет диэлектрических потерь. В волноводе отсутствует внутренний провод, значительно упрощается конструкция, уменьшается опасность пробоя можно передать большую мощность ). Внутреннюю поверхность металлических волноводов покрывают серебром или золотом для лучшей проводимости.
1. Закрытые волноводы Закрытым волноводом называется линия передачи, имеющая одну или несколько проводящих поверхностей, с поперечным сечением в виде замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Закрытые волноводы: а) прямоугольного сечения; б) круглого сечения.
Волноводы весьма критичны к длине волны колебаний. Передача электромагнитной энергии возможна если λ < λ КРИТ. Предельный случай при котором еще возможно распространение энергии вдоль волновода соответствует равенству λ /4 =а /2 следовательно λ КРИТ =2а. Если a < λ/2, то высота перемычек становится меньше, чем λ /4, их входное сопротивление резко уменьшается, в бегущие волны вносится большое затухание и передача энергии вдоль волновода становится практически невозможной.
Электромагнитные волны обычно возбуждаются в волноводе небольшим излучателем в виде короткого металлического стержня, располагаемого посередине широкой стороны волновода. Излученные им волны достигают стенок волновода, где они возбуждают колебания свободных электронов. Их колебания, в свою очередь, создают излучение - отраженную волну, и т.д.
Граничные условия: Магнитные силовые линии у поверхности проводника с током параллельны этой поверхности Электрические силовые линии не могут идти вдоль поверхности идеального проводника, а всегда перпендикулярны этой поверхности. Значит вектор Е у отражающей стенки волновода должен быть равен нулю.
Распространяемые по волноводу электромагнитные волны условно можно разделить на два основных типа. Поперечно-электрические (магнитные) волны, обозначаемые условно TE (символ T — обозначает поперечные, символ E — электрические), либо H — волны. Поперечно-магнитные (электрические) волны, обозначаемые условно TM либо E — волны. Каждый тип волны обозначается соответствую-щей буквой с индексом из двух цифр ( m, n ), показывающим число стоячих полуволн вдоль большей ( m ) и меньшей ( n ) сторон поперечного сечения волновода. Таким образом, по названию волны можно определить соответствующую ей структуру поля. Например Н 10
Магнитная волна ( Н-волна ) – электромагнитная волна, вектор напряженности магнитного поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения
Электрическая волна ( Е-волна ) – электромагнитная волна, вектор напряженности электрического поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор напряженности магнитного поля лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения
Волна Н 10 в прямоугольном волноводе
Волна Н 20 в прямоугольном волноводе
Волна Н 11 в прямоугольном волноводе
Волна Е 11 в прямоугольном волноводе
Фронтом волны называется поверхность, во всех точках которой фаза колебаний одинакова. Пока волна проходит расстояние АБ, фронт ее перемещается на расстояние ВБ Скорость перемещения фазы волны вдоль волновода называется фазовой скоростью υ ф. Так как ВБ>АБ то фазовая скорость оказывается больше скорости распространения волны с между стенками волновода. Из треугольника АБВ следует: υ ф =с/ cos (90 0 - α ) =с / sin α
С уменьшением угла α фазовая скорость увеличивается. Длина волны измеренная в направлении вдоль волновода называется длиной волны в волноводе, она больше, чем в свободном пространстве λ в > λ : λ в = υ ф Т Перенос энергии вдоль волновода осуществляется группой волн. Поэтому скорость распространения энергии вдоль волновода называют групповой скоростью. Из треугольника АБД следует: υ гр =с sin α с 2 = υ ф υ гр
Если уменьшить частоту волн, распространяющихся в волноводе, то длина волны соответственно возрастает и увеличивается расстояние АВ. Так как расстояние АБ = а = λ /2 остается постоянным, то при удлинении волны точка В должна приближаться к точке. Б. т.е. угол падения волны α будет уменьшатся, т.о увеличением λ увеличивается количество «зигзагов» между стенками. В случае λ = λ КРИТ распространение энергии вдоль волновода прекращается.
Связь волноводов с другими цепями (возбуждение волн в волноводе или отбор энергии из волновода) Электрическая связь Электрическая связь осуществляется с помощью штырька (или зонда) установленного внутри волновода вдоль электрических силовых линий, как правило в том месте, где электрическое поле наиболее сильное.
Магнитная связь Магнитная связь осуществляется с помощью винта (петли) связи, который обычно располагается в том месте, где магнитное поле наиболее сильно, причем его плоскость перпендикулярна к магнитным силовым линиям. Чем больше размеры витка, тем сильнее связь. (Регулируется связь путем поворота витка).
Дифракционная связь Щель прорезана в таком месте, где она пересекает линии тока. Электрические силовые линии как бы продолжают линии токов в прорези. В пространстве, окружающем волновод, они возбуждают электромагнитные колебания.
Согласование волноводов с нагрузкой С помощью диафрагм
Объемные резонаторы В сантиметровом и дециметровом диапазоне в качестве колебательных контуров используются объемные резонаторы т. к., в колебательных контурах в виде четвертьволновых отрезков длинных линий, с укорочением волны, потери значительно возрастают и применение их становится нецелесообразным. Простейший объемный резонатор - это закрытый отрезок волновода, в котором возбуждаются стоячие волны.
Переход от обычного контура к объемному резонатору
Образование стоячих волн в объемном резонаторе
Органы перестройки объемных резонаторов
Тороидальный резонатор
Задание на самоподготовку: 1. Изучить материал по конспекту лекций. 2. [ 1 ] С. 263 – 266, 324 – 330 ; [2] C. 67 – 69.
