Элементы волноводного тракта

Устройство, предназначенное для выполнения той или иной функции (возбуждение, передача, разделение, преобразование структуры поля электромагнитных волн, модуляции, фильтрации электромагнитного сигнала) называют волноводным узлом.

Эти узлы, как правило, представляют собой отдельный конструктивный блок. Комплекс волноводных узлов и участков волноводов образует волноводный тракт. Любая составная часть волноводного узла со специфическими свойствами называется волноводным элементом.

Каждый волноводный элемент создает в нем определенную нерегулярность (изменение формы или размеров волновода). Эти нерегулярности изменяют структуру поля, преобразуют волны.

 

Элементы коаксиальной линии

Соединение (рис. 26). Эквивалентная схема соединения показана на рис. 27.

 

Рис. 26

Рис. 27

 

В месте стыка создается допол­­нительное электрическое поле. Это поле носит реактив­ный характер. От получив­шей­ся ступеньки волна будет отра­жать­ся. Для уменьшения отра­же­ния применяют конус­ный пе­ре­­ход (рис. 28).

Конусный переход с постоянным по длине отношением радиусов позволяет достичь хорошего согласования в полосе частот.

Согласование волноводов с одинаковыми номинальными разме­рами.

Длинные тракты из жестких волноводов для удобства производства и монтажа изготовляются из отдельных волноводных секций, которые соединяются при помощи фланцев. Наиболее широкое применение нашло дроссельное соединение (рис. 29).

В точках АВ вместо электрического контакта дроссельное соединение образует короткозамкнутый отрезок , состоящий из двух отрезков . Здесь электрический контакт перенесен на расстояние , поэтому качество его не имеет значения.

 

Рис. 29

 

Хорошо выполненное дроссельное соединение обеспечивает коэффициент отражения в полосе частот .

 

Волноводный изгиб

Плавные изгибы с радиусом кривизны несколько громоздки, но обеспечивают хорошее согласование. Отражение волны имеет место в сечении А и В, но коэффициенты отражения в этих сечениях противоположны по знаку (рис. 30).

Реактивные элементы

Волноводная диафрагма – тонкая металлическая пластинка в попе­реч­ной плоскости волновода, перекрывающая часть его сечения.

Эти диафрагмы почти не вносят активных потерь, но создают значительное местное поле за счет возбуждения нераспространяющихся волн.

Емкостная диафрагма и схема замещения показаны на рис. 31.

	а)
		б)

Вg

 

Рис. 31

 

Здесь В_g – реактивная проводимость диафрагмы.

Такая диафрагма вносит емкостную составляющую проводимости в месте ее расположения.

Недостатком является уменьшение допустимой мощности, передаваемой по волноводу.

Индуктивная диафрагма (рис. 32).

 

 

Рис. 32

 

Схема замещения изображена на рис. 33.

Где – реактивная проводимость диафрагмы.

Вg

Здесь в реактивном поле преобладает магнитная составляющая. Уменьшение напря­же­ния пробоя незначительно, поэтому такие диафрагмы нашли широкое приме­не­ние.

 

Резонансное окно (рис. 34, а)); схема замещения изображена на
рис. 34, б).

Рис. 34

	а)		б)

Резонансная частота диафрагмы определятся из соотношения:

 

.

 

С уменьшением отверстия диафрагмы добротность возрастает, но обычно не превышает величины 10. Иногда такая диафрагма выполняется в виде вакуумноплотного слоя, имеющего малые потери на СВЧ.

Реактивные штыри и стержни.

Одиночный металлический штырь, погруженный в волновод и соединенный с его стенкой, создает значительное реактивное поле за счет токов проводимости, наведенных в нем набегающей волной (рис. 35).

 

 

Рис. 35

При длине штыря наступает резонанс. Толстые штыри с имеют резонансную длину на 10 – 30 % короче. При штырь имеет емкостную проводимость.

 

Короткозамыкающие поршни

В тех случаях, когда длину короткозамкнутого отрезка линии нужно регулировать, на его конце устанавливают поршень. Он отражает всю падающую на него волну, применяется для настройки объемных и коаксиальных резонаторов. На рис. 36 изображена одна из конструкций поршня. Недостатком такого устройства является постепенное изнашивание контактных лепестков.

 

Неотражающие устройства

Диэлектрический фазовращатель. Функцией фазовращателя является создание регулируемой разности фаз волны между его входом и выходом.

На рис. 37 изображен вариант фазовращателя.

В такой конструкции на длине получим следующий угол, на который изменится фаза:

,

 

где , , а отношение .

Пластина вызывает наибольшее замедление волн, находясь в середине волновода.

 

Оконечные нагрузки

Для полного поглощения распространяющейся волны служат оконечные нагрузки (рис. 38).

 

Суммарное затухание волны на пути до замкнутого конца и обратно равно .

Подбором диэлектрика пластины можно добиться коэффициента отражения не более 5 %.

 

Фильтры типов волн

Для разделения либо избирательного подавления волн используются структурные отличия электромагнитных полей и волн различных типов.

Примером такого устройства является разделительный поляризационный фильтр, используемый в радиорелейных трактах (рис. 39).

 

Рис. 39

 

На вход 1 фильтра поступает волна типа с вертикальной и горизонтальной поляризациями. Вертикально поляризованная волна беспрепятственно проходит в плечо 3. В начале плеча 2 расположены две параллельных треугольных пластины Т, создающих запредельный волновод для волны . Волна отражается от пластины П полностью и проходит в плечо 2. Для согласования плеч предусмотрены индуктивный стержень С и диафрагма Д. С их помощью добиваются отсутствия отражений в каждом из плеч для волны соответствующей поляризации.

 

Вращающееся сочленение

Для питания антенны с круговым вращением или других подобных устройств необходима конструкция сочленения, обеспечивающая стабильность передачи при вращении одной части фидера (волновода) относительно другой. Рассмотрим вращающееся сочленение на основе коаксиальной конструкции (рис. 40).

Здесь используется два дроссельных перехода. В центральном стержне длина этого перехода равна , что переносит короткое замыкание в точки АВ. Второй дроссельный переход похож на токовой у неподвижного соединения. Отличие состоит в том, что этот дроссель состоит из двух четвертьволновых. Такая конструкция позволяет в точке иметь электрический контакт с помощью скользящих контактов в виде подпружиненных ламелей.

 

Направленный ответвитель

Часто возникает необходимость изъять из основного фидера (волновода) часть мощности, например, для целей измерения. В этом случае применяют направленные ответвители. Одна из конструкций представлена на рис. 41.

 

 

Рис. 41

К основному волноводу присоединен дополнительный. В смежных стенках имеются отверстия на расстоянии . Размеры этих отверстий калиброваны так, чтобы через них проходила необходимая часть мощности из основного волновода (например, одна тысячная). Измерив эту мощность можно судить о мощности в основном волноводе.

Мощность, просочившаяся через отверстия в сторону измерительной секции складывается, а та часть, которая направлена влево (в сторону поглотителя) взаимно компенсируется, так как разность фаз волн, прошедших отверстия 1 и 2 равна 180°, так как разность пути .

 

9.10. Многоплечные узлы

Разветвление в плоскос­ти Н (рис. 42).

Согласующая диафрагма нужна для того, чтобы не было отражения от стенки волновода. Мощность делится пополам, так что .

 

Разветвление в плоскости Е (рис. 43).

	а)		б)

 

Рис. 43

 

На рисунке 43, б) видно, что поля на выходах 2 и 3 противофазны.

9.11. Коаксиальный кольцевой мост (гибридное кольцо)

Кольцевой мост (рис. 44) имеет длину .

Напряжение в точках 2 и 3 между собою находятся в противофазе. В точке 4 будет узел напряжения (т.е. оно будет равно 0). В точке 3 – синфазный с «1». В точке 2 – противофазный с «1».

 

 

Антенный переключатель