Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 20
Текст из файла (страница 20)
рис. 5.18, а). Зта линия образована двумя параллельными металлическими плоскостями, между которыми имеется однородный диэлектрик или вакуум (воздух). Распространение волн по ней происходит в радиальном направлении от места возбуждения, как показано на рис. 5.18, а. Пунктиром обозначен фронт волны, имеющий форму Рассмотрим постоянную распространения у в случае запредельного волновода. По общим соотношениям имеем: Полагая для простоты е=р=1, получаем: 2л "~ = +— — 1„р При ~>~,р подкоренное выражение становится положительной величиной, и постоянная оказывается действительной (у = + а) . Подставляя это выражение в общие уравнения поля в волноводе, получаем: (5.49) Е = Е б"'-т = Е е-'" е~"' Ш ! (5.50) Н = Н е~"'-~' = Н е-"'е~"'.
Ш Ш Е= Е е-"е~"' Н = Н е-"е~"'. Постоянная затухания При ~.)> г.,р в подкоренном выражении (5.52) вторым членом в сравнении с единицей можно пренебречь: 2~ и — —. л„ Следовательно, если выбрать размеры сечения волновода достаточно малыми, чтобы при данной частоте обеспечить соотношение Х '3 ~.,р, то затухание в волноводе определяется только величиной Х,р и не будет зависеть от частоты.
Зто свойство запредельного волновода используется в ослабителях (аттенюаторах) предельного или, что то же, запредельного типа. Электрическое и магнитное поля в запредельном волноводе изменяются по экспоненциальному закону и пульсируют во времени без сдвига фазы по оси я. Такое же заключение было сделано в ~ 2.8 при рассмотрении парциальных волн в критическом режиме. Положительному знаку в уравнениях (5.49) и (5.50) соответствуют бесконечно большие напряженности поля на бесконечном расстоянии от рассматриваемого сечения, в силу чего этим решеБием можно пренебречь.
Таким образом, в запредельном волноводе поля изменяются по закону Величина а может быть вычислена по размерам сечения (в данном случае — по диаметру трубы). Если ~ Ъ )„, то ослабле- ние, как об этом говорилось, не зависит от частоты и является широкополосным.
Ослабитель не требует градуировки по какому- либо эталону. Абсолютная градуировка и широкополосность явля- ются большими преимуществами предельного ослабителя. Другим преимуществом является его линейная характери- стика. В случае волны типа Ео1 в круглом запредельном волноводе Ослабление рассчитывается в соответствии с выражениями (5.55), (5.53) и (4.34) по формуле дб/ед.
длины, 20,8 (5.56) а при возбуждении волны типа Н11 1б,О Х, = ~ дб/ед. длины, (5.57) 135 где Р— радиус запредельного волновода. Процессы, происходящие в запредельном волноводе, можно наглядно пояснить с помощью уравнений поля в волноводе. В качестве примера возьмем общие уравнения волн типа ТМ в прямоугольном волноводе (3.25) — (3.30). Учитывая в них множитель е'"' ~' и подставляя вместо у действительную величину, равную а, получаем, что поперечные электрическое и магнитное поля в запредельном волноводе сдвинуты по фазе на — (множи- 2 тель ~ в выражениях компонент Н~ и Н„). Это подтверждает отсутствие распространяющихся волн и переноса энергии.
С уменьшением частоты составляющие Н„и Ну неограниченно уменьшаются в силу наличия множителя о, а составляющие Е, Е„и Е, стремятся к постоянной величине. Фактически при Е-волнах в запредельном волноводе играет роль только электрическое поле. Таким же образом можно показать, что в случае Н-волн в запредельном волноводе превалирует магнитное высокочастотное поле.
Волновые процессы в запредельном волноводе исчезают, остается провисающее электрическое или провисающее магнитное поле. Работа предельного ослабителя сводится к простой электрической или магнитной связи между приемным и возбуждающим устройствами. Помимо ослабителя, запредельный волновод находит другие применения. В некоторых случаях требуется соединить волновод с вакуумной системой и откачать из него воздух, но не допускать излучения энергии через отверстие в стенке волновода. Для этого можно использовать металлическую трубку (штуцер) достаточно малого диаметра, работающую в режиме отсечки.
Трубка должна быть впаяна в стенку откачиваемого волновода. Аналогично производится соединение волновода или резонатора с компрессором для поддержания нужного давления или для обдува вакуумного прибора, являющегося частью полой системы. Запредельный волновод можно использовать для введения через него в основной волновод или в резонатор какой-либо диэлектрической ручки для механического управления.
Наконец, открытый штуцер, являющийся запредельным волноводом, полезен для визуального наблюдения процессов, происходящих внутри основного волновода (например, зажигания СВЧ разряда и т. п.). Для примера рассчитаем, какую длину металлической трубка необходимо использовать, чтобы ослабление на волне 3 см составляло не менее 60 дб (т. е. 106 по мощности). Прежде всего установим соотношение между величинами Х и Х,р и определим приемлемый диаметр трубки. Ориентируясь на низшую волну типа Н11, при которой ослабление может быть наименьшим, получаем: Х>3,4И; Я<0,88 см. Примем радиус трубки равным 5 мм.
По уравнению (5.52) вычисляем ослабление на единицу длины: 1=26 дб/см. Следовательно, уже при длине трубки ~, равной 2,5 см, излучением из трубки можно практически пренебречь. Если же отверстие того же диаметра сделать непосредственно в тонкой стенке волновода, то излучение было бы заметным. Запредельные волн оводы используются и непосредственно в конструкциях электровакуумных приборов СВЧ. Так, в многорезонаторных клистронах, используемых для усиления СВЧ колебаний, запредельный волновод играет роль пролетной трубы («трубы дрейфа»), расположенной между резонаторами.
В газо- разрядных шумовых генераторах запредельный волновод служит для введения разрядной трубки внутрь основного волновода и т. д. Глава шестая НЕОДНОРОДНОСТИ В ВОЛНОВОДАХ. МЕТОД ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ 5 6Л. КАЧЕСТВЕННЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ В предыдущих разделах рассматривались только волноводы неизменного поперечного сечения, ось которых строго прямолинейна. На практике же приходится иметь дело со значительно более сложными волноводными устройствами. В этих устройствах форма волновода скачкообразно изменяется, волноводы разветвляются, изгибаются и т. д.
Внутри волноводов располагаются стержни, диафрагмы и другие неоднородности. Примеры неоднородностей, часто встречающихся на практике, показаны на рис. 6.1. Рис. 6.1. Примеры неоднородностей в прнмоугольном волно- воде а — излом волновода, б — разветвление волновода (волноводный трой ник), в — диафрагма или окно Анализ неоднородностей значительно сложнее, нежели анализ обычного волновода. Принципиально можно, как и в рассмотренных задачах, попытаться решить строгую задачу методами теории поля, наложив соответствующие граничные условия. Однако при этом возникают дополнительные затруднения.
Сложным граничным условиям нельзя удовлетворить, рассматривая только один тип волны. В качестве примера можно привести возбуждающий пятырь в прямоугольном волноводе. Как было уже показано, поле вблизи штыря представляет сложную картину суперпозиции множества волн. Часть этих волн в общем случае может распространяться по волноводу, а все остальные затухают вблизи штыря. Даже в том случае, если распространяться по волноводу может по волноводу в противоположную сторону. Наличие этой волны можно истолковать, как результат отражения падающей волны от неоднородности.
Что касается участка линии правее неоднородности, то там может распространяться только одна волна, бегущая направо. Прочими неоднородностями здесь можно не интересоваться, положив, например, что волновод в обе стороньэ имеет бесконечную протяженность. фаха3яш, ая 3ална Рада Йл Опраженная Лана 0а3ающая 5олна а) Рис. 6.2. Сравнение падающих, отраженных и проходящих волн в случае волновода с одним распространяющимся типом волны и в случае двухпроводной передающей линии Рассмотренная картина справедлива для дальней зоны, где полями высших типов волн можно пренебречь. Действие неоднородности может быть, таким образом, уподоблено включению в обычную длинную линию некоторого четырехполюсника, изображенного на рис.
6.2,6. Этот четырехполюсник можно представить состоящим из сосредоточенных сопротивлений и рассматривать его в качестве эквивалентной схемы неоднородности. Такой подход не может дать ответа на вопрос о структуре и интенсивности полей непосредственно в ближней зоне. Сходство между реальной неоднородностью и ее эквивалентной схемой существует только в отношении амплитуд и фаз падающих, отраженных и проходящих волн вдали от неоднородности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
