Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 16
Текст из файла (страница 16)
п. д. линии составляет приблизительРвх но 89%. Если Е = 1 дб, чему соответствует = 1,26, то к. и. д.. живых снижается до 79%, и т. д. Высокий к. и. д. передающей линии и низкие потери необходимы, например, при передаче энергии от передатчика к антенне радиолокационной станции, а также при передаче принимаемо1о сигнала от антенны ко входу приемника во избежание снижения дальности действия станции и уменьшения ее чувствительности. Наряду с указанным наиболее очевидным требованием к малости потерь следует иметь в виду два других обстоятельства, особенно сильно проявляющиеся при работе с весьма высокимп и весьма малыми мощностями.
Мощность, рассеиваемая на единице длины передающей линии за счет джоулевых потерь, как и на более низких частотах, мож вт оказаться достаточной для значительного разогрева и даже для расплавления линии. С этим приходится считаться при передаче весьма высоких средних мощностей. В самом деле, даже при умеренных потерях в 0,1 дб/м в стенках линии длиною 1 м должно рассеиваться в виде тепла более 2% передаваемой мощности. Если передаваемая по такой линии средняя мощность составляет десятки или сотни киловатт и выше, то могут потребоваться специальные меры для охлаждения стенок волновода.
Однако при более- низких средних мощностях, чаще встречающихся на практике, этим проявлением потерь в стенках можно пренебречь. Более подробного анализа требует влияние потерь на шучы. возникающие в волноводных тракта~ чувствительны" приемников СВЧ диапазона. В соответствии с законом Кирхгофа, отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности является величиной постоянной, равной излучательной способности абсолютно черного тела (идеального поглотителя).
Огсюда следует, что шумовая мощность Р „излучаемая передающей линией, равна мощности шумового излучения абсолютно черного тела Р „р„находящегося при той же абсолютной температуре Т, умноженной на коэффициент поглощения А, т, е 1 ш черн (5 31) С другой стороны, спектральная плотность излучения абсолютно чер-. *-. И ш черн/Ыч (величина мощности, излучаемой в полосе частот спириной в 1гц на частоте ~) на одну степень свободы, т. е. при одном типе волны, описывается формулой Планка* ш черн (5.32) Д; Й~ ит — 1 ш черн =АТ, описывающему «белый» ш~ м, спектральная плотность которого не зависит от частоты. Таким образом, в полосе частот Ы мощность шумового излучения абсолютно черного тела равна (5.33) Р,„„н = АТЬ~ Уравнение Найквиста (5.33) играет важную роль в расчетах шумовых явлений в диапазоне сверхвысоких частот.
Подставляя это выражение в (5.31), можно найти мощность шумов передающей линии, имеющей потери 1.,о, и находящейся при температуре Т: Рш —— — А T.~ 1 (534) Идеальная передающая линия без потерь, для которой ~, ю, = 1, по уравнению (5,34) не создает шумов при любой конечной температуре стенок. Чем больше потери в линии, тем значительнее мощность Р„, приближающаяся в пределе при Е,б, — с к излучению черного тела. При рассмотрении шумовых явлений вместо абсолютной величины ~шумовой мощности Р широко используется понятие эффективной шумовой температуры Т, определяемой как температура абсолютно черного тела, при которой в заданной полосе частот Л~ шумовая мощность равна шумовой мощности рассматриваемого источника. * По этим вопросам см.
~ЗЦ, а также: Э. В. Шпольский, Атомная физика, т. 1, Физматгиз, 1963, гл. Ъ'1. еде й — постоянная Планка, равная 6,62. 10-г4 дж сек; Ф вЂ” постоянная Больцмана, равная 1,38 ° 10 — ~г дж/град. В диапазоне СВЧ (~<10"гу) при нормальной температуре М((~г гТ. Тогда (5 32) приводится к более простому виду Таким образом, по уравнениям (5.33) и (5.34) можно записать: откуда (5 35~ Интересно отметить, что если на вход передающей линии поступает внешний шумовой сигнал с эффективной шумовой температурой Т„.„.
то потери в линии ослабляют этот сигнал, добавляя в то же время «собственные» шумы линии. В результате этого эффективная шумовая температура приемного тракта с учетом выражения (5.35) оказывается равной Т 1 (5.3б) Пользуясь уравнением (5.35) или (5.36) при Т . „=О, нетрудно найти эффективную шумовую температуру Т при нормальной температуре волновода Т=290'К. Если потери в линии составляют 1 дб (Еабс — — 1,26), то шумовая температура оказывается равной 59'К.
При более низких потерях изменение потерь на каждую десятую долю децибела соответствует изменению шумовой температуры приблизительно на 7'К. До недавнего времени такие шумовые температуры и соответствующие им шумовые мощности находились за пределами чувствительности усилительных приборов СВЧ диапазона. Однако с созданием сверхмалошумящих усилителей собственные шумы СВЧ трактов стали одним из факторов„ ограничивающих чувствительность приемников*.
Для снижения величинь~ потерь приходится сокращать длину приемного тракта, поскольку на Т, оказывают влияние полные потери 1.аб,. Иногда для снижения шумов идут по пути охлаждения приемного тракта, уменьшая значение температуры Т в уравнениях (5.35) и (5.36). Особенно большую роль играет выбор типа волновода, обеспечивающего низкую величину постоянной затухания а. Рассмотренными соображениями не исчерпывается роль потерь в передающих линиях СВЧ. Потери являются одним из источников погрешностей при некоторых измерениях. Учет потерь совершенно необходим при рассмотрении передающих линий, используемых в полых резонаторах (см. гл. 10 и 11), и т. д.
Однако следует учесть, что при разработке радиотехнической аппаратуры и электровакуумных приборов СВЧ протяженность волноводных линий составляет единицы или, максимум, десятки метров. Потери в волноводах на такой длине оказываются, как правило, очень малыми. В связи с этим во многих случаях волноводные устройства можно рассматривать как линии без потерь. * Шумовая температура квантовых парамагнитных усилителей имеет порядок 20 К и, по-видимому, в ближайшее время будет понижена до Ю'К. Значительные успехи в снижении шумов достигнуты также в области параметрических усилителей и ламп бегущей волны, ф 5.5.
ВОЛНОВОД, ЗАПОЛНЕННЫЙ ИЗОТРОПНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ Обратимся к случаю, когда волновод имеет не воздушное, как обычно, наполнение, а содержит какой-либо диэлектрик, относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости которого отличны от единицы. Наиболее простое решение может быть получено при однородном изотропном диэлектрике, целиком заполняющем полость волновода. Более сложное положение возникает, когда диэлектрик заполняет лишь часть объема волновода.
Общий анализ распространения волн по волноводам, проведенный в гл. 2, полностью охватывает случай однородного изотропного диэлектрического наполнения. Отвлечемся сначала от поглощения мощности в диэлектрике. Сравним критическую длину волны волновода, целиком заполненного диэлектриком, с критической длиной волны того же волновода, имеющего воздушное наполнение. Согласно уравнению (2.52), для однородного волновода любого поперечного сечения без потерь выражение фазовой постоянной 5 имеет вид 3" = ( — ') а~л — ( — ) (5.3?): Условием отсечки является ~2 = О.
Отсюда при е = р = 1 получаем известное тождество: Х=Х,р, т. е. Х,р — критическая длина волны в волноводе, имеющем воздушное (вакуумное) наполнение. Если относительные проницаемости е и р отличны от единицы, то длина волны, при которой происходит отсечка, изменяется. Обозначая эту длину волны через Х',р, из выражения (5.37) при ~~ =0 получаем: Таким образом, при заполнении волновода диэлектриком, имеющим е>1 или р>1, критическая длина волны увеличивается по сравнению с критической длиной волны того же волновода, наполненного вакуумом. Применение диэлектрического наполнения позволяет использовать волновод при неизменных габаритах на более низких частотах. Свойства некоторых наиболее употребительных диэлектриков приведены в приложении 4.
Относительную магнитную проницаемость во всех случаях, за исключением ферромагнетиков (см. ~ 8.5), можно считать равной единице. Рассмотрим в качестве примера прямоугольный волновод, имеющий размеры сечения 10Х23 мм (см. предыдущие числовые. примеры) . Наибольшая длина волны Х, при которой по этому 'волноводу возможно распространение волн в случае воздушного паполнения, равна 4,6 сл. Если этот волновод наполнить водой, имеющей относительную диэлектрическую постоянную в=80 при и=1 то не учитывая поглощения в воде, получаем наибольшую в Ф 1 пропускаемую волну равной приблизительно 41 см .
Соответствующая критическая частота составляет примерно 730 ЛХг~ вместо 6520 ЛХгц при воздушном наполнении. Можно было бы ожидать использования волноводов, заполненных диэлектриком, для уменьшения их габаритов или для внедрения волноводной техники в диапазоны более длинных радиоволн. При этом следует также учесть, что сплошное диэлектрическое наполнение волновода может повысить его пробивную прочность. Применение веществ с очень большой диэлектрической постоянпой открывает, на первый взгляд, заманчивые перспективы.
Однако одни диэлектрики обладают значительным поглощением на СВЧ, а другие, например кварц, хотя и имеют небольшие потери, но трудно обрабатываются. Целый ряд диэлектриков обладает низкой температурной стойкостью и т. д., поэтому применение их ограничено. Наполнение волноводов водой применяется в настоя~цее время лишь для создания волноводных поглотителей— согласованных нагрузок. Частичное заполнение волноводов однородным диэлектриком (полистирол, кварц и др.) часто бывает необходимо для изменения электрической длины линии. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
