Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 14
Текст из файла (страница 14)
2. Возбуждение волны заданного типа в волноводе имеет непосредственное отношение к другой важной задаче — отбору энергии из волновода от волны известного типа. По принципу обратимости, меняя местами генератор и нагрузку, можно превратить возбуждающее устройство в приемное устройство. Таким образом, всякое возбуждающее устройство можно рассматривать как глемен7 связи волновода с внешней цепью.
Отдельное рассмотрение приемных устройств в волноводах оказывается излишним. На практике используют множество видов устройств связи в зависимости от величины передаваемой мощности, рабочей частоты, типа волны, требований к согласованию и т. д. В ряде случаев от устройства связи требуется ответвление лишь части мощности, проходящей по основному тракту, а не передача всей мощности. Некоторые варианты устройств связи описаны в разделах, посвященных волноводной технике и технике полых резонаторов. ных, например, для режима приема радиолокационной станции, напряженность поля и плотность токов в волноводе могут иметь чрезвычайно малую величину.
Полагая мощность сигнала равной 10 '2 вт, нетрудно вычислить, что на волне 1=3,2 см в волноводе рассматриваемого сечения Е =2,2 ° 10 5 в/сл, Знание абсолютной величины напряженности электрического поля в волноводе бывает полезным в тех случаях, когда рассматриваются условия, при которых возможен электрический пробой (сверхвысокочастотный разряд) внутри волновода. Вычисление величины Е необходимо, например, при рассмотрении электро- оптических эффектов, используемых для СВЧ модуляции оптических квантовых генераторов (лазеров). Абсолютная величина токов в стенках также представляет практический интерес, например, при разработке некоторых типов газоразрядных приборов СВЧ. Зная величину тока, проходящего через прибор, можно рассчитать активные потери мощности, оценить тепловой режим прибора и т.
д. 5 5.3. ЭЛККТРИЧКСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОЛНОВОДА При передаче по линии большой мощности может возникнуть высокочастотный пробой*. Явления, сопровождающие пробой в волноводе, внешне имеют много общего с явлениями, которые наблюдаются при пробое на постоянном токе и на низких частотах. Пробой происходит в области наибольшей напряженноста высокочастотного электрического поля. При давлении, близком к атмосферному, пробой имеет вид искрового разряда и обычно сопровождается сильным звуком. В случае пониженных давлений (единицы или десятки миллиметров ртутного столба) пробой сходен скорее с тлеющим разрядом. Пробой волновода вызывает значительное отражение волны ввиду большой проводимости высокочастотного разряда. Нормальная передача энергии прекращается; режим генератора резко меняется, что может иногда привести к выходу вакуумного прибора из строя.
В тех местах на волноводе, где происходит пробой, металл окисляется. Обозначим через Е„р,б амплитуду напряженности электрического поля в волноводе, при которой начинается пробой. Величина пробивной напряженности зависит от ряда факторов — рода газа, давления, частоты колебаний, степени начальной ионизации и т. д. (см. ниже). Из опыта установлено, что при нормальном атмосферном давлении пробивная напряженность электрического поля сухого воз* Здесь и ниже для сокращения будем использовать выражение «высокочастотный пробой» вместо более полного названия «сверхвысокочастотный пробой».
Такое же сокращение будет иногда применяться и при рассмотрении других вопросов техники СВЧ. $02 Ет Епроб ~ Рпроб ~ можно вычислить мощность, при которой в случае чисто бегущей волны типа Н(о начинается СВЧ разряд: (~ проб)Н„= 4 ~пРоб ~~ ! ! (~ ) Если подставить в это выражение значения ер и ро, указанные в ~ 2.2, и положить Е„р,б =30 кв/см=3. 10 в~л, то расчетное ~равнение для определения пробивной мощности при волне типа Н(о в прямоугольном волноводе при нормальных условиях приобретает вид (Р„„,)~„— =597 а1 ~~ 1 — (2 Для удобства расчетов размеры а, Ь и длина волны Х, входя~цие в (5.9), выражены, в отличие от предыдущих общих выкладок, в сантиметрах, а пробивная мощность здесь выражена уже не в ваттах, а в киловаттах. Подобным же образом можно произвести расчет пробивной мощности для других типов волн и для других форм сечения волновода.
Ниже приводятся без вывода расчетные уравнения пробивной прочности прямоугольного и круглого волноводов при некоторых простейших типах волн для случая, когда пробивная напряженность равна 30 кв/см. Для волны типа Н!! в прямоугольном волноводе Рпроб = 298 ~Ь 1+ 2 1 (,'5.10) для волны типа Н(! в круглом волноводе Р„роб — — 1790 Я2 1— 'кр (5 11) $03 духа в диапазоне сантиметровых волн имеет порядок 30 кв/см. Примерно такая же величина определяет, как известно, пробой воздуха при постоянном напряжении. Совпадение этих величин является в значительной мере случайным и не может рассматриваться как указание на тождественность физических процессов, происходящих при разрядах в газах на постоянном токе и при сверхвысоких частотах. Для расчета пробивной (предельной) мощности Р роб люооге волновода следует воспользоваться уравнением, связывающим амплитуду напряженности электрического поля с мощностью бе(ущей волны.
Ооратпмся снова к наиболее простому в математическом отношении случаю прямоугольного волновода, возбужденного на волне типа Н!о. Пробой волновода должен наступить тогда, когда амплитуда Бапряженности электрического поля Е в центре широкой стенки достигнет Е„р,б. Полагая в выражении (5.5) Для волны типа Но| в круглом волноводе: ~проб =- 1805 й~ ~Г 1— кр (5 12~ Величины Х,р, входящие в эти выражения, должны подставляться в соответствии с уравнениями (3.82), (4.54) и (4.55) .
Для сравнения свойств различных типов передающих линий полезно рассмотреть величину пробивной прочности коаксиальной линии с воздушным наполнением при волне типа ТЕМ. Принимая Е Р,6=30 кв/см можно получить: .О Р„ро~ -=.1870 Ф 1п —,.~ . (5 13) Размеры сечения а, О, Р, В, д в уравнениях (5ЛО) — (5.13) выраженью в сантиметрах, пробивная мощность — в киловаттах. ' Неоднородности особенно сильно проявляются в коаксиальной линии, в результате чего разница в пробивной прочности коаксиальной линии и волновода становится еще более резкой.
$04 Произведем для примера расчет пробивной мощности прямоугольного волновода„имеющего сечение 10Х23 мм. Пусть длина волны генератора в свободном пространстве равна 3,2 см. Тогда согласно соотношению (5.9) пробой волновода при волне типа Н1о должен произойти при мощности, приблизительно равной 987 квт. Электрическая прочность коаксиальной линии всегда меньше, чем у волновода. В этом нетрудно убедиться, учитывая ограничение (4.66), накладываемое на диаметры проводников коаксиальной линии. Так, при длине волны 1=3,2 см, задаваясь отношей Х нием — = 3, из выражений (5.13) и (4.66) можно получить: Ы(~— , Р„р,~ <530 квт. Следует иметь в виду, что размеры сечения прямоугольного волновода, предназначенного для работы на волне 3,2 см, могут быть несколько больше, чем 10Х23 мм. Пробивная мощность такого волновода должна еще сильнее отличаться от рассчитанной здесь предельной пробивной мощности коаксиальной линии.
Проделанные расчеты не учитывают возможных неоднородностей, приводящих к локальному повышению напряженности электрического поля и облегчающих возникновение пробоя~. Не учтены здесь и другие факторы, в том числе стоячие волны, при которых пробивная мощность также оказывается ниже расчетнои величины (см. ~ 7.5, 6). Обычно на практике допустимая мощность, передаваемая в нагрузку по СВЧ тракту, принимается с необходимым запасом и составляет 20 — 30$ от рассчитанной предельной пробивной мощности. Тем не менее, проведенные расчеты позволяют сделать вывод, что электрическая прочность волноводных линий достаточно высока и в основном удовлетворяет передаче энергии от большин- бречь, поскольку волноводы имеют, как правило, воздушное наполнение. Построение строгой теории волновода с учетом потерь в стенках крайне затруднено в связи с необходимостью введения новых граничных условий.
Обычно пользуются следующим приближенным методом определения потерь. Сначала потери не учитывают и решают обычную краевую задачу, как это было сделано в 3 и 4 главах. Затем полагают, что присутствие потерь не изменяет структуру полей и величину токов в стенках волновода. Используя токи, определенные из предположения об отсутствии потерь, находят джоулевы потери при конечной (заданной) проводимости стенок. а. ПОстоянная затухания при конечной проводимости стенок волновода При наличии потерь постоянная распространения ~ должна быть комплексной: у=а+Я. Поле в линии в этом случае изменяется по закону Е = Е е-"'е~(' — ~'~.
Постоянная затухания а может быть вычислена из следующих ~оображений. Согласно выражению (5.14), при длине волновода, равной единице„напряженность поля уменьшается в е" раз, '1 мощность, пропорциональная квадрату напряженности, уменьшается в е'" раз. Следовательно, мощность, поглощаемая в стенках волновода на единице длины, равна: ,~Э ~Э (1 Е-2а) где Р— мощность, поступающая на вход волновода. Преобразуя полученное выражение, получаем: 2а 1 ПОТ 1 Р Р Обычно потери в волноводах невелики и можно положить ""' ((1. Раскладывая выражение е '" в ряд по малому параметру и используя первые два члена разложения, получаем 1 РпОт 1 й = —. 2 Р Таким образом, согласно уравнению (5.15) для расчета постоянной затухания а необходимо вычислить мощность Рп„1, рассеиваемую в стенках волновода при длине 1 м.
Мощность Р, передаваемую по волноводу, можно определить из выражений типа (5.1) и (5.2). 107 б. Единицы измерения потерь Затухание поля в любой линии передачи, в том числе и в волноводе, принято выражать в логарифмических единицах — децибелах. Пусть абсолютная величина напряженности поля и мощность бегущей волны, подаваемой на вход рассматриваемой линии, равны ~Е„~ и Р„,. Под ~Е,ы,~ и Р„„будем подразумевать соответственно напряженность поля и мощность волны, поступающей с выхода линии в согласованную нагрузку. Между этими величинами по соотношению (5.14) имеется очевидная связь: — ~Е, ~е — '~ Ры„=Р, е — 2~, (5.20) где ~ — геометрическая длина рассматриваемой линии между входом и выходом. Обозначим через Е потери в линии, определяемые соотноше- нием (5.21) Единица затухания ~.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
