Коаксиально-волноводные переходы

При подсоединении волноводов к другим элементам тракта СВЧ, например к генератору, имеющему выход на коаксиал необходимо использовать переходы от коаксиальной линии к волноводной.

Стандартно используемые переходы от коаксиального кабеля с волной типа Т к прямоугольному волноводу с волной типа Н₁₀ показаны на рис. 11.

В широкой стенке волновода прорезается отверстие по диаметру внешней оплетки коаксиала, который вставляется в это отверстие и припаивается к волноводу. Внутренний проводник коаксиала в виде зонда входит в волновод на определенную глубину, обеспечивающую согласование перехода. С одной стороны волновода устанавливается фланец для соединения с основным трактом, с другой - волновод закорачивается на расстоянии от сечения ввода коаксиала, равном четверти длины волны (Н₁₀). В данной конструкции коаксиал подключен к волноводу параллельно, волноводный шлейф в сечении включения коаксиала имеет бесконечное сопротивление. Диафрагма служит для дополнительного согласования перехода с волноводной линией.

Рассмотренная конструкция перехода является достаточно узкополосной ее полоса 5-7% по уровню КБВ=0,95.

Более широкополосной является конструкция, показанная на рис. 11 в). Отличие от предыдущего случая состоит в наличии металлического стержня, припаянного в своей средней части к зонду, а концами к противолежащим узким стенкам волновода. В этом случае полоса согласования расширяется до 10-15% , что связано с тем обстоятельством, что распределение тока по зонду становится равномерным и слабо меняется в полосе частот, т.к. ток протекает сначала по вертикальному зонду, а затем переходит на горизонтальный стержень (в предыдущей конструкции ток на конце зонда равнялся нулю). Горизонтальный стержень не участвует в возбуждении волны Н₁₀, поскольку возбуждаемый им вектор поля Е параллелен широкой стенке волновода. Расстояние между широкими стенками меньше половины длины волны и волновод для поляризации вектора Е, параллельной широкой стенке волновода, является запредельным.

Рис. 9 Коаксиально - волноводные переходы

Нерегулярности волноводного тракта

К нерегулярностям волноводного тракта относятся пассивные реактивные штыри, располагаемые в волноводе параллельно линиям вектора Е, и диафрагмы. Данные элементы используются, как правило, в схемах согласования волноводных трактов, либо в качестве элементов фильтров.

Штыри в волноводе

На рис. 12 изображен емкостный штырь, представляющий собой цилиндрический пассивный проводник, припаянный одним концом к широкой стенке волновода. Эквивалентная схема замещения штыря показана на том же рисунке. Она содержит последовательный контур, включенный параллельно в линию передачи. Вследствие концентрации линий поля Е на конце штыря образуется емкость. Индуктивность обусловлена прохождением токов по штырю.

Если длина штыря мала, то индуктивность незначительна и схема замещения такого штыря – емкость. При увеличении длины штыря индуктивная составляющая увеличивается и при некоторой длине емкостная и индуктивная составляющие сопротивления становятся равными, в результате образуется резонансный последовательный контур, включенный параллельно в волноводный тракт и накоротко замыкающий этот тракт на резонансе. Штырь в этом случае называется резонансным.

Рис.10 Емкостный штырь и его схема замещения

Использование емкостных штырей существенно снижает электропрочность волноводов.

В случае, когда штырь полностью перемыкает волновод (рис.13), он имеет только индуктивную составляющую сопротивления и называется индуктивным.

Рис.11 Индуктивный штырь и его схема замещения

Реактивность, вносимая штырями, зависит от диаметра штыря, его расположения относительно узких стенок волновода (расстояние d) и может быть найдена с использованием графиков, приводимых в справочной литературе.

Последовательные емкости в схемах замещения штырей на рис. 12 и 13 учитывают конечность толщины штыря и при тонких штырях ими можно пренебречь.

Волноводные диафрагмы.

Волноводные диафрагмы представляют собой тонкие металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода. На практике чаще всего используются симметричные индуктивная и емкостная диафрагмы и резонансная диафрагма.

Индуктивная диафрагма представлена на рис.14 а) Токи, текущие по стенкам волновода, частично замыкаются через диафрагму. В магнитном поле этих токов запасается магнитная энергия. Поэтому схема замещения индуктивной диафрагмы в прямоугольном волноводе с волной Н₁₀ представляет собой индуктивность, включенную параллельно в линию передачи. Величина нормированной реактивной проводимости индуктивной диафрагмы b_L может быть рассчитана по приближенной формуле:

b_L= (λ_в\a)ctg²[π d_L/(2a)]. (6)

Емкостная диафрагма уменьшает зазор между широкими стенками волновода, в результате этого происходит концентрация поля Е на кромках диафрагмы. Поэтому схемой замещения емкостной диафрагмы (рис. 14 в)) является емкость, включенная параллельно в линию передачи с нормированной реактивной проводимостью b_c

b_c= (4b/λ_в)ln{cosec [π d_c/(2b)]}. (7)

В (6) и (7)λ_в - длина волны типа H₁₀ в волноводе (см. соотношение (1)), λ₀ - длина волны в свободном пространстве, остальные обозначения ясны из рис.14.

Рис.12 а) Индуктивная диафрагма; б) емкостная диафрагма; в) резонансная диафрагма.

Резонансная диафрагма содержит в себе элементы индуктивной и емкостной диафрагм и имеет схему замещения в виде параллельного резонансного контура, параллельно включаемого в тракт. Выбором размеров диафрагмы можно достичь резонанса на рабочей длине волны. Резонанс на заданной частоте можно получить при множестве размеров диафрагм, отличие их состоит в различной внешней добротности полученных контуров. На резонансе сопротивление контура равно бесконечности и диафрагма ведет себя как полосно-пропускающий фильтр. Полоса пропускания зависит от внешней добротности контура.

Перечень вопросов

1. Диапазон длин волн, характерный для использования прямоугольных волноводов.

2. Основной тип волны. Составляющие полей Е и Н. Картина силовых линий. Координатные составляющие токов на широкой и узкой стенках волновода, зависимость их величин от координат точки наблюдения. Зависимость фазовой скорости и длины волны от диэлектрич. и магнитной проницаемости заполнения. Критическая длина волны. Характеристическое сопротивление.

3. Почему не излучает продольная щель, прорезанная по середине широкой стенки волновода?

4. Первый высший тип в прямоугольном волноводе. Составляющие полей Е и Н. Картина силовых линий. Критическая длина волны.

5. Стандартные размеры волноводов 3-х и 10-сантиметрового диапазонов.

6. Зависимость потерь в металле для волновода от длины волны генератора для волны Н₁₀. Как определяется область рабочих частот волны Н₁₀?

7. Как посчитать мощность, пропускаемую по волноводу. Как изменяется максимально пропускаемая мощность в диапазоне рабочих длин волн?

8. Как в прямоугольном волноводе изменяются потери и максимально пропускаемая мощность при приближении рабочей частоты к критической частоте для используемого типа волны.

9. П и Н образные волноводы. Их достоинства и недостатки по сравнению с прямоугольными.