Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 13
Текст из файла (страница 13)
В03Буждкние ВОлнОВОдА При рассмотрении волноводов в 3 и 4 главах не затрагивались способы возбуждения конкретных типов волн. Очевидно, что в общем случае в волноводе могут существовать все типы электрических и магнитных волн, описываемых, например, уравнениями (3.31) — (3.36) и (3.53) — (3.58). Однако для практических целей ~келательно наперед знать структуру поля в волноводе.
Следовательно, необходимо найти способы возбуждать волну какого-либо одного типа и делать невозможным распространение всех других ч'ипов волн. Строгое математическое решение задачи возбуждения волн в волноводе представляет большие трудности даже в простейших случаях. С физической точки зрения для возбуждения волны заданного типа могут быть использованы следующие способы. 1.
Применение возбуждаюшего устройства, которое создает в некотором сечении волновода электрическое поле, совпадающее по направлению электрических силовых линий с полем волны желаемого типа. 2. Применение возбуждающего устройства, которое создает магнитное поле, совпадающее по направлению силовых линий с магнитным полем волны желаемого типа. 3. Использование возбуждающего устройства, создающего в стенках волновода высокочастотные токи, направление и распределение которых на некотором участке волновода совпадают с токами волны желаемого типа.
Обратимся к конкретным случаям возбуждения волноводов, Знергия от сверхвысокочастотного генератора (клистрона, магнетрона и др.) может быть введена в волновод через короткий отрезок линии, органически связанной с вакуумным прибором и называемой выводом энергии. Обычно вывод энергии выполняется либо в виде волновода, либо в виде коаксиальной линии. В случае возбуждения волновода коаксиальной линией возоуждающими устройствами могут являться электрический или магнитный диполи. Злектрический диполь создается штырем, являющимся продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии. Магнитный диполь имеет вид петли, образованной замыка- нием внутреннего проводника коаксиальной линии на ее внешний проводник.
Устройство диполей схематически показано на рис. 5Л. Зная структуру требуемого электрического поля в волноводе, легко выорать ориентацию возбуждающего штыря. Для этого достаточно расположить ось штыря по направлению электрических силовых линий, Рпс 5 1 Простеп шие возбуждаю щие устройсгва— эчектрический и магнитны|л диполи Рис 5 2 Возоуждение волн типа ТМ в прямоугольном волноводе с помощью электрического дино гя На ис. 5.2 а рис.
5.2, а приведено устройство для возоуждения волны г типа Е11 в прямоугольном волноводе. Такое же устройство пригода но и для возбуждения волны типа Ео|в круглом волноводе. Шты ь р сполагается вдоль оси волновода. Наружный проводник коаксиальной линии соединен с металлической плоскостью, образующей торец волновода. Волну типа Е11 в прямоугольном волноводе можно возбудить и другим способом, введя штырь через отверстие в боковой стенке волновода и расположив его в плоскости поперечного сечения линии.
Однако при этом будут возбуждаться и волны типа Н, что может быть нежелательным. Если необходимо возбудить волну типа Е|2 в прямоугольном волноводе (или волну Е11 в круглом волноводе), то можно воспользоваться двумя возбуждающими штырями, как показано на рис. 5 2,6. С учетом структуры волны Е12 необходимо создать сдвиг фаз на л между полями этих штырей. Для этого достаточно воспользоваться разветвлением коаксиальной линии, связывающей штыри с генератором, и обеспечить разницу в длине линии на —.
Х 2 Возбуждение волны типа Б1р в прямоугольном волноводе показано на рис. 5.3. Возбуждающий штырь вводится в волновод параллельно узкой стенке через отверстие в широкой стенке. По- 96 скольку при этом возбуждаются волны, распространяющиеся в обе стороны вдоль оси волновода, то используется проводящий поршень, отражающий одну из волн в нужную сторону.
Расстояние 1 от поршня до штыря и длина штыря 12 подбираются таким образом, чтобы обеспечить согласование коаксиальной линии с волноводом, т. е. получить чисто бегущую волну в коаксиальной линии при чисто бегущей волне типа Н1р, распространяющейся по волноводу слева направо на рис.
5.3. Пользуясь подобными простыми соображениями, нетрудно представить устройство, возбуждающее, например, волну типа Н2о в прямоугольном волноводе. Для этого можно использовать лва штыря, поля которых находятся в противофазе. Волна типа Ня здесь не возбуждается, если штыри расположены симметрично по отношению к середине широкой стенки волновода. Как будет показано в дальнейшем, в наиболее распространенньтх на практике случаях не приходится сталкиваться с возбуждением и использованием высших типов волн, помимо низшей Волны типа Н~О. Поэтому рассмотрение устройств для возбуждения высших типов волн представляет скорее принципиальный интерес. Похожие рассуждения возможны и в случае, когда энергия вводится в волновод с помощью магнитного диполя Рис. 5.3. Возбуждение волны типетли. па Н1о в прямоугольном волново- де с помощью тптыря На рис.
5.4 для примера показано устройство, которое может быть использовано для возбуждения волны типа Н1о в прямоугольном волноводе. Плоскость петли располагается таким обра- Рис 5.4. Один из возможных вариантов возбуждения волны типа Н1О с по- мощью петли зом, чтобы она пронизывалась магнитными силовыми линиями возбуждаемой волны, Читатель может без труда рассмотреть другие варианты возбуждения волновода с помощью петли или штыря при любом заданном типе волн.
7 и в Ле едсв В ряде случаев возбуждение одного волновода производится от другого волновода через одно или несколько отверстий в стенках обоих волноводов. Примеры такого возбуждения рассмотрены на рис. 8.40 — 3.42. Волна, распространяющаяся по одному из волноводов, создает в области отверстия электромагнитное поле, проникающее во второй волновод, Таким образом, отверстие можно рассматривать как электрический или магнитный диполь, либо как комбинацию этих диполей. Изменяя ориентацию одного нолновода относительно другого и выбирая место в стенке волновода, где сделано отверстие, можно получить возбуждение волны желаемого типа.
Рис. 5.5. Плавный переход, обеспечивающий возбуждение волны типа Но в круглом волноводе от волны типа Н~о в прямоугольном волноводе Возбуждение одного волновода от другого может сопровождаться трансформацией типа волны. Для примера на рис. 5.5 показано устройство, плавно трансформирующее волну Н~о в прямоугольном волноводе в волну типа НО1 в круглом волноводе. Прямоугольный волновод, изображенный на исходном сечении АА, сначала переходит в Т-образный волновод с постепенно расширяющейся нижней частью, показанный в сечении ББ. Путем постепенного уменьшения высоты среднего выступа этот волновод в сечении ВВ снова переходит в прямоугольный, возбужденный уже на волне типа Н2О*.
Далее следует участок с постепенно возрастающим углом разворота 6 обеих широких стенок волновода (сечение ТТ), в результате чего, после удаления обоих выступов в сечении ДД, получается требуемая структура поля НО1 в обычном круглом волноводе. Недостатком устройства, изображенного на рис. 5.5, является значительная длина, составляющая более двадцати длин волн. Тем не менее, описанный переход имеет и важное преимущество — широкополосность, т.
е. отсутствие критичности к изменению рабочей частоты. Существуют м другие типы переходов, позволяющих возбуждать любой тип волны от волновода прямоугольного сечения, возбужденного на волне типа Н1о. Возбуждение через отверстие широко используется в электровакуумных приборах СВЧ для передачи энергии в волновод от полого резонатора. * Участок перехода между сечениями АА и ВВ представляет самостоятельный интерес и может быть использован для эффективного возбужде- ния волны типа Н2о.
Такое соединение, рассматриваемое на рис. 10.34, типично для диапазона сантиметровых и особенно миллиметровых волн, где коаксиальные линии, как правило, оказываются непригодными. Помимо рассмотренных способов возбуждения волноводов, возможно непосредственное возбуждение электронным потоком, пронизывающим волновод через отверстие в стенке или проходящим внутри волновода вдоль его оси.
Этот вид возбуждения представляет самостоятельный интерес и будет рассмотрен во втором томе в разделах, посвященных генерированию и усилению колебаний сверхвысоких частот. Рассматривая проблему возбуждения волноводов, необходимо обратить внимание на два обстоятельства, имеющих принципиальное значение. 1. Помимо волны желаемого типа, любое дискретное возбуждающее устройство удовлетворяет множеству других типов волн. Например, устройство, показанное на рис. 5.3, возбуждает, кроме волны типа Н1о, еще и волны типов Нзо, Н5о,..., Е11, Ез1,...., Н11, Нз~, Нз~ и т. д.
до бесконечности. Какие из перечисленных волн будут распространяться по волноводу, зависит от соотношения между длиной волны Х и величиной Х,р для рассматриваемого типа волны. Если Х)Х,р, то волны будут затухать вблизи возбуждающего устройства. Отсюда следует сделать вывод, что в ближней зоне около возбуждающего устройства поле всегда имеет сложную структуру и не соответствует полю «чистой» волны какого-либо одного типа. Обеспечить возбуждение только одного типа и исключить все друг ие при помощи возбуждающего устройства принципиально невозможно. Наиболее надежным способом, обеспечивающим чистоту .волны в дальней зоне, является такой выбор размеров сечения голновода, когда все нежелательные типы волн оказываются за пределами отсечки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
