Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Влияние металлических пластин на электрическое поле волн типов Иго и Н1~ в прямоугольном волноводе Рис 5Л2 Ребристые волноводы Н- и П-образного сечений аов в прямоугольный волновод критическая длина волны типа Н~о должна увеличиться при неизменной критической волне типа Н~,. Рабочая полоса частот, соответствующая работе на видоизмененном типе волны Н10, может быть тем самым значительно увеличена, При заданной частоте сигнала размер а Н- или П-образного волновода может быть значительно уменьшен по сравнению с обычными прямоугольными волноводами. Расширение полосы частот и уменьшение габаритов волноводов достигаются ценой снижения пробивной мощности и увеличения затухания.
Это не дает возможности очень широко применять Н- и П-образные волноводы. Тем не менее, они могут оказаться полезными, например, в случае, когда по одной и той же линии требуется передавать умеренную мощность в 3- и в 6-сантиметровом диапазонах волн. 127 * Это явление рассматривается с несколько иной точки зрения в ~ 10.2,в, посвященном полым резонаторам с так называемой укорачива|о~цей емкостью. Волноводы Н-образного сечения также нашли применение в выводах энергии магнетронов, где они используются в качестве трансформирующих отрезков линий — четвертьволновых трансформаторов (см. ~ 7.6,а).
Здесь немаловажное значение имеют геометрические размеры волновода, в особенности малые размеры а и о'. Снижение пробивной прочности не играет в данном случае существенной роли, так как секция Н-образного волновода располагается внутри вакуумной оболочки магнетрона. б. Полосковые (ленточкые) лачии Полосковые передающие линии представляют собою дальнейшее развитие прянципов двухпроводной и коаксиальной линий. Заменим у коаксиальной линии наружный круглый проводник прямоугольным и будем увеличивать размер а при круглом или прямоугольном внутреннем проводнике (рис.
5.14, а, б). Удаляя Рис. 5Л4. Переход от коаксиальной линии с волной типа ТЕМ к симметричной полосковой линии в пределе боковые узкие стенки, можно прийти к конструктивному варианту симметричной полосковой линии, изображенному на рис. 5Л4, в. Эта линия образована двумя металлическими лентами, между которыми проходит третья, более узкая металлическая полоса или круглый стержень. В симметричной полосковой линии может быть возбуждена волна типа ТЕМ (при частичном заполнепии диэлектриком — волна квази-ТЕМ) со структурой поля, указанной на том же рисунке.
Если размер Ь сечения линии меньше половины длины волны, то поле может лишь провисать в поперечном направлении, спадая в .обе стороны по экспоненте. Боковые участки линии подобны прямоугольному волноводу, возбуждаемому на частоте ниже критической. Заметного излучения высокочастотной энергии из линии не происходит, если ширина а лент не менее чем в 5 раз превышает расстояние Ь между пластинами. Полосковые линии иногда выполняются в виде тонких металлических слоев (фольги), нанесенных на листы диэлектрика (рис. 5Л5). При изготовлении таких линий может быть использован метод печатных схем, что особенно ценно при массовом производстве аппаратуры СВЧ.
Простота, компактность, малый вес и дешевизна — основные достоинства полосковых линии. Рабочая полоса частот полосковых линий значительно больше, чем у стандартных прямоугольных волноводов. Повышение частоты, как 128 и в случае коаксиальной линии, ограничено возбуждением высших типов волн. Критические длины волн ближайших типов ТЕ и ТМ полосковой линии могут быть вычислены из соотношений ~, ) ~л~ — — 2ь ф' я; (1„Р) з А, > ~ ~ = ( 2и + (5,47) в. Диэлектрические волноводы Канализация электромагнитных волн может осуществляться не только с помощью передающих линий, образованных металлическими проводниками, но и с помощью диэлектрических пластин или стержней, не ограниченных металлическими поверхностями.
Примером такой линии является круглый диэлектрический волновод, представляющий сплошной диэлектрический цилиндр. С физической точки зрения распространение волн по диэлектрическому волноводу обусловлено полным внутренним отражением, происходящим при наклонном падении волны на поверхность раздела двух диэлектриков со стороны среды, имеющей болев высокую диэлектрическую проницаемость.
Наглядным пояснением здесь могут служить парциальные волны, рассмотренные в $ 2.8. Анализ показывает, что волны, распространяющиеся по диэлектрическому волноводу, в общем случае являются гибридными, т. е. имеют все шесть составляющих электрического и магнитного полей. Среди бесчисленного 9 И. В. Лебедев Здесь ~,р — средний периметр сечения симметричной полосковой линии, совпадающий с силовой линией магнитного поля, изображенной на рис.
5.14, в. Предполагается, что пространство между проводниками заполнено однородным изотроп- Я измктР ным диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью е. С учетом соотношения Металл ~5.47) ширина ленты ю Рис. 5Л5. Поперечное сечение симметричдолжна быть м~н~ш~ 2 ной и несимметричной полосковых линий Расчеты показывают, с диэлектрическим наполнением что пробивная мощность полосковых линий с воздушным наполнением примерно в 4 раза меньше, а потери несколько выше, чем у обычного прямоугольного волновода, имеющего ту же верхнюю границу рабочих частот. В отношении пробивной прочности полосковые линии близки к коаксиальным, но выгодно отличаются от них прос~ отой конструкции. Полосковые линии находят применение в высокочастотных трактах некоторых типов СВЧ приемников, работающих в диапазоне примерно от 500 ЛХг~ до 10 Гг~. Эти линии целесообразно применять и в устройствах, где не требуется передача весьма больших мощностей, но где решающую роль играют габариты и вес ~30~.
Конструкция, близкая к симметричной полосковой линии, нашла широкое применение в коаксиальных измерительных линиях с передвижным зондом (см. $ 7.2 и 8.7). С помощью полосковых линий особенно удачно решается задача конструирования компактных сложных узлов СВЧ трактов — фильтров, ответвителей и др. Однако непосредственного применения при конструировании электровакуумных приборов СВЧ полосковые линии пока почти не нашли. множества типов волн, могущих существовать в диэлектрическом волноводе, наибольший интерес представляет так называемая дипольная волна типа НЕ1~, структура поля которой изображена на рис. 5Л6. Этот тип имеет бесконечно большую критическую длину волны, т.
е. может в принципе существовать на любых частотах. Напряженность поля спадает приблизительно по экспоненциальному закону в радиальном направлении при удалении от поверхности диэлектрика. Часть энергии передается внутри диэлектрика, а остальная — движется за пределами диэлектрического цилиндра. Излучения энергии при этом не происходит: поле как бы «прижимается» к диэлектрическому стержню. Это прижимание тем значительнее, чем больше отношение диаметра стержня д к длине волны в свободном пространстве и чем выше диэлектрическая проницаемость ь атер;."алл, пз которо~о изготоглен стержень. Рис.
5Л6. Структура поля в диэлектрическом волноводе при |ибридной волне типа НЕ,| Волны, обладающие подобными свойствами, принято называть поверхностными. Как будет показано в гл, 11 при рассмотрении замедляющих систем, фазовая скорость поверхностных волн всегда несколько ниже (а не вьппе, как в обычных волноводах) скорости света в свободном пространстве. Затухание волн в диэлектрическом волноводе зависит от тангенса угла потерь используемого диэлектрика и убывает с уменьшением отно- И шения ~, так как при этом все меньшая часть энергии волны переносится внутри диэлектрика.
Диэлектрический волновод особенно важен для нижней части миллиметрового и для субмиллиметрового диапазонов волн, где полые металлические волноводы обладают значительным коэффициентом затухания и имеют весьма малые размеры сечения. Для работы на одной волне типа НЕп диаметр д диэлектрического стевжня должен быть достаточно малым, чтобы не допустить существования ближайшего высшего типа волны. Анализ показывает, что критическая длина волны* ближайшего высшего типа составляет ~ Критическая (граничная) длина волны в диэлектрических и других открытых волноводах имеет несколько иной смысл, чем в полых металлических.
При Х= Х,д не происходит экспоненциального затухания поля в поперечном сечении волновода и энергия данного типа волны излучается в окружающее пространство. 130 здесь е1 и е2 — относительные диэлектрические проницаемости диэлектрика, из которого изготовлен волновод, и окружающей среды. Таким образом, дли работы на одном типе волн диаметр волновода и' должен быть меньше, чем Хрт,З ~/е,— ее.
На субмиллиметровых волнах диэлектрический волновод должен иметь вид тонкой нити. Этот тип передающей линии прост в изготовлении, имеет сравнительно малые потери и, несмотря на некоторые трудности, имеет перспективы практического применения на волнах порядка 1 мм и короче. Интересно применение диэлектрических волноводов на волнах оптического диапазона. В этом случае волновод имеет вид тончайшего волокна, изготовленного, например, из стекла, окруженного слоем другого стекла, имеющего меньшую величину е.
Возможно объединение большого числа таких волокон (до 10') в гибкие жгуты, служащие для передачи оптических изображений. В этой области, как и в ряде других направлений, техника СВЧ смыкается с современной оптикой (см. $12.2). Яаялп прок а) Рис. 5.17.
Волноводные линии: а — однопроводная линия а диэлектрическим покрытием, б Н-образный металло-диэлектрический волновод Некоторый интерес представляют металло-диэлектрические волноводы, находящие иногда применение в диапазоне СВЧ наряду с рассмотренными линиями. Примеры устройства двух металло-диэлектрических волноводов — одиночного металлического провода, покрытого слоем диэлектрика, и Н-образного металло-диэлектрического волновода показаны на рис.
517. В поперечном сечении этих линий, как и в случае диэлектрического волновода (и ленточной линии, рассмотренной в ~ 5.8, б), поле убывает по экспоненциальному или близкому к экспоненциальному закону. г. Радиальная линия При конструировании сверхвысокочастотной аппаратуры приходится сталкиваться с еще одной, несколько необычной линией передачи — так называемой радиальной линией (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
