Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Эта полоса имеет порядок + 20 — 25% от средней частоты. В некоторых случаях рабочая полоса частот стандартного волновода оказывается недостаточной, например, при работе одного тракта на нескольких разнесенных частотах или при качании частоты в широких пределах, доходящих до октавы и более*.
Рабочая полоса коаксиальной линии значительно шире, чем у волновода, так как по условию (4.65) она ограничена только со стороны верхних частот. Некоторые возможности расширения рабочей полосы прямоугольного волновода будут показаны в ~ 5.8, а. Размеры прямоугольных волноводов для миллиметровых волн оказываются очень малыми.
При этом максимальная передаваемая мощность падает, потери увеличиваются. Дальнейшее укорочение волны затрудняет использование волноводов. В самом деле, для работы на волне длиною 2 мм по условиям (5.42) — (5.43) сечение волновода должно иметь размеры 2>а>1 мм, Ь<1 ми. Даже если принять наибольшие допустимые размеры а=2 лм и Ь = 1 лл, то расчетная пробивная мощность при Е „р,~ = 30 кв/см составляет всего 10,3 жвт.
Потери в стенках такого волновода, изготовленного из меди, должны составлять не менее 3,4 дб/м. Таким образом, обычные волноводы в нижней части миллиметрового диапазона и особенно в субмиллиметровом диапазоне имеют почти те же недостатки, которые присущи обычным длинным линиям в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн. Проблема передающих линий миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, пригодных для передачи больших мощностей и обладающих малыми потерями, полностью не решена до настоящего времени. ' При использовании современных ламп обратной волны и митронов диапазон электронной настройки, в пределах которого обеспечивается безы нерционное качание частоты, составляет от 1 до 2 октав.
4 5.7, МНОГОВОЛНОВЫК ВОЛНОВОДЫ Многоволновыми волноводами принято называть передающие линии, поперечные размеры которых допускают на рабочей частоте распространение более чем одного типа волны. Как указывалось в $5.6, при работе с такими волноводами встречается ряд серьезных трудностей. Однако не следует забывать, что увеличение отношения размеров поперечного сечеБия к длине волны позволяет в принципе значительно повысить электрическую прочность волновода и снизить потери.
Так, например, в случае прямоугольного волновода с размерами сечения а=А, Ь=2Х, возбужденного на волне типа Ня, электрическая прочность в соответствии с условием (5.9) примерно в 7 раз выше, чем у стандартного прямоугольного волновода с размерами а=0,8Х, 0=0,4Х. Постоянная затухания а по соотношению (5.25) снижается при этом почти в 4 раза.
Соответственно уменьшаются шумы волновода, рассматривавшиеся в $ 5.4,г. Наконец, увеличение размеров а, Ь могло бы сыграть немаловажную роль для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, где размеры сечения обычных волноводов являются слишком миниатюрными. Поэтому за последние годы значительно повысился интерес к многоволновым волноводам. Обычно при разработке многоволнового волноводного тракта стараются обеспечить подавление всех типов волн, кроме одного, выбранного в качестве рабочего типа. Рабочим типом, как и в случае стандартных «одно- волновых» волноводов, в прямоугольном волноводе часто выбирается низшая волна Н~0, но известно применение волн типа Н0~, Н~р и др.
Мощность паразитных (нерабочих) типов волн, возбуждаемых в отдельных участках волноводного тракта, должна быть по крайней мере на 15 — 20 дб ниже уровня рабочей волны. С этой целью оказывается необходимым использование специальных нолноводных фильтров и подавителей. Большую роль играет создание конструкций волноводного тракта, которые, учитывая особенности структуры поля рабочего типа волны, не вызывают преобразования энергии последней в энергию паразитных типов волн. В качестве примера можно привести прямоугольный волновод с размерами сечения 1,5ХХ2,5Х, который в диапазоне частот 8 — 10 Ггщ обеспечивает работу без компрессирования при импульсной мощности до 5 ЛХв~ (см. $ 5.3).
Средняя мощность, пропускаемая по этому волноводу без водяного охлаждения стенок, может достигать 100 квт. Наибольшие успехи в разработке и применении многоволновых волноводов достигнуты с использованием волны типа Н01 в круглом волноводе. Как указывалось в ~ 4.3 и 5.4, в, эта волна обладает аномально низким затуханием, неограниченно уменьшающимся с увеличением отношения —, ./~ причем при радиусе волновода Р=(3 — 4)Х потери должны быть на несколько порядков ниже, чем у обычных волноводов.
Однако одновременно с волной типа Н01 по подобному волноводу могут распространяться более сотни других типов волн, которые следует рассматривать как паразитные. Эти волны могут возбуждаться на неизбежно присутствующих неоднородностях, в том числе даже на плавных изгибах волновода. В результате этого часть энергии волны Н01 может переходить в энергию других типов волн, имеющих значительно больший коэффициент затухания. «Перекачка» энергии происходит особенно интенсивно при близости ' фазовых скоростей рабочей и паразитной волн. С этой точки зрения весьма нежелательной является волна типа Ец, имеющая в случае идеального круглого волновода такую же критическую длину волны, как Н„. Для уменьшения потерь на преобразование типов волн можно использовать тонкую диэлектрическую пленку, наносимую на внутреннюю поверхность волновода.
В результате этого фазовые скорости волн Н01 и Яп становятся различными, благодаря чему уменьшается общее затухание 125 при работе на волне типа Но|. Другим путем является использование круглого волновода, стенки которого собраны из изолированных металлических колец или из спирали, намотаннои виток к витку из изолированного провода. Изоляция между кольцами или витками резко нарушает продольные токи всех типов волн, кроме волны Ни, имеющей только круговые токи (таким же свойством обладают все волны типа Н„,). Создание описанным путем анизотропной проводимости стенок волновода приводит к самофильтрации паразитных типов волн и облегчает работу на «чистой» волне типа Нот.
Применение круглых волноводов, возоужденных на волне типа Но~, особенно привлекательно в миллиметровом диапазоне волн на частотах 50 — ЮО Ггц. До сих пор основные усилия направлялись на создание волноводных линий дальней широкополосной связи. Потери, достигнутые на практике, не превышают 1 — 2 дб/км, что в основном удовлетворяет системам связи. Представляет интерес использование волны типа НО1 в круглом волноводе непосредственно в радиоэлектронной аппаратуре СВЧ диапазона, так как, помимо малых потерь, применение волны типа Но~ может дать ряд других преимуществ. Так, ввиду отсутствия продольных токов в стенках волновода при волне типа Но~ не требуется применение специальных дросселирующих устройств при сочленении отдельных секций волновода и при разработке короткозамыкающих поршней (ср. $ 8.1 и 82).
Приведенными примерами далеко не исчерпывается проблема много- волновых волноводов. Родственные вопросы приходится решать, в частности, при измерении мощности гармоник и побочных излучений, присутствующих в спектре электронных генераторов и усилителей СВЧ. В самом деле, колебания, частота которых значительно превышает рабочую частоту, могут приводить к возбуждению высших типов волн даже в обычных «одноволновых» волноводных трактах, построенных на базе рассмотренных стандартных волноводов.
ф 5.8. ПРОЧИЕ ТИПЫ ПЕРЕДАЮЩИХ ЛИНИЙ СВЧ Помимо коаксиальных линий и волноводов прямоугольного и круглого сечения„в технике СВЧ иногда используются другие типы специальных линий. Коротко рассмотрим устройство и основные свойства нескольких типов таких линий. а. П- и и-образные волноводы Устройство П- и Н-образных ребристых волноводов показано на рис. 5Л2. Зти волноводы отличаются от обычных волноводов прямоугольного сечения присутствием одного или двух продольных металлических выступов, расположенных в центре широкой стенки трубы.
Основными преимуществами подобных волноводов являются: 1) более широкая, чем у прямоугольного волновода, полоса частот, в пределах которой волновод может работать в режиме одного типа волны; 2) уменьшенные габариты в сравнении со стандартным прямоугольным волноводом, рассчитанным на ту же среднюю частоту. Указанные свойства можно пояснить качественно следующими сооб.ражениями.
Рабочая полоса частот обычного прямоугольного воляовода при Ь< — ограничена возникновением ближайшей высшей волны типа Н~~. 2 Если в центре прямоугольного волновода, возбужденного на волне Н~о, разместить одну или две металлических пластины (ребра), как показано на рис. 5ЛЗ, то они не могут существенно возмутить электромагнитное поле.
Следовательно, ребра мало влияют на критическую длину волны Ныо С другой стороны, для волны типа Н о такие пластины оказываются в пучности электрического поля и должны сильно возмущать его. Отсюда нужно сделать вывод, что величина Х,р для волны типа Н1о существенно изменяется при внесении пластин. Как было показано в $ 2.8, критическая длина волны с физической точки зрения определяется резонансом волн, распространяющихся поперек волновода, при отсутствии вариации поля вдоль оси линии. Обращаясь снова к рис. 5ЛЗ, можно заметить, что ребра создают в центре волновода при волне типа Ни подобие сосредоточенной емкости.
Эта емкость включена параллельно воображаемым «шлейфам», образующим стенки прямоугольного еолновода ~см. рис. 1Л). Резонансная длина волны колебательного контура, образованного указанной емкостью и <аплейфами», увеличивается~ Поэтому при внесении высту- Рис. 5Л3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
