Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Поэтому концепция колебательных контуров с сосредоточенными постоянными теряет свой смысл. В качестве колебательных систем СВЧ используются иолые резонаторы — устройства, имеющие много общего с волноводными линиями. Передающие линии и резонаторы находят широкое применение в радиотехнической аппаратуре СВЧ. С помощью этих устройств создаются аналоги всех элементов цепей, известных на более низких частотах, — индуктивностей, емкостей, активных сопротивлений. Различные комбинации передающих линий СВЧ и неоднородностей позволяют создавать полосовые и заграждающие фильтры, трансформаторы, мостовые схемы и другие типы многополюсников, а также ряд устройств, неизвестных или редко применяемых на более низких частотах.
Электровакуумные приборы, используемые в диапазоне сверхвысоких частот, непосредственно содержат в своем составе полые резонаторы, отрезки волноводов и других передающих линий. Все более широкое применение здесь находят специальные типы передающих линий СВЧ вЂ” замедляющие системы.
Поэтому раздельное рассмотрение «лампы» и «схемы» на сверхвысоких частотах теряет всякий смысл. Тесная связь электронных процессов с явлениями в передающих линиях и колебательных системах — одна из наиболее характерных особенностей электроники СВЧ, Много сложных проблем возникает и при измерении параметров и характеристик электро- вакуумных приборов СВЧ. В связи с этим разработка электронных и газоразрядных приборов СВЧ требует глубокого знания теории и техники волноводов, полых резонаторов и замедляющих систем. 1.3.
НЕДОСТАТКИ ОБЫЧНЫХ ПЕРЕДАЮШИХ ЛИНИЯ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ КОНТУРОВ НА ПОВЫШЕННЫХ ЧАСТОТАХ При передаче энергии на сравнительно низких частотах широкое применение находят открытые двухпроводные длинные линии. Похожими свойствами обладают и коаксиальные линии, используемые в диапазонах метровых и дециметровых волн*. Как двухпроводные, так и коаксиальные линии не свободны от некоторых недостатков, особенно сильно проявляющихся по мере повышения рабочей частоты. 1. С увеличением частоты возрастают активные потери в металле и диэлектрике, что приводит к быстрому затуханию волны, бегущей вдоль линии.
Особенно сильное затухание наблюдается в кабелях со сплошным диэлектрическим наполнением. Применение таких линий, начиная с волн сантиметрового диапазона, становится затруднительным даже при использовании лучших диэлектриков, обладающих наименьшим углом диэлектрических потерь.
Жесткие коаксиальные линии с воздушным наполнением имеют некоторые преимущества, но также обладают высоким затуханием за счет потерь в стенках, главным образом во внутреннем проводнике, где имеется наибольшая плотность высокочастотного тока. 2. Дополнительным источником потерь в открытых двухпроводных линиях является излучение, обусловленное сравнимостьв длины волны и расстояния между проводниками линии. Наряду с потерями передаваемой энергии, излучение нежелательно и с точки зрения паразитных связей и наводок на окружающую аппаратуру. В режиме приема открытая линия обладает по этой жо причине низкой помехозащищенностью. Эти обстоятельства, особенно резко проявляющиеся с увеличением частоты, ограничивают применение двухпроводных линий, начиная с частот порядка 300 Мгц. Коаксиальная линия обеспечивает практически полную экранировку и отсутствие излучения, поскольку толщина наружного проводника линии (наружной трубы) значительно превышает глубину проникновения электромагнитного поля в металл, имеющую на СВЧ порядок единиц или долей микрона.
С этой точки зрения коаксиальная линия более применима на сверхвысокой частоте, нежели двухпроводная линия. 3. Одним из крупных недостатков как двухпроводных, так и коаксиальных линий является их низкая электрическая прочность, характеризуемая мощностью, при которой в режиме бегущей волны наступает электрический пробой (СВЧ разряд) между провод- э Т Теория длинных линий, поперечные размеры которых малы по сРаВнению с длиной волны, известна из ~1,2~ и здесь не рассматривается. никами линии.
Как будет показано, с повышением частоты поперечные размеры этих фидеров необходимо уменьшать примерно пропорционально длине волны во избежание появления высших типов волн, затрудняющих практическое использование линий. Поэтому на волнах сантиметрового диапазона и даже на дециметровых волнах обычные линии не в состоянии обеспечить передачу больших мощностей, получаемых от современных генераторов и усилителей СВЧ. . 4. Если длинная линия предназначена для передачи малой мощности, то проблема электрического пробоя теряет свою остроту. Тем не менее, уменьшение расстояния между проводниками, необходимое при повышении рабочей частоты, затрудняет механическое изготовление линии. Следует также учесть, что металлические проводники двухпроводных и коаксиальных линий недостаточно жестки и нуждаются в поддерживающих устройствах.
Так, в коаксиальной линии оказывается необходимым использовать шайбы из диэлектрика или применять сплошное диэлектрическое заполнение. Обеспечение жестких допусков на взаимное расположение проводников и, следовательно, на электрические параметры линии наталкивается на ряд трудностей. Неоднородности по длине линии вызывают нежелательные отражения волн. Наконец, за счет малой механической жесткости возможно появление вибраций проводников, что также ухудшает работу линии.
Перечисленные недостатки делают нежелательным применение открытых двухпроводных линий уже на волнах дециметрового диапазона и затрудняют применение коаксиальных линий на сантиметровых волнах. Точные границы применения этих линий привести нельзя. Так, коаксиальные линии небольшой длины иногда применяют прп малой передаваемой мощности на волнах длиною 1 — 3 сл.
Равным образом находят применение коаксиальные кабели со сплошным диэлектрическим наполнением даже при большом затухании, если от линии не требуется высокого коэффициента полезного действия. Подобная ситуация встречается при многих измерениях на СВЧ. Однако во всех случаях, когда необходимо передать с малыми потерями большую мощность, например, от передатчика к антенне радиолокационной станции, коаксиальные линии оказываются непригодными в диапазоне волн короче 10 см. Использование обычных колебательных контуров с сосредоточенными постоянными ЛС на сверхвысоких частотах наталкивается на те же затруднения, с которыми приходится встречаться при работе с обычными длинными линиями. В результате роста потерь на излучение, потерь в металле (за счет скин-эффекта) и потерь в диэлектрике добротность колебательного контура падает.
Резонансное сопротивление контура также уменьшается. Поэтому даже на дециметровых волнах трудно создавать контуры типа 1'-С, обладающие высокой частотной ф 1.4. ПОНЯТИЯ ВОЛНОВОДА И ПОЛОГО РЕЗОНАТОРА От многих недостатков, присущих обычным длинным линиям, свободна передающая линия, выполненная в виде полой металлической трубы, не содержащей внутренних проводников.
Такая труба, служащая для передачи энергии в диапа- ЫюыРи зоне СВЧ, получила название волновода*. Возможность передачи электромагнитных волн по '"~«1с'4 ( Й полым трубам может быть ~л качественно показана даже на примере обычной длинной линии. Рассмот- а) д~ рим двухпроводную линию (рис. 11), в которой включены параллельные ответвления («шлей- Рис.
1.1 а — переход от открытой двухпроводной линии к прямоугольному волноводу; б — структура электрического поля и эпюра распределения его вдоль стороны бУ ' Под термином «волновод«в широком смысле понимают любую передающую линию в диапазоне сверхвысоких частот. селективно тивностью. С другои стороны, ~е ко о меньше до и емкость и следова, меньше геометрические разме о ° рических ских размеров приходится сн а в контуре во избежание электрических пробо О Рассеиваемую на элемента онтура, ввиду уменьшения .
б„ обстоятельства особенно существенны и „ тельных контуров в сочетании с электроваСоздание эталонов частоты, резонанснь х во измерительных устройств также затрудняется вви шения Р~~~нан~ных свойств обычных частотах. Т~~рия длинных линий показ у 1 Рать отрезки двухпроводных рых соизмерима срабочей длиной волны. Подобные контуры сраспределенными постоянными (система Лехера) обладают некоторыми преимуществами в сравнении с контурами типа Х,С, но вместе с тем сохраняют и все недостатки, присущие обычным открытым длинным линиям.
Таким образом, применение открытых колебательных контуров как с сосредоточенными, так и распределенными постоянными не решает проблему колебательных цепей сверхвысоких частот. ыполняется во всех практически встречающихся случто выполн чаях).
3 В иду отсутствия внутреннего проводника отпадает необхо димость вв введения опор. В результате этого полностью исключаются потери в диэлектрике, которые, как указывалось, часто препятствуют применению обычных линий на весьма высоких частотах. 4. Потери в стенках волновода должны быть меньше, чем потери в проводниках обычных линий, например коаксиальной линии, ввиду отсутствия внутреннего проводника малого диаметра с 60льшОЙ плОтнОстью тока. 5.
Электрическая прочность волновода выше, чем у коаксиальной или двухпроводной линии, так как увеличен путь возможного электрического пробоя в области максимальной напряженности электрического поля. Используя похожие рассуждения, можно качественно показать переход от открытого колебательного контура с сосредоточенными постоянными типа ЕС к замкнутой колебательной системе— полому резонатору. ° ° ° ° ° ° ф х х л х х ххх Рис.
1.2. а — переход от открытого колебательного контура с сосредоточенными постоянными к тороидальному полому резонатору, б — структура электрического и магнитного полей внутри полого резонатора На рис. 1. 2 показаны промежуточные формы колебательного контура обычного типа с индуктивностью, уменьшенной сначала до одного витка, а затем с несколькими параллельно включенными витками. В пределе получается металлическая полость с сосредоточенной емкостью в середине. Тороидальная часть этого полого резонатора играет роль индуктивности. Описанный тороидальный резонатор является простейшим, хотя и далеко не единственным типом полых резонаторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
