Литература Ерохин Чернышов, Козырев Антенно фидерные устройства и распространения радиоволн

• Название: Литература Ерохин Чернышов, Козырев Антенно фидерные устройства и распространения радиоволн
• Дата: 30.05.2022
• Размер: 0.74 Mb.
• Имя файла: Proektirovanie_SVCh_i_IMS_lektsii_by_Bengamin_f.docx
• Тип: Литература; #556768
• страница: 14 из 15

Переходы между линиями передач различных типов.

Достаточно часто возникает необходимость при формировании тракта СВЧ осуществить переход с одной линии передач на другую. Для этого применяются специальные переходные устройства (переходы) которые часто называются возбудителями волны заданного типа.

Переходы между прямоугольным и круглым волноводами.

Переход от прямоугольного волноводы с волной H₁₀ к круглому волноводу с волной H₁₁ осуществляется плавным изменением (деформацией) формы и размеров поперечного сечения приводящим к постепенному изменению структуры электромагнитного поля Рис.58 (а).



Рис. 58. Соосные переходы от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу с волной Н11

Для обеспечения незначительного отражения в широкой полосе частот длина такого перехода должна превышать длину волны. В более компактном, но и узкополосном переходе сочленение соосных прямоугольного и круглого волноводов осуществляется через согласующую четвертьволновую вставку с овальной формой поперечного сечения Рис.58(б). В круглом волноводе можно возбудить волну H₁₁ так же через отверстие в боковой стенке от прямоугольного волновода. При этом возможны 2 варианта:

1. 
   Широкие стенки прямоугольного волновода ориентированы параллельно оси круглого волновода Рис.59 (а). В этом случае в круглом волноводе возбуждаются волны H₁₁ распространяющиеся в обе стороны от ответвления с одинаковыми фазами.
   
2. 
   Поперечное расположение возбуждающей щели прямоугольного волновода относительно оси круглого волновода Рис.59(б). В этом случае волны H₁₁ в круглом волноводе возбуждающиеся справа и слева от щели противофазные.
   

Рис. 59. Тройниковые разветвления прямоугольного и круглого волноводов

Если требуется обеспечить передачу волны H₁₁ в одном направлении то один из концов круглого волновода закорачивается причем в случае Рис.59(а) расстояние между центром щели и короткозамыкателем должно быть близким к а для случая Рис.59(б) .

Коаксиально-волноводные переходы КВП.

Такие переходы предназначены для возбуждения волны H₁₀ в прямоугольном волноводе от коаксиально линии с волной типа ТЕМ. Различают 2 вида КВП отличающихся друг от друга принципом пробоя:

1. 
   Ортогональные КВП
   
2. 
   Соосные КВП
   

Ортогональные КВП.

Работа ортогональных КВП основана на теории излучения несимметричного вибратора. Линейным симметричным вибратором ЛСВ называется длинный провод в середину которого включена ЭДС Рис.60(а).



Рис. 60. Симметричный (а) и несимметричный (б) вибратор

Его можно рассматривать как развернутую двухпроводную линию, разомкнутую на конце. Элементы ЛСВ, т.е. плечи связаны между собой через неравномерно распределенную емкость. При включении генератора, по плечу ЛСВ, т.е. по проводнику протекает ток проводимости, который замыкается на другое плечо ЛСВ через диэлектрик, преобразуюсь в ток смещения. В другом плече ЛСВ токи смещения переходят в токи проводимости и замыкаются на генератор. Распределенные токи подчиняются 1-му уравнению Максвелла:

(66)

где - плотность тока проводимости ;

- плотность тока смещения .

В соответствии с выражением 66 как вокруг токов смещения, так и вокруг токов проводимости образуется вихревые (замкнутые) магнитные поля.

Площадь поперечного сечения, по которому протекает ток смещения, много больше площади поперечного сечения, по которому протекает ток проводимости. Следовательно, , и поэтому излучением за счет токов смещения можно пренебречь.

Замкнутое магнитное поле подчиняется 2-му уравнению Максвелла в дифференциальной форме:

, где (67)

Из выражения 67 следует, что под действием магнитного поля образуется вихревое электрическое поле, плоскость которого перпендикулярна плоскости магнитного поля. Если из конструкции ЛСВ исключить одно плечо, то получим несимметричный вибратор (рис. 60 б).

Таким образом, как симметричный, так и несимметричный вибраторы излучают ЭМ поле за счет тока проводимости, протекающего по вибратору, причем плоскость излучения ЭМ поля перпендикулярна вибратору.

Рассмотрим работу КВП ортогонального вида (рис. 61).



Рис. 61. Схема КВП ортогонального вида: 1 – внутренний проводник коаксиальной линии; 2 – несимметричный вибратор; 3 – короткозамыкающий поршень; 4 – отрезок прямоугольного волновода с фланцем

В следствии наличия распределенной емкости между несимметричным вибратором (штырем 2), являющегося продолжением внутреннего проводника 1 коаксиальной линии и стенкой волновода, образуется переменное ЭМ поле. Поле распространяется в направлении Z и –Z. Поскольку около штыря 2 волновод работает в режиме смешанных волн, то его сопротивление будет комплексным. Кроме того, штырь 2 вносит дополнительную реактивность.

Для работы КВП необходимо обеспечить режим бегущей волны в направлении Z и режим стоячей волны в направлении –Z. Для этого предназначен короткозамыкающий поршень 3. Поршень, перемещаясь, вносит дополнительную реактивность, противоположную по знаку существующей. Для регулировки реактивности в широком диапазоне частот, поршень 3 должен перемещаться на расстояние .

Как правило, несимметричный вибратор располагают посередине широкой стенки волновода, а его высоту для обеспечения хорошего согласования принимают равной .

При работе КВП около штыря 2 вследствие искривления электрического поля образуются фактически все типы волн в прямоугольном волноводе. Кроме основной волны Н₁₀ они все находятся в закритическом режиме и их амплитуды экспоненциально убывают при удалении от штыря. Скорость убывания определяется индексами m и n, определяющими каждый тип волны. Расстояние (рис. 61) выбирается из условия уменьшения амплитуды высшей волны, ближайшей к волне H₁₀ до требуемой величины. Для рассматриваемого КВП, такой волной является волна Н₃₀ и для ее уменьшения в N раз, величину выбирают из соотношения:

(68)

Основное требование, предъявляемое к КВП – обеспечение КСВ не хуже 1,2 в заданном диапазоне частот. На практике, используются ортогональные КВП следующих типов:

1. 
   зондовые;
   
2. 
   с последовательным шлейфом;
   
3. 
   с поперечным стержнем;
   
4. 
   «пуговичные».
   

Зондовые КВП

Рис. 62. Зондовый КВП

В таком КВП согласование входов обеспечивается не только изменением длины зонда , но и подбором расстояния и х, определяющим положение зонда. Для расширения рабочей полосы частот желательно увеличивать диаметр зонда d. При тщательном выполнении, зондовый КВП обеспечивает рабочую полосу частот порядка 15-20% относительно расчетной при КСВ не хуже 1,1.

Недостатком такой конструкции является снижение электрической прочности из-за концентрации силовых линий электрического поля на конце зонда. Кроме того, в результате воздействия вибрационных нагрузок, вибратор может приводить к паразитной амплитудной модуляции.

В определенной степени указанные недостатки преодолеваются в ниже приведенной конструкции.

КВП с последовательным шлейфом

Рис. 63. КВП с последовательным шлейфом

Однако, в данной конструкции даже при самом тщательном подборе расстояния l и l_ш рабочая относительная полоса частот составляет порядка 7%.

КВП с поперечным стержнем

В данной конструкции для устранения вибрации и концентрации силовых линий электрического поля на конце стержня, внутренний проводник коаксиальной жилы устанавливают на металлический изолятор (рис. 64).



Рис. 64. КВП с поперечным стержнем: 1 – несимметричный вибратор (зонд); 2 – металлические изоляторы, совмещенные с фильтром типа волн

Отрезки АВ и ВС фактически являются металлическими изоляторами, поскольку в точках А и С осуществляется короткое замыкание и образуются короткозамкнутые линии АВ=ВС длинной <= 0,35λ. Указанное значение длины отрезков АВ и ВС близко к 0,25λ. Входное сопротивление такой линии чисто реактивно и поэтому АВС энергии не потребляет. Если уменьшить длину отрезка АВ и ВС до 0,25λ, то входное сопротивление Zвх в точке С будет равно бесконечности (рис. 37), т.е. образуется металлический изолятор. Кроме того, АВС является фильтром для волны Н01, т.к. для нее электрическое поле распределено между узкими стенками волновода, которые оказываются замкнутые проводником АС. В результате энергия электрического поля волны Н01 выделяется в проводнике АС (рис. 64) и в направлении Z (рис. 61) не распространяется.

Для улучшения согласования и увеличения электрической прочности, КВП с поперечным стержнем дополняют согласующей индуктивной диафрагмой (рис. 65).



Рис. 65. КВП с поперечным стержнем и индуктивной диафрагмой: 1 – поперечный стержень; 2 – индуктивная диафрагма

В рассмотренной конструкции КВП рабочая относительная полоса частот составляет порядка 15%.

КВП «пуговичного» типа

Конструкция такого типа КВП приведена на рис. 66.



Рис. 66. КВП «пуговичного» типа: 1 – индуктивная диафрагма

Такая конструкция обеспечивает максимальную широкополосность (порядка 20%) при КСВ не хуже 1,1. Однако, такие КВП требуют тщательного экспериментального подбора формы проводника и дополнительные настройки качества согласования с помощью индуктивной диафрагмы.