Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн (1992) (977984), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Пусть, например, Ло(а, так что по волноводу могут распространяться волиы типа Нш и Наь На рис. 8.16 показаны два способа возбуждения волновода при помощи штыревой антенны. При первом способе штырь параллелен вектору Е волны Н„и перпендикулярен вектору Е волны Нм. В соответствии с принципом, речь о котором шла ранее, при таком возбудителе в рассматриваемом многоволновом волиоводе возникнет лишь волна типа Н|о, в то время как амплитуда волны типа Нм будет равна нулю. При втором способе возбуждения ситуация диаметрально противоположна — возбуждена будет лишь волна типа Нсь Несмотря иа принципиальную возможность селективиого возбуждения волны низшего типа в многоволиовом волиоводе, практическое использование таких лилий передачи затрудняется из-за неизбежного возникновения волн высших типов в нерегулярных участках волиоводиого тракта.
Стаидартиые сечения волиоводов. Прямоугольный металлический волиовод с отношением сторон 2:! может обеспечить одно- волновый режим работы в интервале длин волн от Лопни=-а до Ло „=2а. Однако иа практике весь этот интервал никогда ие используют по двум причинам. Во-первых, приближать длину волны ° Область отсечки (Ло>2а), в пределах которой распространяющихся типов волн ие существует вообще.
° Область одноволновости (а(Л, =2а), в пределах которой может распространяться лишь волна основного типа Нш. ° Область многоволновости (Ло(а), в которой помимо волны осиовиого типа по волиоводу могут распространяться волны высших типов. Например, если рабочая длина волны лежит в интервале от а до 2а))'5, то в волноводе могут одновременно распространяться волны типа Ннь Нзо и Нм. Если длина волны становится меньше, чем 2а()г 5, то к иим добавляются волны типа Еы, Ны и т. д. Ра- зумеется, в области миоговол- Д7. Основы применения прямоугольныя волноводов 177 Т а б л и а а 8.1.
Стаидартиые сечения волиоводов Дивпввон илии волн Сечение валиаволл п,мм Ь,мм 36 18 7.2 3.4 23 1О 72 34 4 мм 8 мм 3 см !О см Мощность, переносимая по прямоугольному волноводу волной типа Н„. Усредненная за период колебаний мощность, переносимая вдоль оси а волной любого типа, определяется как интеграл от продольной проекции действительной частц комплексного вектора Пойнтинга, вычисленны1) по поперечному сечению волновода: и ь Р„=~ с(х ~ П„,(х, у) бу. (8.68) о о Пространственная зависимость функции П,р, для волны типа Нм задается формулой (8.54). Однако здесь удобнее выразить данную величину через максимальное значение напряженности элсктрнчсского поля в центре волновода и записать Ет (8.69) Интегрируя эту функцию с учетом того, что з)п'(лх/а) бх=а/2, получаем (8.70) генератора к значению Ло=а нежелательно из-за возможности случайной перестройки генератора в область многоволновости.
Возторых, как будет показано в гл. 11, в окрестности критической длины для основного типа волны, т. е. при Ло=2а, резко возрастают омические потери в стенках волновода. На практике рекомендуется следующее использование допустимой полосы длин волн: Лом~и=1.05а; Лом„=1.6а.
(8.67) Для всех участков СВЧ-диапазона промышленно выпускаются прямоугольные волноводы стандартных сечений. Некоторые часто используемые сечения приведены в нижеследующей таблице. Глава 8. Гтрлмоуго.чвный металлический волновод г78 Пример 8.6. Средняя мощность, переносимая волной типа Н„ по стандартному прямоугольному волноводу сечением 23Х10 мм на рабочей длине волны 3.2 см, равна 40 кВт.
Найти величину Е (5.75) — амплитуду напряженности электрического поля, которое существует в точках поперечного сечения волновода с координатой х=5.75 мм, т. е. на расстоянии четверти ширины волновода от узкой стенки. По формуле (8.70) находим амплитуду электрического вектора в центре волновода; 480лРчр Е мак л)т' ~-( — ")' — 1'= 480.8.~4-4.10 10~ = 6 04 10' В(м.
0.023 0.0! )т ! — (32/46)а 1 Тогда Е (0,75) =Е,„з)п (лх/а).— 4.27 10' Вгм. Электрическая прочность волиовода. Равенство (8.70) дает возможность ответить на существенный для практики вопрос о предельно допустимой мощности, передаваемой по прямоугольному волноводу. Дело в том, что наибольшая амплитуда Е „не должна превосходить некоторого вполне определенного уровня, выше которого наступает электрический пробой среды, заполняющей волновод.
Так, для сухого атмосферного воздуха при нормальном давлении принято считать, что Е „ арв=30 кВ/см. Следует иметь в виду, что эта цифра характеризует пробивной градиент электрического потенциала применительно к постоянному нли достаточно медленно меняющемуся напряжению. Электрический пробой в газе на высоких частотах является весьма сложным физическим процессом, протекание которого существенно зависит от инерционности носителей заряда. Поэтому приводимые здесь результаты могут рассматриваться не более как приближенные оценки.
Выделим в формуле (8.70) сомножитель (8.71) характеризующий удельную мощность, переносимую через площадку единичной площади. Если положить, что на центральной частоте рабочего диапазона волновода Хц/(2а) =0.7, и подставить д7, Основы применения прямоугольных волноводов 179 в выражение (8.7!) предельно допустимую напряженность электрического поля, то для волны типа Ню получим Руя хпп — — 420 кВт/см', При проектировании волноводных трактов с высоким уровнем мощности из-за возможности отражений обычно вводят трехкратный запас, снижая указанный уровень до 150 кВт/смх.
Отметим, что столь высокие значения предельно допустимой плотности потока мощности относятся исключительно к импульсному режиму работы устройств, характерному, например, для радиолокации или систем многоканальной широкополосной связи. В непрерывном режиме лимитирующим фактором выступает тепловой пробой волновода из-за нендеальности контактов в местах сочленения отдельных секций.
Для повышения электрической прочности волноводы герметизируют и заполняют сухим воздухом под давлением 0.3 — 0.5 МПа. Передача импульсных колебаний. В современных радиотехни1еских системах возникает потребность передавать по волноводам весьма короткие радиоимпульсы, длительность которых. может составлять единицы и даже доли наносекунды. Требуется теорети~ески оценить искажения таких импульсов из-за дисперсионных свойств волновода.
В принципе данную задачу можно успешно решить спектральным методом (см. гл. 5), поскольку для отрезка волноводной линии длиной 1 известен частотный коэффициент передачи К (/сп) = Ехр ( — /Ь (ы) Р1, (8.72) ПОЗВОЛЯЮЩИЙ СВЯЗатЬ СИГНВЛЫ На ВХОДЕ Бах(Г) И На ВЪ|ХОДЕ ааых(с) при помощи интеграла Фурье В„„(1) = — ~ Я,„(ы)Š— )я1 )СЕI 'С(пг. 1 Здесь 5 „(со) — спектральная плотность входного сигнала; функциям а„(1) и апаса(1) могут отвечать любые проекции векторов Е лли Н.
Точный расчет сигнала на выходе волноводной линии передачи, как правило, затруднителен из-за сложности вычисления интеграла. Однако можно получить достаточно простые и надежные оценки степени искажения сигналов, воспользовавшись понятием групповой скорости. При этом следует иметь в виду, что в соответствии с формулой (8.35) групповая скорость волн в волноводе зависит от частоты. Частотная дисперсия групповой скорости может приводить к тому, что для изучения распространения радиоимпульса с весьма широ- 180 Глава 8.
Прямоугольный металлический волновод ким спектром приходится выделять отдельные узкополосные группы, каждая из которых распространяется со своей собственной групповой скоростью. В определенных случаях интерференция таких групп на выходе может существенно искажать импульсные колебагрия. Приведем решение конкретной задачи, иллюстрирующее высказанные здесь положения. Пусть линия передачи длиной =10 м представляет собой прямоугольный волновод сечением 2ЗХ Х10 мм с воздушным заполнением. По линии передачи распространяется радиоимпульс с огибающей прямоугольной формы, имеющий следующие параметры: несушая частота )а=10 ГГц (во=3 см), длительностьимагн ьтв а'в аг пульса т =1 не=10 ' с. Требуется на качественном уровне проанализировать, существенны ли Рис.
8.17. Частотная зависимость молуля спантральной плотности искажения импульса на выходе прямоугольного радиоимпульса линии, обусловленных частотной дисперсией групповой скорости. Как показано в курсе теоретической радиотехники [2), модуль спектральной плотности .входного импульса будет иметь вид, представленный на рис. 8.17. При этом основная доля энергии сигнала заключена в пределах центрального лепестка спектральной диаграммы, т.
е. между частотами мь= — ьов+2п/т„=6.91.10го С-', ма=во — 2л/тн=5 65.10" с-'. Легко проверить, что по данному волноводу в пределах найденного частотного интервала может распространяться лишь волна низшего типа Н1о, для которой )но=46 мм, со,р=4.1 ° 10'о с '. Формулу для расчета групповой скорости можно записать в виде, эквивалентном (8.35): п„в = с )гг 1 — (ы„в!ы)а. Таким образом, низкочастотная часть спектра импульса образует группу, распространяющуюся со скоростью т„п,„=сУ 1 — (4.175.65)а=0.688 с.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
