Антенно-фидерные устройства. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РТ. Антеннофидерные устройства
 Скачать 7.65 Mb.
|
|
магнитные. Предположим, что из некоторого центра (излучателя) равномерно вовсе стороны распространяются электромагнитные волны. Направления распространения радиоволн называются лучами в однородной среде лучи являются прямыми линиями. Радиоволны, силовые электрические и магнитные линии которых взаимно перпендикулярны и перпендикулярны лучу, называются поперечными и обозначаются символом ТЕМ. 65 Поверхность, во всех точках которой радиоволна имеет одну и туже фазу, называется фронтом волны. Когда радиоволна распространяется равномерно вовсе стороны от некоторого излучателя, то фронтом волны будет сферическая поверхность, центр которой лежит в пункте излучения радиоволн. При большом удалении от излучателя небольшие участки сферической поверхности можно считать плоскостями. Волна называется плоской, если ее фронт представляет собой плоскость. Во всех точках фронта плоской волны электрические (магнитные) силовые линии между собой параллельны. Направление распространения волны всегда перпендикулярно фронту волны. Поперечная плоская волна — это простейший тип волны. Существуют и другие, более сложные типы волн, например, поперечно-электрические и поперечно-магнитные. Они образуются в результате сложения интерференции) плоских волн. В волноводах не может существовать одна поперечная волна. Действительно, предположим, что в волноводе образуется только поперечное электрическое поле волны (рис. 46). Тогда магнитное поле ее обязательно должно иметь продольную составляющую, так как оно должно охватывать поперечный ток смещения и устенок волновода должно быть параллельно им. Такие волны в волноводе называются поперечно- электрическими и обозначаются символом ТЕ. Эти же волны называются магнитными и обозначаются буквой Н, что подчеркивает наличие продольной составляющей магнитного поля. Рисунок 46. Поперечно-электрическая волна в волноводе. Предположим, что переменное (рис. Такое поле может быть создано продольными токами проводимости или продольными токами смещения. Внутри волновода нет проводников, и токи проводимости, текущие по стенкам волновода, не могут создать внутри волновода магнитное поле. Таким образом, поперечное магнитное поле в волноводе создается продольными токами смещения, те. электрическое поле волны имеет продольную составляющую. Такие волны называются 66 волна в волноводе поперечно-магнитными и обозначаются символом ТМ, эти же волны называются электрическими и обозначаются буквой Е. Рисунок 47. Поперечно-магнитная волна в волноводе. Рассмотрим образование ТЕ волны наследующем простейшем примере. Пусть в свободном пространстве распространяются плоские поперечные ТЕМ) радиоволны с одинаковыми частотами и амплитудами в направлениях ОО’ и О 1 О 1 ’ (рис. 48). Будем считать, что магнитные силовые линии параллельны плоскости чертежа, а электрические — перпендикулярны. На рисунке сплошными линиями показаны магнитные силовые линии в местах максимальной напряженности поля. Эти линии можно считать фронтами плоских волн. Расстояние между двумя сплошными линиями одной и той же радиоволны равно половине длины волны. Пунктирные линии соответствуют точкам па плоскости, в которых в данный момент напряженность поля равна нулю. Направление электрических силовых линий обозначено крестиками (от вас к чертежу) и точками (от чертежа к нам. Электрические силовые линии обеих плоских поперечных волн параллельны друг другу, и напряженность электрического поля результирующей волны равна алгебраической сумме напряженностей полей составляющих волн. Силовые электрические линии результирующей волны перпендикулярны плоскости чертежа. Магнитное поле результирующей волны в каждой точке равно геометрической сумме составляющих волн. В точках пересечения сплошных линий результирующее магнитное поле направлено по биссектрисе угла между направлениями магнитных силовых линий плоских волна в точках пересечения сплошных и пунктирных линий оно имеет направление сплошной линии. Если определить направление магнитного поля во всех точках плоскости чертежа, то обнаружим, что магнитные силовые линии имеют форму замкнутых петель. Центрами этих петель служат точки пересечения пунктирных линий, в которых напряженности электрического и магнитного полей равны нулю. Электрическое поле в плоскостях хх’, х 1 х 1 , х 2 х 2 и т. д, перпендикулярных плоскости чертежа, равно нулю, а магнитное поле результирующей волны у этих плоскостей им параллельно. Электрическое поле результирующей волны максимально в плоскостях уу” у 1 у 1 ’ и т. д. (см. рис. 48) в точках пересечения сплошных линий(фронтов) составляющих волн. Напряженность электрического поля в этих точках 67 равна удвоенной напряженности поля плоской волны. Магнитное поле у плоскостей уу ’ , у 1 у 1 ’ и т. д. им перпендикулярно. б Рисунок 48.Обраование магнитной Н) волны при сложении двух плоских поперечных воли (аи пространственная картина волны (б) Пространственная геометрическая картина результирующей волны показана на рис. 48, б. Горизонтальные линии на этом рисунке соответствуют линиям хх’, х 1 х 1 ’ и т. д. верхней части рисунка, а горбы и впадины соответствуют максимумам электрического поля. Горбы и впадины перемещаются как бы между вертикальными стенками, обозначенными на этом рисунке горизонтальными линиями. Плоские волны распространяются в направлениях 00’ и 0 1 0 1 ’ со скоростью 3*10 8 м/сек. Результирующая волна распространяется по направлению хх’ с некоторой скоростью u ф ,которая называется фазовой скоростью. Фазовую скорость можно определить как скорость перемещения точки в пространств с заданной фазой результирующего поля. Если бы наблюдатель мог перемещаться в пространстве с фазовой скоростью 68 результирующей волны, то он наблюдал бы постоянные электрическое и магнитное поля. Фазовую скорость следует отличать от групповой скорости u гр, под которой понимают скорость распространения электромагнитной энергии. Групповая и фазовая скорость поперечной волны ТЕМ) одна и та же ив свободном пространстве равна 3*10 8 м/сек. Фазовая скорость является условным понятием в том смысле, что она не определяет скорости распространения энергии. В нашем примере энергию переносят две плоские волны в направлениях 00’ и 0 1 0 1 ’. Однако длина результирующей волны в направлении хх’ зависит от скорости ее распространения, те. от фазовой скорости. Рисунок 49. Для подсчета фазовой скорости результирующей волны воспользуемся рис. 49. Допустим, что в момент t=0 фронты волн занимают положения 1 и II. Через промежуток времени Т фронты займут положения III и III, а точка пересечения фронтов А переместится по линии хх’ и займет новое положение А. В момент t=0 в точке А электрическое поле было максимальным, равным сумме полей составляющих волн, и направлено от нас к чертежу, а результирующее магнитное поле было направлено по биссектрисе тупого угла. К моменту времени Т это поле переместится в точку А. Оnрезок АА 1 равен длине результирующей волны λ’, распространяющейся в направлении хх’ (см. риса отрезок А 1 Б=А 1 Б 1 равен длине поперечной ТЕМ) волны λ. Из прямоугольного треугольника АА 1 Б найдем или Так как Та ф *Т, то получаем 69 При изменении угла θ от 0 до 90 0 u ф изменяется от ∞ до u о, а λ’ от ∞ λ. Скорость распространения энергии в направлении хх 1 т. е. групповая скорость результирующей волны, равна проекции вектора скорости на это направление. Из рис. 49 видно, что А 1 В= =А 1 Б 1 sinθ, или те. Результирующая волна — магнитная, так как ее электрическое поле целиком лежит в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения, а магнитное поле имеет продольную составляющую. Из рис. 48 видно, что электрическое поле максимально в тех точках, где максимальна поперечная составляющая магнитного поля, те. поперечные составляющие электрического и магнитного полей Н-волны совпадают по фазе. Распространение волн в волноводах Волна Н 10 в прямоугольном волноводе Основным типом волны в прямоугольном волноводе является магнитная волна Н 10 ,поле которой образовано сложением плоских поперечных волн. Представим себе (см. рис. 48), что вместо плоскостей хх’и х 1 х 1 ’ поставлены тонкие проводящие стенки, служащие боковыми стенками волновода, и две проводящие стенки, параллельные плоскости чертежа. Расположенные таким образом стенки образуют прямоугольный волновод, в котором распространяется магнитная волна Н 10 .Проводящие стенки не изменят конфигурации поля между плоскостями хх’и х 1 х 1 ’. Для стенок, поставленных вместо плоскостей хх’и х 1 х 1 ’ выполняются граничные условия электрическое поле вдоль этих стенок равно нулю, а магнитное поле параллельно им. Выполняются граничные условия и для двух других стенок воображаемого волновода электрические силовые линии перпендикулярны им, а магнитные силовые линии параллельны. Можно считать, что волна Н 70 образуется плоской поперечной волной, распространяющейся в волноводе под углом θ к его оси и многократно отражающейся от его боковых стенок рис. 50). Рисунок 50. Распространение плоских волн в прямоугольном волноводе. Конфигурация поля волны Н 10 в прямоугольном волноводе для некоторого момента времени t 1 показана на рис. 51. Силовые электрические линии начинаются на положительных зарядах одной горизонтальной стенки и оканчиваются на отрицательных зарядах другой горизонтальной стенки. Заряды на внутренней поверхности волновода индуктирует распространяющаяся в нем волна. В средней части поперечного сечения волновода напряженность электрического поля наибольшая, ау боковых стенок она равна нулю. Вертикальное электрическое поле создает вертикальные токи смещения в волноводе, которые окружены магнитными силовыми линиями, лежащими в горизонтальных плоскостях. Волна называется магнитной и обозначается буквой Нпотому, что имеет продольную (направленную по оси волновода) составляющую магнитного поля и поперечное электрическое поле. Простейшая волна обозначается индексами 10 (читается один ноль) потому, что вдоль широкой (большой) стороны а поперечного сечения волновода укладывается только один максимум поля (индекса вдоль узкой (меньшей) стороны сечения b полене изменяется (индекс 0). В общем случае волна обозначается Н или Е mn .Индекс m указывает число максимумов поля, укладывающихся вдоль стороны а, индекс число Максимумов, укладывающихся вдоль стороны b волновода. 71 Рисунок 51. Электромагнитное поле волны Н в момент времени t 1 : а – волновод б – поле в поперечном сечении волновода в – поле в горизонтальном сечении волновода (вид сверху г – поле в вертикальном сечении АБ; д – распределение напряженности электрического поля вдоль стороны а е – распределение напряженности поля по оси волновода. Другие типы волн в прямоугольном волноводе. В прямоугольном волноводе может распространяться множество магнитных (Н mn )илиэлектрических (Е mn )волн. Обычно используется основная волна прямоугольного волновода Н 10 ,так как она имеет наибольшую предельную волну. Второй после Н простейшей волной является волна Н 01 .Поле ее показано на рис. 52. Предельная длина этой волны пр, те. меньше, чем предельная волна Н 10 .Волна Н 01 обычно на практике не применяется. Простейшей электрической Е) волной в прямоугольном волноводе является волна Е 11 .Поле ее показано на рис. 53. Предельная длина волны Е 11 определяется по формуле Поперечное магнитное поле волны Е 11 образовано продольными токами смещения. Магнитное поле имеет максимальное значение там, где 72 возникает максимальная (в данный момент) скорость изменения продольной составляющей электрического поля. Рисунок 52. Поле волны Н в прямоугольном волноводе а – волновод в – поле в поперечном сечении волновода б – поле в горизонтальном сечении волновода г – поле в вертикальном сечении АБ. Рисунок 53. Поле волны Ев прямоугольном волноводе а – волновод в – поле в поперечном сечении волновода б – поле в горизонтальном сечении волновода г – поле в вертикальном сечении АБ. Поперечные составляющие магнитного и электрического полей для любых типов бегущих волн в волноводах совпадают по фазе. Их 73 произведением определяется плотность потока мощности вдоль оси волновода. Волны Е 01 и Ев прямоугольном волноводе не существуют. На рис. 54 показано поле волны Н 11 в прямоугольном волноводе. Волны, у которых один из индексов, m или n, больше единицы, принято называть волнами высших порядков. Предельная волна любого типа волн в прямоугольном волноводе определяется по формуле где m и n — индексы волны, те. любые целые положительные числа аи поперечные размеры волновода. Из этой формулы следует, что предельные волны имеют прерывистый спектр, те. каждый тип волны имеет свою предельную волну определенной длины. Рисунок 54. Поле волны Н в прямоугольном волноводе а – волновод в – поле в поперечном сечении волновода б – поле в горизонтальном сечении волновода г – поле в вертикальном сечении АБ. Основные типы волн в круглых волноводах В круглом волноводе могут распространяться магнитные (Ни электрические (Е mn )волны. Каждый тип волны в круглом волноводе характеризуется двумя индексами тип. Индекс т показывает число максимумов поля, укладывающихся вдоль полуокружности, индекс число максимумов поля, укладывающихся вдоль диаметра Основной волной круглого волновода является волна типа Н 11 (рис. 55). Электрическое поле ее лежит в плоскости поперечного сечения, а магнитное поле имеет поперечную и продольную составляющие. По конфигурации поля волна Н 11 в круглом волноводе подобна волне Н 10 в прямоугольном волноводе. Электромагнитное поле вызывает в стенках волновода продольные и поперечные токи, распределенные подобно токам волны Н 10 в прямоугольном волноводе. Волна Н 11 в круглом волноводе имеет наибольшую предельную волну из всех типов волн, могущих распространяться в волноводе данного диаметра. Рисунок 55. Поле Н в круглом волноводе а – в поперечном сечении б – в осевом сечении АБ. Предельная длина волны Н 11 определяется по формуле где г—радиус волновода. Значит, для распространения волны Н 11 в волноводе необходимо выполнение условия Вторым типом волны, которая применяется в некоторых волноводных системах, является волна Е 01 (рис. 56). Поле этой волны подобно полю волны Ев прямоугольном волноводе. Волна Е 01 имеет круговую симметрию, и потому направление ее электрического поляне изменяется при прохождении волны через вращающиеся сочленения поэтому волна эта применяется в основном во вращающихся сочленениях волновода. Короткая предельная волна (пр) затрудняет широкое применение этого типа волны. 75 Рисунок 56. Поле Ев круглом волноводе а – в поперечном сечении б – в осевом сечении. Круглые волноводы используются значительно реже, чем прямоугольные. Это объясняется тем, что при нарушении формы круглого волновода (вследствие деформации или неточной обработки) а нем возникают и распространяются волны других типов поэтому круглые волноводы труднее согласовывать с нагрузками, чем прямоугольные. Объемные резонаторы Общие сведения об объемных резонаторах Колебательные контуры с сосредоточенными постоянными непригодны на СВЧ. Не дециметровых и сантиметровых волнах обычный колебательный контур превращается в одновитковый контур, размеры которого сравнимы с длиной волны (рис. 57). Так, например, если индуктивностью контура на волне λ=10 см служит виток диаметром 10 мм из проволоки радиусом 0,5 мм, то емкость контура должна быть 0,23 пф. Такие контуры нельзя применить на практике потому что они имеют большие потери энергии и низкую добротность. Рисунок 57. Одновитковый колебательный контур. На метровых и дециметровых волнах используются колебательные контуры в виде резонансных двухпроводных линий длиной в целое число четвертей волн, для сантиметровых волн они непригодны из-за больших потерь энергии. На этих волнах может быть применен закрытый с обеих сторон отрезок коаксиальной линии длиной в целое число полуволн. Ввиду полного экранирования потери на излучение в таком контуре отсутствуют, а 76 потери в проводах при соответствующем подборе их размеров можно сделать малыми. Исследования показали, что можно получить резонансную систему в виде некоторого объема, ограниченного проводящими стенками и не имеющего внутренних проводников. Такая резонансная система называется объемным резонатором. Переход от обычного контура к объемному резонатору показан на рис. 58. При подключении большого числа параллельных витков к конденсатору образуется сплошная замкнутая полость, те. объемный резонатор, внутри которого происходят колебания. Собственная частота такого резонатора определяется его эквивалентными емкостью и индуктивностью. В зависимости от форм конденсатора и присоединяемых витков можно получить различные формы объемных резонаторов. Объемные резонаторы применяются на сантиметровых волнах в магнетронных и клистронных генераторах, в специальных триодных генераторах, в антенных переключателях, волномерах и т. д. Рисунок 58 Переход от обычного контура к объемному резонатору а – прямоугольному б – цилиндрическому в – тороидальному. Достоинства объемного резонатора — малые потери энергии и высокая добротность ≈10 4 полная экранировка и отсутствие поэтому напряжений и токов на наружной поверхности, жесткость конструкции, ее прочность и небольшие размеры. Прямоугольный резонатор В прямоугольном резонаторе (рис. 59) могут существовать колебания различных типов, отличающиеся друг от друга распределением полей и частотой. Каждый тип колебаний имеет свою резонансную частоту. 77 Следовательно, объемному резонатору присуще множество резонансных частот. В этом легко убедиться, представав резонатор как отрезок волновода, закрытый с обеих сторон металлическими стенками. Допустим, что в прямоугольном волноводе распространяются волны определенного типа. Если такой волновод закрыть на противоположном от возбудителя конце металлической стенкой, то энергия падающих волн не будет поглощаться — она будет отражаться. В результате сложения падающих и отраженных волн образуются стоячие волны. На закороченном конце будет узел электрического и пучность магнитного полей. Узлы электрического и пучности магнитного полей образуются вдоль - волновода через каждую половину волны в волноводе от закороченного конца. В узлах электрического поля можно поставить металлические стенки, и это не изменит распределения электромагнитного поля стоячих волн (потерями можно пренебречь. Рисунок 59. Прямоугольный резонатор. Отрезок волновода, ограниченный двумя металлическими стенками, в котором возникли стоячие волны, образует объемный резонатор. Тип колебаний в объемном резонаторе обозначается Н или Колебания типа Н в отрезке волновода образуют cтоячие волны На колебания E mnp — стоячие волны E mn . Индексы m, n, р обозначают число стоячих полуволн электрического поля, укладывающихся вдоль сторона, с прямоугольного резонатора. Резонансная длина волны для прямоугольного резонатора определяется по формуле 78 Простейшим типом колебаний в прямоугольном резонаторе являются колебания Н соответствующие стоячим волнам Н 10 в отрезке прямоугольного волновода длиной в. Электрическое поле имеет пучность в середине резонатора и спадает до нуля у боковых стенок. Силовые электрические линии начинаются у положительных зарядов нижней стенки и оканчиваются у отрицательных зарядов верхней стенки. Направление электрических силовых линий изменяется через каждый полупериод. Магнитное поле, созданное вертикальными токами смещения, имеет пучность у боковых стенок и спадает до нуля у центра резонатора. Токи проводимости протекают от верхней стенки к нижней и обратно. В центрах верхней и нижней стенок образуются узлы тока и пучности зарядов, а на боковых стенках—пучности токов и узлы зарядов. Магнитное и электрическое поля сдвинуты по фазе на четверть периодате. при колебаниях электрическая энергия переходит в магнитную и обратно. На резонансной частоте максимум энергии, запасенной в электрическом поле, равен максимуму энергии, запасенной в магнитном поле. Резонансная длина волны этого типа колебаний определяется по формуле Настройка резонатора производится изменением его длины с или ширины а. Круговой цилиндрический резонатор Круговой цилиндрический резонатор можно представить как отрезок круглого волновода, закрытый с обоих концов металлическими стенками. В цилиндрическом резонаторе могут существовать колебания различных типов, имеющие различные резонансные частоты. Тип колебаний в резонаторе обозначается Н или Индексы m, n имеют тоже значение, что и для круглых волноводов, а индекс р обозначает число стоячих полуволн электрического поля, укладывающихся в осевом направлении. Простейший тип колебаний в цилиндрическом резонаторе — колебания Е. Распределение полей для них показано на рис. 60. 79 Рисунок 60. Колебания типа Ев цилиндрическом резонаторе а – резонатор б – разрез по АБ; в – горизонтальный разрез. Электрические силовые линии параллельны боковой поверхности цилиндра, а магнитные — концентрическими окружностями охватывают ток смещения. На оси цилиндра — пучность напряженности электрического поля и узел напряженности магнитного поля. Магнитное и электрическое поля сдвинуты по фазе на четверть периода. В стенках резонатора проходит ток, который имеет узлы в центрах верхней и нижней стенок. Резонансная длина волны при колебаниях типа Е определяется по формуле Колебания этого типа можно возбуждать с помощью рамки, расположенной у боковой поверхности, или штыря, расположенного у верхней или нижней стенки. На рис. 61 показаны поля колебаний других типов в цилиндрическом резонаторе. Наибольшее практическое применение (например, в волномерах) находят колебания типа Н. Резонансная волна этого типа колебаний определяется по формуле |