УСВЧ FINAL. Линии передачи определение регулярные, нерегулярные, однородные, неоднородные. Открытые, закрытые их достоинства и недостатки, применения. Примеры
 Скачать 10.27 Mb.
|
|
15. Формула трансформации сопротивлений с пояснениями. Резонансные сечения и расстояния между ними. Поведение в них компонент напряженности электрического и магнитного полей, связь с модулем коэффициента отражения от нагрузки. Сопротивление линии в резонансных сечениях и связь их с КСВ и КБВ.   Сечения, в которых амплитуда напряженности электрического поля поочередно принимает максимальные или минимальные значения, называются резонансными. Эти сечения находятся друг от друга на расстоянии в четверть длины волны в линии. В резонансных сечениях сопротивление линии является чисто активным и его нормированное значение равно: в минимуме напряженности КБВ, а в максимуме— КСВ.  16. Узкополосное согласование активных нагрузок. Четвертьволновые понижающие и повышающие трансформаторы, их включения в ЛП и выбор значений сопротивлений. Эквивалентные схемы, распределения напряжения, КБВ или КСВ вдоль ЛП при согласовании. Узкополосное согласование - метод согласования активных нагрузок, реализуемый в узкой полосе частот. Для согласования ЛП с различными сопротивлениями применяют четвертьволновые трансформаторы. Понижающие, когда вторичная обмотка имеет более низкое напряжение по сравнению с первичной (коэфф трансформации < 1 – определяется отношением количества витков обмотки), повышающий – наоборот (коэфф трансформации > 1).  В этом случае между нагрузкой и генератором включается отрезок линии передачи длиной l=λ/4. Волновое сопротивление трансформатора Wтр=(WфRвх)1/2 Трансформаторы работают только с переменным напряжением. Принцип работы - изменение (повышение/понижение) напряжения с потерей мощности. Четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии z0, в которых входное сопротивление линии чисто активное. Входное сопротивление линии чисто активное в сечениях линии, где напряжение достигает максимума или минимума. Поэтому четвертьволновый трансформатор включается в максимумах или минимумах напряжения. В максимумах напряжения Rвх= WKсв, поэтому при включении трансформатора в максимум напряжения его волновое сопротивление Wтp >W.В минимумах напряжения Rвх= W /Kсв, поэтому при включении трансформатора в минимум напряжения Wтp< W. Таким образом, выбор места включения трансформатора (максимум или минимум напряжения) определяет соотношение его волнового сопротивления с волновым сопротивлением линии, а это, в свою очередь, определяет соотношение геометрических размеров поперечного сечения трансформатора и линии.  Четвертьволновый отрезок линии передачи преобразует нагрузку в сопротивление равное 1/ZH, то есть в сопротивление, численно равное проводимости нагрузки. Это положение справедливо и для проводимостей, то есть проводимость нагрузки преобразуется четвертьволновым трансформатором в величину проводимости, численно равную сопротивлению нагрузки. Если сопротивление нагрузки Zн имеет чисто активный характер, то при действительном ZВ, т.е. в отсутствие потерь, входное сопротивление Zвх также является чисто активным. Это свойство четвертьволнового отрезка используется для согласования двух линий с разными волновыми сопротивлениями.   Четвертьволновые трансформаторы: а) – на двухпроводной линии б) – на коаксиальном волноводеЭпюры напряжения в линии: а – с комплексной нагрузкой; б – с комплексной нагрузкой и трансформатором Wтp >W; в – с комплексной нагрузкой и трансформатором Wтp <W 17.Узкополосное согласование комплексных нагрузок. Метод компенсирующих реактивностей, последовательное и параллельное включения их в ЛП. Эквивалентные схемы. Пояснения на круговой диаграмме Вольперта – Смита. Узкополосное согласование - метод согласования активных нагрузок, реализуемый в узкой полосе частот.  Узкополосное согласование осуществляется посредством параллельного или (реже) последовательного подключения к входу отрезка ЛП дополнительного реактивного элемента шлейфа, который своей реактивностью компенсирует мнимую часть входного импеданса Хвх=0. В этом случае, согласование достигается подбором длины согласующего отрезка ЛП и длины самого шлейфа.
Условие полного согласования : 1=Zш+Zн’= ± jХш+R’+jX’  R’=1 X’=X’ Расчет согласующих узкополосных устройств удобно также проводить, пользуясь круговой диаграммой Вольперта-Смита. 2.Параллельный шлейф   Расчет согласующих узкополосных устройств удобно также проводить, пользуясь диаграммой проводимостей. 18. Узкополосное согласование комплексных нагрузок. Метод компенсирующих реактивностей, их реализация в волноводной технике, эквивалентные схемы. Включение в линию согласующего реактивного элемента, отражение от которого компенсируется отражением от нагрузки и отражением устройства (циркулятора) с последующим поглощением отражения волны. Сущность метода компенсирующих реактивностей заключается в том, что в тракт в непосредственной близости от отражающего элемента вводится дополнительная неоднородность, которая создает отраженную от нее волну, равную по амплитуде и противоположную по фазе волне, отраженной от элемента. Метод позволяет полностью согласовать практически любой элемент тракта на фиксированной частоте или в узкой полосе частот. Принципиально возможно согласование и в более широкой полосе, если свойства компенсирующей неоднородности с изменением частоты меняются соответствующим образом. В качестве компенсирующих реактивностей применяются шлейфы, включаемые в линию параллельно или последовательно, а в волноводной технике — диафрагмы и штыри.  19. Двухполюсники: конструкции, электрические параметры Двухполюсники – устройства имеющие один вход, являются оконечными нагрузками ЛП. В диапазоне СВЧ двухполюсниками являются нагрузки ЛП: согл нагрузки – коаксиальные, волноводные, коротко-замыкатели. Частоты, на которых величина сопротивления двухполюсника становится равной нулю, называются нулями входной функции двухполюсника. Частоты, на которых оно стремится к бесконечности – полюсами входной функции двухполюсника. Независимо от степени сложности схемы двухполюсников можно указать ряд закономерностей, характеризующих их общие свойства:
между любыми двумя резонансами напряжений имеется один резонанс токов, и между любыми двумя резонансами токов находится резонанс напряжений; 3) при резонансе напряжений характер реактивности двухполюсника меняется с емкостного на индуктивный, а при резонансе токов – с индуктивного на емкостной. У многоэлементных реактивных двухполюсников характер реактивности контура изменяется с ростом частоты не один раз;
20. Типовые элементы трактов СВЧ: волноводные соединения, повороты, коаксиально-волноводные переходы и переходы с прямоугольного волновода на круглый.  Волноводные соединения - бесконтактные соединения, к которым предъявляются следующие требования:
Изгибы и изломы ЛП относятся к числу нерегулярностей, снижающих качество согласования и электропрочность. В угловых изломах ЛП возбуждаются поля нераспространяющихся волн высших типов, в которых происходит накопление электромагнитной энергии. Для минимизации возникающих из-за этого отражений изломы дополняют различными согласующими элементами. Подрезание (*) внешних углов поворота оказывается эффективным способом при уменьшении отражений в прямоуг и кругл волноводах. Концентрация силовых линий электрического поля в области резких изломов снижает электрическую прочность тракта, этот недостаток в значительной мере устраняется в двойных изломах и плавных изгибах. Чем больше радиус изгиба, тем меньше отражение от него. Коаксиально-волноводный переход - элемент волноводного тракта, предназначенный для перехода с волноводного тракта на коаксиальный и наоборот. Представляет собой отрезок волновода с замкнутым концом с одной стороны и открытым с другой. На открытом конце волновода находится фланец с отверстиями для крепления. На расстоянии одной четвертой рабочей длины волны от замкнутого конца находится коаксиальный соединитель заканчивается штырем, расположенным в волноводе. Он предназначен для перехода от коаксиала с волной типа Т к прямоугольному волноводу с волной H10. Обычно штырь, являющийся продолжением внутреннего провода коаксиала, располагают посредине широкой стенки волновода, а расстояние до короткозамыкающей стенки z1, берут равным четверти длины волны в волноводе. Для обеспечения хорошего согласования необходимо также правильно выбрать высоту штыря l и его диаметр. Обычно берут l = /4. Форма штыря и его диаметр существенно сказываются на полосовых свойствах перехода: чем толще штырь, тем шире полоса. При работе перехода вблизи штыря образуются все типы волн в прямоугольном волноводе. Кроме основной волны Н10, они находятся в закритическом режиме, и их амплитуды экспоненциально убывают при удалении от штыря. Скорость убывания определяется индексами т и п, характеризующими каждый тип волны в волноводе. Расстояние z2, от штыря до контактного фланца выбирается из условия уменьшения амплитуды высшей волны, ближайшей к основной волне Н10, до требуемой величины. Ближайшей к основной высшей волной в таком переходе является волна H30. Для уменьшения ее амплитуды в N раз величину z2 следует выбрать из соотношения   Переход с прямоугольного волновода на круглый – состоит из трансформирующего волновода и согласующей проводимости, расположенной внутри отрезка трансформирующего волновода с небольшим зазором по отношению к прямоугольному волноводу. Характер согласующей проводимости в рабочем диапазоне частот изменяется с индуктивного на емкостное. Отрезок трансформирующего волновода выполнен в виде волновода с промежуточным поперечными сечением или образован круглым волноводом, в котором размещена диэлектрическая пластина. Согласующая проводимость выполнена в виде однократно или многократно изогнутого проводника, закрепленного на стенке волновода или диэлектрической пластине. Проводник выполнен изогнутым, например, под прямыми углами или в виде спирали. Техническим результатом является высокое качество согласования и простота конструкции.   21. Объемный резонатор: устройство, разновидности, применения. Сравнение с колебательным контуром. Включение в тракт, связь с внешними цепями. Объемный резонатор – устройство, основанное на явлении резонанса, в котором вследствие граничных условий возможно существование на определенных длинах волн добротных колебаний в виде бегущей или стоячих волн. F0=1/2*pi*sqrt(L*C) Разновидности: - Коаксиальный – отрезок линии, замкнутый с обоих концов проводящими пластинками. Резонатор в виде отрезка коаксиальной линии, нагруженной на емкость. Для уменьшения геометрической длины коаксиального резонатора, что особенно важно на волнах, длиной порядка 1 м и более. Между центральным проводником коаксиальной линии резонатора, и одной короткозамыкающей пластиной оставляют зазор. Ширины зазора выбирается значительно меньше длины волны, что обеспечивает повышенную концентрацию электрического поля в зазоре, то есть, зазор эквивалентен конденсатору, подключенному к линии. - Прямоугольный – отрезок прямоугольного волновода, замкнутый с обоих концов проводящими пластинами. - Цилиндрический – отрезок круглого волновода, замкнутый с обоих концов проводящими пластинами. - Полосковый – отрезок полосковой линии, на обоих концах которого осуществлен режим холостого хода. Объемный резонатор широко применяется в технике в качестве колебательных генераторов, фильтров, эталонов частоты, измерительных контуров, а так же – в различных устройствах для исследования твердых, жидких и газообразных веществ.   Длина объемного резонатора = целому числу полуволн колебания, распространяющегося в линии. L=p(λ/2), p =1,2…. Одним из основных отличий объемного резонатора от колебательного контура с сосредоточенными параметрами является его многомодовость. Объясняется это тем, что в резонаторе, как и в волноводе, могут возбуждаться продольные магнитные Hmnp и продольные электрические Emnp типы колебаний(моды). Но в отличие от волноводов, кроме вариаций полей по поперечным координатам( ϕ и r) имеются вариации и по оси z, совпадающей с осью цилиндра. Каждый тип колебания характеризуется собственной структурой поля и собственной резонансной частотой f0. Под структурой понимают распределение и форму электрических и магнитных линий в резонаторе в фиксированный момент времени.  Добро́тность — свойство колебательной системы, определяющее полосу резонанса и показывающее, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний. (чем выше, тем лучше качество о.р.) Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания.  О. р. широко применяются в технике в качестве колебательных систем генераторов (клистронов,магнетронов и др.), фильтров, эталонов частоты, измерительных контуров, а также различных устройств для исследования твердых, жидких и газообразных веществ. О. р. применимы для частот 109—1011гц. Для более высоких частот длина волны возбуждаемых в О. р. колебаний становится сравнимой с размерами неизбежных шероховатостей и отверстий в стенках О. р., что приводит к рассеянию электромагнитной энергии. Эта недостатки устраняются в открытых резонаторах, представляющих собой систему зеркал. Связь с внешними цепями осуществляется через отверстия с помощью петлей и штырей. 22. Объемные резонаторы: типы колебаний, резонансные длины волн, добротности. Одним из основных отличий объемного резонатора от колебательного контура с сосредоточенными параметрами является его многомодовость. Объясняется это тем, что в резонаторе, как и в волноводе, могут возбуждаться продольные магнитные Hmnp и продольные электрические Emnp типы колебаний (моды). Но в отличие от волноводов, кроме вариаций полей по поперечным координатам ( j и r) имеются вариации и по оси z, совпадающей с осью цилиндра. Выражения, определяющие структуру поля колебаний Hmnp и Emnp в цилиндрическом объёмном резонаторе, имеют следующий вид: колебания Hmnp  колебания Еmnp  где m = 0, 1, 2,…число вариаций поля по координате j ; n=1,2,… число вариаций поля по радиусу r; p=0,1,2,… число вариаций поля по оси z; А - постоянная, определяемая подаваемой в резонатор мощностью; µmn - n-ый корень производной функции νmn –n-ый корень функции Бесселя Jm Резонансная длина волны λ определяется типом волн и размерами обьемного резонатора.  |