Файл: Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 242
Скачиваний: 3
снизу /н=»1,25/^р " и сверху /в = /кР " = 1 ' |
6 6 / £ р " таким образом, |
|
его относительная ширина составляет |
Я / / 0 = 28%. |
|
Для избирательного подавления той |
или иной волны в волно |
|
вод встраивают фильтры типов волн, |
|
использующие особенности |
структуры электромагнитного поля подавляемой и пропускаемой волны. В данном случае из рис. 9.19 и 9.21 видно, что волна типа £oi имеет продольную составляющую электрического поля с мак симумом на оси волновода, а у волны типа Ян такой составляю
щей |
нет. Поэтому |
поглощающим фильтром может служить соос- |
ный |
с волноводом |
тонкий стержень из материала с малой прово |
димостью ( а ~ Л 0 0 |
См/м), т. е. высокими электрическими потеря |
|
ми. Два таких фильтра на концах волновода создают в нем одно-
модовый режим, подавляя волну Е0и |
Н\у |
Г и б к и е э л л и п т и ч е с к и е в о л н о в о д ы с в о л н о й |
В тех же случаях целесообразно применение гибких одномодовых волноводов с отношением полуосей &/а = 0,5-=-0,6, изготавливаемых из тонкостенного алюминия или меди и покрытых защитной ди электрической оболочкой (рис. 9.26). Стенки волновода для уве-
Шоб
Рис. 9.26
личения гибкости могут быть гофрированными. Такой волновод выпускается со строительными длинами в несколько сотен метров и наматывается на кабельные барабаны. Фидер из гибкого волно вода не имеет стыков, что обеспечивает его герметизацию и умень шает отражения. Монтаж волновода на антенной опоре также значительно облегчается.
КРУГЛЫЕ ВОЛНОВОДЫ С ВОЛНАМИ ТИПА Н 0 1 И Еоі
Д а л ь н я я в о л н о в о д н а я с в я з ь . Как следует из ф-лы (9.55), волна Яоі имеет весьма низкое затухание на частотах, в несколько раз превышающих критическую. Рабочая частота выбирается
обычно в миллиметровом диапазоне, вне |
полос интенсивного пог |
|||
лощения волн в парах |
воды и кислороде |
воздуха, |
(/ = 35—40 ГГц) |
|
( Я » 8 мм). Расчетное затухание порядка |
1 дБ/км |
достигается при |
||
радиусе волновода а«30 |
мм, когда |
f ~ 6 |
/ K p . При |
таких парамет |
рах волновода можно организовать |
широкополосную линию даль- |
|||
218
ней связи, обеспечивающую передачу весьма большого объема информации. Потери в волноводах компенсируются усилительны ми устройствами, устанавливаемыми с интервалом 10-f-25 км. Основными особенностями волновода дальней связи с волной ти па #оь затрудняющими его использование, являются вырождение между волнами и существенная многомодовость, способствующие образованию попутного потока. В волноводе указанных размеров распространяется свыше 100 волн других типов.
Вырождение между волнами типа Я м и £ ц сводит на нет пре имущества волны #оь так как сильная связь между волнами не
позволяет рассматривать их |
по |
отдельности. Гибридная волна, |
|
являющаяся суперпозицией |
волн |
Я 0 і и £ ц, .имеет |
затухание того |
же порядка, что и волна £ ц . Вырождение волн Н0І |
и Еп снимается |
||
путем изменения фазовой скорости и увеличения затухания волны
Ен в волноводах специальных конструкций. |
|
|
|
|
||
В о л н о в о д |
с д и э л е к т р и ч е с к и м |
с л о е м , |
нанесенным |
|||
изнутри на металлическую стенку. Диэлектрический слой |
суще |
|||||
ственно замедляет волну, |
имеющую сильное |
электрическое |
поле |
|||
в той части сечения, куда |
помещен диэлектрик. У волны типа Я 0 і |
|||||
при г•« а напряженность электрического |
поля очень |
мала |
(рис. |
|||
9.20); у волны же Ен, наоборот, значение |
Ег |
максимально |
у сте |
|||
нок волновода |
(рис. 9.22). Поэтому диэлектрический |
слой |
замед |
|||
ляет практически только волну Ен, а также увеличивает ее зату хание из-за потерь в диэлектрике.
В о л н о в о д ы со с п и р а л ь н ы м и и л и к о л ь ц е в ы м и - с т е н к а м и (рис. 9.27) используют различие в структуре магнит ного поля и токов в стенках у рассматриваемых волн. Волны типа Нот имеют только одну составляющую поверхностного тока j ф беспрепятственно протекающую по кольцам или спирали волново да; для них такой волновод
эквивалентен цельнометалли ческому волноводу с несколь ко уменьшенной проводимо стью. Все остальные волны, в том числе Яп, имеют продоль ную составляющую тока, для них зазор между кольцами
на
* или из
или витками спирали является излучающей щелью. Так как этот зазор и пространство во
круг спирали заполнены поглощающим материалом, коэффициент затухания указанных волн увеличивается до сотен тысяч дБ/км.
Плохая проводимость стенок волновода |
для рассматриваемых |
|||
волн изменяет также их фазовую скорость. |
|
|
||
У м е н ь ш е н и е п о п у т н о г о |
п о т о к а . |
Итак, оба |
типа вол |
|
новодов снимают » вырождение |
волн типа |
Я 0 і и £ ц и |
обладают |
|
фильтрующим действием по отношению |
к нежелательным волнам. |
|||
Повышение затухания паразитных волн |
уменьшает уровень попут- |
|||
ного потока, обусловленного преобразованием типов волн. Одновре менно несколько увеличивается затухание волны #<н. При осуще ствлении дальней передачи можно применять также комбиниро ванный тракт: чередование обычных металлических волноводов с фильтрующими.
Д л я уменьшения преобразования волн на нерегулярностях устанавливают чрезвычайно жесткие допуски на все конструктив ные характеристики волновода: качество обработки поверхности, эллиптичность сечения, смещение осей. Особенно интенсивно па разитные волны образуются на изгибах волновода и поворотах
трассы. Поэтому его ось должна иметь весьма большой |
радиус |
кривизны (порядка нескольких километров). Все повороты |
с боль |
шей кривизной выполняются из фильтрующих волноводов, либо имеют специальные конструкции, рассчитанные на минимум пре
образования волны типа #оі в другие. |
|
|
||||
В о л н а £ 0 |
1 |
применяется |
во вращающихся соединениях (см. па |
|||
раграф 14.7). Эта же волна |
в |
круглом волноводе |
с |
видоизменен |
||
ными стенками |
(см. параграф |
12.7) используется |
в |
ускорителях |
||
элементарных частиц, усилителях и генераторах свч. |
|
|||||
9.8. Возбуждение волноводов
ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
Возбуждением волновода называется создание в нем высокочас тотного электромагнитного поля. Дл я этого необходимо какимлибо способом ввести в него электромагнитную энергию: непосред ственно от генератора, из кабеля или другого волновода. Устрой
|
ство, служащее для этой цели, назы |
||||||||
|
вают |
элементом |
связи |
или |
возбуди |
||||
|
телем. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Связь волновода с источником осу |
||||||||
|
ществляется |
различными |
способами |
||||||
|
(рис. |
9.28). Если |
свч |
генератор |
имеет |
||||
|
коаксиальный выход, то |
коаксиальный |
|||||||
|
кабель заканчивается |
в |
волноводе |
||||||
|
штыревой |
антенной |
(а) |
или |
петлей |
||||
|
(б); |
некоторые типы |
клистронов так |
||||||
|
же имеют выход в виде штыря, погру |
||||||||
|
жаемого в волновод. Связь волновода |
||||||||
Рис. 9.28 |
с генератором и |
связь |
между |
волно- |
|||||
|
новодами |
может |
осуществляться |
с |
|||||
ПОМОЩЬЮ щелей (в) |
и отверстий |
(г), |
прорезанных |
в |
их |
||||
стенках.
С теоретической точки зрения во всех случаях речь идет о си стеме сторонних электрических и магнитных токов, заданных внут ри волновода или на его границах. Нужно расположить их так,
чтобы с наибольшей |
(.или заданной) |
эффективностью |
возбудить |
|||||
определенный тип волны в волноводе |
и не создать |
волн |
нежела |
|||||
тельного типа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Нормированная амплитуда |
возбужденной |
волны |
нужного типа |
|||||
U [ф-ла (8.48)] |
выражается |
через распределение |
электрических |
|||||
и магнитных сторонних токов следующим образом: |
|
|
|
|||||
|
Ь = |
~W J ( J " ' Ё " в ~ j " T ' " " в ) d V ' |
|
|
( 9 , 5 9 ) |
|||
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
где У — объем, |
в котором действуют |
источники; Е£в |
и |
# £ в — |
||||
напряженности |
поля |
пробной |
волны. Пробной |
называется |
норми |
|||
рованная волна того же типа, что и искомая, |
распространяющаяся |
|||||||
навстречу ей. Если в волноводе есть отражения, она представляет ся суммой падающей и отраженной волн.
Соотношение (9.59) является следствием леммы Лоренца в форме (7.43). Его вывод можно найти в {15]. Указанное соотноше ние позволяет определить наиболее целесообразное расположение возбудителей, создающих волну с наибольшей амплитудой. Для
этого нужно, чтобы |
подынтегральное |
выражение |
было |
макси |
мально. |
|
|
|
|
Пусть, например, волновод возбуждается элементарным |
элект |
|||
рическим излучателем, расположенным |
в весьма |
малом |
объеме |
|
V около точки М. Поле пробной волны можно считать неизменным |
||||
в пределах V и тогда |
|
|
|
|
U = |
Ё^в (М) • j JCTdV = ^ |
Ё£в (М) (/„О, |
(9.60) |
|
|
v |
|
|
|
где /С т1 — момент тока излучателя.
Из полученного выражения вытекает, что максимум 0 дости гается в том случае, если 1||Е"В , а точка М выбрана в том месте волновода, где величина Е*в максимальна. Идентичность структу ры пробной и возбуждаемой волн позволяют отнести эти правила непосредственно к нужной волне; из (9.59) следуют аналогичные соотношения для магнитных излучателей. Итак, амплитуда воз бужденной волны максимальна, при заданных величинах сторон них токов, если:
— сторонний электрический ток протекает вдоль электрическо го поля возбуждаемой волны; т. е. ось штыря располагается па раллельно Е;
— сторонний магнитный ток — вдоль магнитного поля, т. е.
ось петли или осевая линия щели параллельны |
вектору Н; |
— возбудитель располагается в максимуме |
соответствующей |
компоненты поля. |
|
Методику расчета возбудителей по ф-ле (9.59) рассмотрим на следующем примере.
ВОЗБУЖДЕНИЕ ОСНОВНОЙ ВОЛНЫ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА ШТЫРЕМ
Тонкий штырь длиной / расположен |
параллельно |
оси |
у |
на |
рас |
||||||
стоянии |
2 0 |
от. закороченного конца |
волновода |
и Хо от его |
боковой |
||||||
стенки |
(рис. 9.29). Распределение |
тока |
по |
длине |
штыря |
задано |
|||||
|
|
функцией /от (у). |
|
|
|
|
|||||
|
|
Короткозамыкательн |
О п р е д е л е н и е п о л я |
п р о б |
|||||||
|
|
й |
в о л н ы . |
Пробная волна |
ти |
||||||
|
|
па Ню распространяется по волно |
|||||||||
|
|
воду |
в |
направлении |
убывающих |
||||||
|
|
значений z |
и |
при z = 0 |
отражается |
||||||
|
|
короткозамыкателем. |
Электрическое |
||||||||
|
|
поле суммы падающей и отражен |
|||||||||
|
|
ной |
волн, |
согласно |
(9.24), |
опреде |
|||||
|
|
ляется |
выражением: |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Ej;B |
= |
- i f e 4 B t f S [ s i n E * e i p z |
+ |
||||
Рис. 9.29 |
|
|
|
|
+ |
r s i n £ x e ~ i p 2 ] |
е„. |
|
|
||
При |
коэффициенте отражения |
Г = — 1 выполняются |
граничные |
||||||||
условия Еу |
= 0 на поверхности 2 = 0 , |
тогда |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Б™ = 2 — Щ sinlxsinpze^. |
|
|
(9.61) |
||||||
О п р е д е л е н и е н о р м и р о в а н н о й |
а м п л и т у д ы . |
Под |
|||||||||
ставляем заданное значение тока и поля пробной волны в ф-лу
(9.59). Ток отличен от нуля только при |
х = х0 |
и z=z0, |
а поле (9.61) |
||||||||
не зависит от координаты у. Поэтому |
Е£в |
может |
быть |
вынесено |
|||||||
за знак интеграла: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
U |
= |
— j" JC T • Ё |
п в |
dV = |
|
Ё п в (*о. z0) |
JC T dV. |
|
|||
|
2РН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Интеграл |
от |
плотности |
|
тока |
по |
объему |
штыря |
|* JC T dV= |
|||
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= e ^ j ICT(y)dy=eyicpl |
равен |
моменту |
тока, |
где |
/ о р |
— усредненный |
|||||
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
по длине ток штыря. Следовательно, |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
U |
= рн |
| |
Яо (Icpl) |
sin I х0 sin у z0. |
|
|
|||
Подставляем сюда выражение для нормированного
коэффициента Я g |
(9.29) и |
получаем соотношение для |
|||
ванной амплитуды волны типа H i 0 |
: |
||||
,-, |
_ |
/ 1 |
kZB |
2 \о.б |
(7cpZ) sin % хй sin р z0. |
U |
— [ рН |
ft |
„и\ |
|
|
|
|
|
В |
аЬ |
|
значения
нормиро
(9.62)
