Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 17
Текст из файла (страница 17)
5.10,а изображен волнозод прямоугольного сечения, внутри которого параллельно оси расположена диэлектрическая пластина. Предположим, что толщина пластины достаточно мала или ее диэлектрическая проницаемость лишь незначительно отличается от единицы. Тогда, отвле'каясь от строгого анализа, можно допустить, что в волноводе существуют те же типы волн, которые имелись бы при вакуумном наполнении, и происходит лишь возмущение соответствующей структуры поля и постоянной распространения волны. Изменение критической длины волны и фазовой скорости можно качественно приписать действию некоторой эффективной диэлектрической проницаемости, усредненной по поперечному сечению волновода. Если менять размер а', передвигая пластину внутри волновода (рис.
5ЛО,а), то эффективная диэлектрическая проницаемость должна изменяться в зависимости от конфигурации поля внутри волновода. Пусть, например, в волноводе возбуждена волна типа Н1р, при которой электрическое поле изменяется вдаль широкой стенки волновода по синусоидальному закону. Тогда возмущаю- ' Относительная диэлектрическая проницаемость воды указана здесь по результатам измерений на более низких частотах. В действительности величина е для воды падает с увеличением частоты. Например, установлено, что при Х-8 мм диэлектрическая постоянная дистиллированной воды при температуре 23'С составляет около 23.
Удельная проводимость воды на той же частоте равна 55 ом-'м-' пространстве, принято называть замедляюи~или системами. Таким образом, волновод неизменного поперечного сечения, имеющий диэлектрическое наполнение, может рассматриваться, как частный, хотя и далеко не единственный случай замедляющих систем. В связи с обсуждением диэлектрического наполнения волноводов следует упомянуть об интересном виде наполнения — электронно-ионной .плазме, находящей применение в устройствах диапазона СВЧ.
Если отвлечься от соударений электронов с молекулами газов, то при отсутствии .постоянного магнитного поля плазма ведет себя, как изотропный диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью, равной (5.39) где Л' — концентрация электронов в плазме; со — круговая частота наложенных извне сверхвысокочастотных колебаний; е и т — заряд и масса покоящегося электрона. Все величины, входящие в выражение (5.39), должны быть выражены в системе единиц СИ.
Плазма может быть создана внутри волновода путем зажигания разряда в газе на постоянном или на переменном токе. Концентрация электронов Ж зависит от величины тока, проходящего через разряд. Изменяя этот ток, можно плавно управлять величиной е плазмы и, следовательно, изменять критическую частоту и длину волны в рассматриваемой линии. Подобные устройства могут применяться в качестве малоинерционных фазосдвигателей при не слишком высокой мощности сигнала, проходящего по волноводу. Особый интерес представляет случай, когда в качестве среды, частично заполняющей волновод, используется магнитодиэлектрик — феррит, обладающий магнитной анизотропией.
Как будет показано в гл. 8, применение ферритов привело к созданию принципиально новых устройств, не -следующих принципу взаимности и играющих важную роль в современной технике СВЧ. $ 5.6. ВЫБОР ТИНА ВОЛНЫ, ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ СЕЧЕНИЯ ВОЛНОВОДА К волноводу, предназначенному для практического использования в качестве передающей линии, обычно предъявляются следующие основные требования. 1. Во всем рабочем диапазоне частот передача энергии по волиоводу должна осуществляться только одним типом волны. 2.
Волновод должен иметь достаточно высокую электрическую прочность для передачи большой мощности от генератора к нагрузке. 3. Потери в волноводе должны быть по возможности минимальными. 4. Габариты и вес волновода должны быть минимальными, а технология изготовления возможно более простой. Стремление работать на одном типе волны связано с тем, что существование нескольких типов волн эквивалентно включению между генератором и нагрузкой не одной, а нескольких передающих линий (по числу распространяющихся типов волн) . При этом оывает трудно создать конструкцию возбуждающих устройств и других элементов волноводного тракта, одновременно удовлетворяющую требованию высокого к. п.
д. при передаче энергии каждым из типов волн. Трудности особенно возрастают при работе в широкой полосе частот. Выбор типа волны, как правило, решается в соответствии с первым требованием. Для того чтобы обеспечить работу волновода только на одном типе волны, удобнее всего использовать, низший тип, т. е. тип, критическая длина волны которого имеет наибольшую величину.
Размеры сечения волновода должны быть такими, чтобы обеспечить существование волны низшего типа, но не допустить распространения волн всех других типов. Последнему можно удовлерить, сделав невозможным распространение типа волны, ближайшего к низшему. Если Х вЂ” рабочая длина волны (в свободном пространстве), то должны соблюдаться соотношения: ~' ( (Ркр) низшей волны; кр) ближайшей вывшей волны. (5А1) Необходимо отметить, что эти же условия обеспечивают наименьшие габариты волновода.
Из соображений простоты устройства волновода речь может идти, главным образом, о применении труб круглого или прямоугольного сечения. Проведем сравнение этих двух типов волновода. Низшей волной в круглом волноводе является волна типа Н1~, ближайшей к ней является волна типа Ео~. В прямоугольном волноводе низшей является волна типа Нщ', ближайшими высшими типами волн являются Н20 и Но1 (в зависимости от соотношения размеров а и Ь). Основным недостатком волны типа Н1~ в круглом волноводе является неустойчивость ее плоскости поляризации.
Рассмотрим. что произойдет, если в однородном круглом волноводе возбуждена волна с поляризацией, показанной на рис. 5.11,а. Эту волну можно представить в виде суммы двух линейно поляризованных волн относительно двух произвольных взаимно перпендикулярных направлений, как изображено на рис. 5.11,б,в. В идеально симметричном волноводе обе волны имеют одинаковые постоянные- распространения, т. е.
являются вырожденными. Фазовые скорости волн одинаковы, поэтому реальное положение плоскости поляризации остается неизменным. Однако при небольшой эллиптипичности волновода две волны, рассмотренные на рис. 5 11, б, в, имеют близкие, но не одинаковые фазовые скорости. Плоскость поляризации суммарной волны начинает самопроизвольно поворачиваться, подчиняясь, разумеется, принципу обратимости. Изменение плоскости поляризации возможно и при наличии других неоднородностей волновода — изгибов, разветвлений и т. и.
Контролировать поворот плоскости поляризации трудно, поэтому круглый волновод сравнительно редко используется для передачи энергии на волне низшего типа Н~1. 1лпипсвь ппля~и;а„,аа Рис. 5Л1. Волна типа Н.~ в круглом волноводе и ее разложение на две вырожденные волны с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации Волна типа Ео1, не являющаяся низшей волной, находит 'все же некоторое техническое применение. Ценным свойством волны Ео1 является полная круговая симметрия поля. Благодаря этому волна типа Ео1 используется на коротких отрезках во вращающихся соединениях антенных устройств СВЧ. Кроме того, волна типа ЕО1 применяется в линейных электронных ускорителях, где существенную роль играет продольная составляющая высокочастотного электрического поля. Волна типа Н1о в прямоугольном волноводе, как указывалось ранее, вырождения не имеет, если а+6.
Плоскость поляризации волны Н~о фиксирована, поскольку электрическое поле всегда остается нормальным к широкой стенке волновода. В силу этого обстоятельства предпочтение оказывается обычно не круглым, ч прямоугольным волноводам, хотя изготовление круглых труб и проще, нежели изготовление прямоугольных труб. Основной рабочей волной, используемой в подавдяюшем большинстве волноводных устройств, явллется волна типа Н1о. Определим размеры сечения прямоугольного волновода, удовлетворяющие работе на «чистой» волне типа Н~о.
В соответствии с условиями (5.40) и (5.41) можно записать: Отсюда получаем: (5 АЗ~~ Как показывает условие (5.42), размер Ь ограничен фактически лишь с одной стороны. Однако необходимо учесть, что зтог размер определяет электрическую прочность волновода и потери в стенках. Поэтому размер Ь выбирают обычно лишь немного меньше 2, порядка (0,3 — 0,4)Х. Что касается размера а, то его. в соответствии с условием (5.43) выбирают в большинстве случаев (0,7 — 0,8)Х. Отношение размеров а/Ь обычно выбирают равным 2. Указанные соотношения являются ориентировочными и не исчерпывают всех требований, существующих в диапазоне сверхвысоких частот.
В специальных случаях, например, при разработке ламп бегущей волны и некоторых типов газоразрядных приборов СВЧ, желательно применять прямоугольные волноводьт с уменьшенной высотой (уменьшенным размером сечения Ь) . Несмотря на снижение пробивной прочности и на увеличение затухания, здесь оказываются необходимыми «плоские» волноводы, узкий размер сечения которых составляет (0,1 — 0,2) Х. Для всех освоенных диапазонов волн в настоящее время существуют стандартные размеры прямоугольных волноводов. В приложении 5 приведены некоторые стандартные размеры труб, применяемых для изготовления волноводных линий. Обратимся к полосе частот (волн), пропускаемой прямоугольными волноводами.
Наибольшая длина волны Х „,, при которой может распространяться волна типа Н10, равна ~'макс ( (~'кр)н1о Наиболее короткая волна Х„„„, при которой волновод может передавать энергию только на волне типа Н1о, определяется одним из условий: Используя эти условия для волновода сечением 10Х23 мл, пелучаем: 4,6>Х>2,3 см.
Соответствующий диапазон частот лежит в пределах 1304О>~>6520 Мг~, т. е. не превышает одной октавы*. ' По определению, заимствованному из акустики, отношение крайних частот диапазона в 1 октаву равно 2: 1. Рабочую полосу (диапазон) частот волновода можно выразить в процентах относительно средней частоты. В рассмотренном примере максимальный диапазон частот составляет около 66% или +.33% от средней частоты.
Практически работать вблизи волны Х (Х,р) н не следует в силу падения пробивной прочности, а также роста потерь в волноводе (см. рис. 5.8). Точно так же нежелательно приближение к волне Х=(Х,р)ц, так как при этом уменьшается скорость затухания волны Н2о в местах ее возбуждения. Следовательно, при заданных размерах прямоугольной трубы существует вполне определенная полоса частот, в пределах которой можно практически использовать данный волновод.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
