Понятие о коэффициентах бегущей и стоячей волн

 

В случае, если нагрузка линии содержит активное и реактивное сопротивления, а также в том случае, если нагрузкой является активное сопротивление, величина которого отличается от волнового сопротивления линии, электромагнитная энергия уже не вся поглощается нагрузкой. Тогда только часть энергии бегущих волн поглощается нагрузкой, а остальная часть энергии возвращается к генератору в виде отраженных волн. Поскольку падающая и отраженная волны распространяются с одинаковой скоростью, то при их сложении, наряду с бегущей волной, образуется стоячая волна.

Для оценки качества согласования применяется понятие коэффициента отражения, которым обозначается отношение напряжения (или тока) отраженной волны к напряжению (или току) падающей волны в месте отражения:

 

 

 

Соотношения между амплитудами бегущей и стоячей волн характеризуются коэффициентом бегущей волны (К _бв ) и коэффициентом стоячей волны (К _св ).

Коэффициент бегущей волны К _бвпредставляет собой отношение минимального значения амплитуды напряжения U _min(или тока I _min) в линии к его максимальному значению U _max(или I _max) (рис. 3.2.6).

К _бв = = ;

 

Величина К _св обратна величине К _бв :

 

К _св = = ;

 

 

 

Рис. 3.2.6. К определению коэффициентов бегущей и стоячей волн

 

Если в линии бегущая волна отсутствует, а существует только режим стоячей волны, то U _min = 0, и K _бв = 0.

При отсутствии стоячей волны U_min= U_max. В этом случае K_бв = 1.

 

 

Глава 3. ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ СВЧ

 

Для передачи энергии СВЧ обычно применяются коаксиальные кабели и волноводы.

Коаксиальные кабели

 

Конструкция коаксиального кабеля приведена на рис. 3.3.1.

 

 

 

Рис. 3.3.1. Конструкция коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель состоит из внутреннего проводника, твердого высокочастотного диэлектрика, внешнего коаксиального проводника и пластмассовой защитной оболочки. Обычно в качестве диэлектрика используется полиэтилен. Внешний проводник выполняется в виде оплетки из тонких голых медных проволок. Защитная оболочка предохраняет внешний проводник от окисления и механических повреждений.

Из-за воздействия поверхностного эффекта ток СВЧ проходит по внутреннему проводнику и внутренней поверхности внешнего проводника. Наружная поверхность внешнего проводника имеет нулевой потенциал, что упрощает прокладку линий.

Волновое сопротивление применяемых на практике коаксиальных кабелей обычно составляет 50 – 90 ом.

К достоинствам коаксиальной линии относятся:

– отсутствие излучения энергии;

– экранирование от внешних электромагнитных полей;

– стабильность параметров.

Коаксиальные кабели используются для передачи СВЧ энергии при длине волны свыше 10 см. При длине волны короче 10 см заметно увеличиваются потери энергии во внутреннем проводнике за счет повышения его сопротивления, вызванного влиянием поверхностного эффекта. Увеличиваются также потери в диэлектрике кабеля.

 

 

Волноводы

 

Поскольку наличие внутреннего проводника и полиэтиленовой изоляции в коаксиальном кабеле делает невозможным использование кабеля для передачи энергии СВЧ при длине волны менее 10 см, то становится очевидным, что в таких случаях необходимо использовать линию передачи, не имеющую внутреннего проводника. Такая линия называется волноводом. Волновод представляет собой полую латунную трубу с посеребренной или позолоченной внутренней поверхностью. При использовании волноводов сохраняются все преимущества, присущие коаксиальным линиям. Благодаря отсутствию внутреннего проводника и диэлектрика, в волноводе исключены потери энергии, ограничивающие применение коаксиальных кабелей.

Принцип передачи энергии по волноводу основан на свойствах длинных линий. Если к проводам длинной линии подключить четвертьволновый короткозамкнутый отрезок линии, то это не повлияет на работу линии, т. к. входное сопротивление этого отрезка бесконечно велико (рис. 3.3.2).

 

Рис. 3.3.2. Принцип передачи энергии по волноводу

 

 

Увеличивая количество таких четвертьволновых отрезков, можно получить сплошную конструкцию длинной линии прямоугольного сечения – волновод (рис. 3.3.3).

 

Рис. 3.3.3. Волновод

 

Для каждого волновода существует критическая длина волны λ_кр, при которой возможна передача СВЧ энергии. Величина критической длины волны λ_кр определяется размером широкой стенки волновода (b):

λ_кр = 2 b;

 

Таким образом, для передачи электромагнитной энергии размер “ b ” широкой стенки волновода должен составлять не менее половины длины волны передаваемых колебаний.

Если длина волны передаваемых колебаний будет больше критической, то длина короткозамкнутых отрезков длинной линии, образующих стенки волновода, окажется меньшей, чем λ/4, и величина входного сопротивления каждого такого отрезка уже не будет бесконечно большой. Входное сопротивление короткозамкнутых отрезков станет недопустимо малым, и электромагнитная энергия вдоль волновода распространяться не будет.

 

 

Объемные резонаторы

 

Как известно, короткозамкнутые отрезки длинных линий обладают свойствами колебательных контуров. Подобными свойствами обладают и короткозамкнутые отрезки волноводов. Колебательная система, представляющая собой отрезок волновода, замкнутый с обоих концов, называется объемным резонатором.

Принцип работы объемного резонатора основан на свойствах короткозамкнутой длинной линии (рис. 3.3.4).

 

Рис. 3.3.4. Короткозамкнутый четвертьволновый отрезок

длинной линии

 

Если на вход короткозамкнутого четвертьволнового отрезка длинной линии подать синусоидальное напряжение от генератора СВЧ, то в линии установится режим стоячих волн.

В этом случае напряжение в начале линии (у генератора) будет максимальным, а в конце линии (в месте короткого замыкания) – равно нулю. Ток достигает максимального значения в месте короткого замыкания, т. е. в конце линии. В начале линии ток будет равен нулю, т. к. входное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового отрезка линии бесконечно велико.

Следовательно, напряженность электрического поля будет максимальной в месте подключения генератора, а максимальная напряженность магнитного поля – в месте короткого замыкания. Диаграмма распределения напряженности электрического и магнитного полей приведена на рис. 3.3.5.

 

Напряженность электрического и магнитного полей можно увеличить путем параллельного соединения нескольких четвертьволновых отрезков линии. При бесконечном увеличении числа параллельно соединенных отрезков линий получается сплошная замкнутая система в форме цилиндра диаметром l/2. Такая система называется объемным резонатором (рис. 3.3.6).

Генератор оказывается подключенным к точкам, расположенным на пересечении торцевых поверхностей цилиндра с его продольной осью.

Распределение напряженностей электрического Е и магнитного Н полей показано на рис. 3.3.7.

 

 

 

Рис. 3.3.6. Объемный резонатор

 

 

3.3.7. Распределение электрического и магнитного полей по диаметру объемного резонатора

Глава 4. АНТЕННЫ

Назначение

Антенна представляет собой радиотехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии токов высокой частоты в энергию электромагнитного поля и обратно. Антенна является одним из основных элементов, входящих в состав радиопередающих и радиоприемных устройств. Радиопередающая антенна излучает электромагнитную энергию в окружающее пространство. Радиоприемная антенна извлекает часть электромагнитной энергии из окружающего пространства, преобразует ее в энергию токов высокой частоты и подает ее на вход приемного устройства. Антенны обладают свойствами обратимости, поэтому часто одна и та же антенна используется как для излучения, так и для приема радиоволн (особенно, в радиолокации).

Классификация антенн

Антенны классифицируются по следующим признакам:

1. По назначению:

a) передающие;

b) приемные;

c) комбинированные (приемопередающие).

2. По форме:

a) вибраторные;

b) параболические;

c) рупорные;

d) щелевые.

3. По направленности характеристик излучения и приема:

a) направленные;

b) ненаправленные.

 

 

Симметричный вибратор

Любая антенна представляет собой открытый колебательный контур, настроенный на заданную частоту. Простейшей антенной является симметричный вибратор. Симметричный вибратор представляет собой проводник, изолированный с обоих концов. В центральную часть этого проводника включен источник тока высокой частоты. Питание симметричного вибратора обычно производится с помощью симметричной фидерной линии.

Симметричный вибратор может быть получен из разомкнутой двухпроводной линии при разведении ее концов на 180º. При сложении падающей и отраженной волн в разомкнутой линии устанавливаются стоячие волны. В тех точках линии, где амплитуда напряжения равна нулю, амплитуда тока максимальна, а в точках с максимальной амплитудой напряжения амплитуда тока равна нулю. Расстояние вдоль линии между нулевой амплитудой тока и нулевой амплитудой напряжения равно одной четверти длины волны. Поэтому для работы на собственной частоте λ₀ длина каждой половины симметричного вибратора должна быть равна четверти длины волны. При этом полная длина антенны (2l) равна половине длины волны. Симметричный вибратор с такими размерами называется полуволновым вибратором.

Схема полуволнового симметричного вибратора приведена на рис. 3.4.1.

 

 

Рис. 3.4.1. Полуволновый симметричный вибратор