Сочленения волноводов и переходы на разные типы линий

6.1. Перечислить схемы связи, которые применяются в переходах, предназначенных для возбуждения и приема электромагнитных колебаний. Какие требования предъявляются к таким переходам?

6.2. Описать узкополосный зондовый переход с коаксиальной линии на прямоугольный волновод . Чем достигается здесь распространение волн по волноводу только в направлении его нагрузки? Из каких соображений выбирают высоту зонда (штыря) и его местоположение в продольном и поперечном сечениях волновода?

6.3. Что ограничивает полосу пропускания зондового коаксиально-волноводного перехода? Как устроен широкополосный неперестраиваемый переход?

6.4. Описать волноводно-коаксиальный переход с детектором. Отметить назначение всех элементов перехода и процесс настройки его?

6.5. Описать принцип действия и назначение элементов коаксиально-волноводного перехода, эскиз которого показан на рис. 6.1.

Рис. 6.1

 

6.6. Пояснить, как происходит трансформация Т- волны в волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе посредством коаксиально-волноводного перехода, показанного на рис. 6.1. Какие волны (бегущие или стоячие) образуются в поперечных сечениях I, II, III, IV? Какова относительная длина отрезков l ₁; l ₂, у₀?

6.7. На рис. 6.2 показаны контактные (а, б) и дроссельные (в, г) короткозамкнутые поршни прямоугольного волновода (а, г) и коаксиального (б, в) волноводов. Определить: узлы тока и пучности электрического поля; узлы электрического поля (напряжения) и пучности тока для точек А, В, С, D, E, G, F, L, М, N.

Рис. 6.2

6.8. Описать зондовый переход с трансформацией волны из коаксиальной линии в круглый волновод (). Из каких соображений выбирают диаметр круглого волновода? Благодаря чему поля Н₁₁ и Н₂₁, возбуждаемые в волноводе, не распространяются по нему?

6.9. Описать коаксиально-волноводный переход с магнитной связью.

6.10. Для чего предназначены вращающиеся сочленения. Какого типа волны наиболее пригодны для передачи энергии через такие сочленения?

6.11. Описать вращающиеся сочленения прямоугольных волноводов через отрезки круглого волновода.

6.12. Заполнить пропуски соответствующими словами: магнитная, зондом, электрическая, противофазе, полей, неоднородность, типов, отверстие (щель), реактивный, заземленной, поперечной, два, зонд (штырь), внутреннего, λ / 4, полосковым.

Элементами связи в переходах с преобразованием типа волны являются ___ (___), рамка с током и ___ (___). В первом случае используется ___ связь, во втором – магнитная ___ связь и в третьем – электромагнитная. Продолжение ___ проводника коаксиальной линии служит ___ коаксиально-волноводного перехода. Устройство возбуждения волновода, как и любая другая ___, вызывает кроме основной волны множество ___ не основных ___. Последние обычно имеют ___ характер и не распространяются. В переходе  используются ___ зонда, которые питаются в ___. В переходе  с магнитной связью рамку помещают в ___ плоскости волновода на расстоянии ___ от коротко замыкающей перемычки. Металлический клин перехода  соединен с ___ проводником НПЛ, а продолжение нижней стенки волновода служит ___ пластиной НПЛ.

6.13. Перечислить требования, предъявляемые к штепсельным разъемам, контактным и дроссельным фланцам антенно-фидерного тракта (АФТ).

6.14. Описать контактное соединение неподвижных отрезков прямоугольного волновода. Каково назначение всех элементов соединения?

6.15. Объяснить, почему дроссельные фланцы с кольцевой выточкой по всей окружности (рис. 6.2, б) и с неполной выточкой практически не отличаются по своим электрическим свойствам.

6.16. Сравните свойства контактных и дроссельных разъемных сочленений. Указать уровни мощности в децибелах, просачивающейся через эти сочленения?

6.17. Заполнить пропуски соответствующими словами и цифрами: контактное, контактные, дроссельное, дроссельные, винтами, прокладки, штифтами, поверхности, 60-80, сдвиги, 90-120, перекосы, механической, разъемные, припаиваются, фланцев, пересборке.

Известны неразъемные и ___ соединения участков фидерного тракта. Неразъемные соединяемые участки ___ друг к другу. Большее применение получили ___ и ___ разъемные сочленения. Контактное сочленение волноводов производится с помощью плоских ___, которые через отверстия в них стягиваются ___ и дополнительно фиксируются направляющими ___. Кроме того, используют упругие ___ из бериллиевой бронзы с пружинящими лепестками. Благодаря деформации прокладок обеспечивается хороший электрический ___, если даже соприкасающиеся ___ фланцев неточно притерты. Это приводит к снижению просачиваемой мощности до (___) дБ. Дроссельное сочленение не требует столь высокого качества ___ обработки, оно допускает небольшие ___ фланцев и небольшие ___ внутренних контуров волноводов. Это ухудшает электрический контакт: просачиваемая мощность в дроссельных сочленениях находится на уровне – (___) дБ. Все же ___ сочленение предпочтительнее, если фидерный тракт подвергается частой ___.

Волноводные уголки и изгибы

6.18. Описать одноуголковый и двухуголковый переходы: их классификацию (типы Е и Н), принцип действия, оптимальные размеры, преимущества и недостатки. Какой переход – типа Е или Н – более пригоден для использования в трактах большой мощности?

6.19. Определить оптимальные размеры X, d (простых) одно уголковых переходов типа Н (рис. 6.3, а) и типа Е (рис. 6.3, б), которые введены в прямоугольный волновод R 22, имеющий поперечные размеры: мм, мм.

Решение. Оптимальные соотношения между размерами одноуголкового волноводного перехода типа Н: d= 0,93 а, Х= 0,6 – 0,7 а,

                         а типа Е: d = 0,86 b, Х = 0,4 b.

1. Определяем размеры d и Х перехода типа Н:

d= 0,93 а = 0,93·110 = 102,3 мм,

Х= 0,65 а = 0,65·110= 71,5 мм.

Рис. 6.3

2. Размеры d и X перехода типа Е:

d = 0,86 b = 0,86·55 = 41,3 мм;

Х = 0,4 b = 0,4·55 = 22 мм.

6.20. Определить оптимальные размеры X, d одноуголковых переходов типа Н (рис. 6.3., а) и типа Е (рис. 6.3, б) прямоугольного, волновода R 22с поперечными размерами а = 10,7 мм, b = 5,3 мм.

Ответ. Для перехода типа Н: d = 9,95 мм; Х= 6,96 мм;

          для типа Е: d = 4,56 мм; Х = 2,12 мм.

6.21. Один из участков АФТ содержит прямоугольный волновод, в котором имеется двухуголювый (двойной) Е- плоскостной переход. Частота распространяемых волн f = 10 ГГц. Определить оптимальный размер L (рис. 6.4) перехода, если поперечные размеры волновода с волной Н₁₀ (а = 23мм, b = 10мм.).

Ответ. L = 9,9 мм.

6.22. Описать волноводные изгибы, их преимущества и недостатки по сравнению с уголковыми переходами.

Рис. 6.4

6.23. Длину плавных изгибов рекомендуется выбирать порядка трех–пяти полуволн в волноводе. Пояснить, почему этот оптимальный размер кратен полуволне?

Решение. Длина волны в изогнутом волноводе с достаточной для практики точностью может считаться равной длине волны в прямом волноводе. Волновое сопротивление изогнутого волновода больше волнового сопротивления прямого волновода. Различие тем больше, чем меньше радиус изгиба. Коэффициенты отражения на входе и выходе изгиба имеют одинаковый модуль, а по фазе отличаются на π, так как имеет место переход от меньшего волнового сопротивления к большему сопротивлению. Поэтому для компенсации отражений от сечений изгиба на входе и выходе, расстояние между сечениями, измеренное вдоль средней линии, должно быть кратным целому числу полуволн, так как при этом разность фаз за счет разности хода между отраженными от сечений волн будет равна нулю.

6.24. С какой целью производят кручение волноводов? Как влияет длина L крученого участка на КСВ в волноводе? При какой относительной длине можно получить k _{с. в} 1,1?

6.25. Заполнить пропуски соответствующими словами: плавного, отражающих, направления, 45°, 90°, электрические, магнитные, Е, Н, плоскости, поляризации, двух, волны, полуволн, скрутки, поворота.

Уголковые переходы предназначены для изменения передачи энергии. Если в ___ изгиба полностью расположены ___ силовые линии, то переход называется Н- плоскостным, а если ___ силовые линии, то Е- плоскостным. По количеству ___ стенок в переходе различают одно- и двухуголковые переходы. В одноуголковом переходе направление волны сразу же изменяется на ___, в двух уголковом – каждая из ___ ступенек осуществляет поворот на ___. Электрическая прочность ___ изгибов выше, чем ___ изгибов. Волноводная скрутка предназначена для ___ плоскости ___ волны. Оптимальная средняя длина изгиба и ___ равна целому числу ___.

Фильтрующие элементы

6.26. Определить для каждой решетки из проводящих пластин (рис.6.5, а, б, в, г), какой тип волны в круглом (Н₁₁; Е₀₁, Н₀₁) и прямоугольном волноводах (Н₀₁) она подавляет, имея в виду, что пластины отсекают (отражают) те волны, электрические силовые линии которых совпадают с поверхностью пластин.

Рис. 6.5

6.27. Описать волноводный и коаксиальный проходные резонаторы.

6.28. Составить эквивалентную схему полосно-пропускной фильтра (ППФ) с четвертьволновыми связями и сопоставить с прототипом ППФ из элементов с сосредоточенными параметрами.

6.29. На рис. 6.6, а изображены топологические схемы СВЧ-фильтров: нижних и верхних частот, полосно-пропускающего и полосно-заграждающего. Приведите эти схемы к их прототипам с сосредоточенными параметрами (рис. 6.5, б).

6.30. В СВЧ-фильтре нижних частот на полосковых линиях (рис. 6.6) участки линии с высокоомным волновым сопротивлением Z_ш служат последовательной индуктивностью, а с низкоомным Z _ш – параллельной емкостью. С какой целью устанавливается такое соотношение между волновыми сопротивлениями участков линии и как оно реализуется?

Рис. 6.6

Решение. В данном случае используются короткозамкнутые шлейфы с индуктивным сопротивлением

и разомкнутые шлейфы с емкостной проводимостью равной

.

Следовательно, для уменьшения длины шлейфов l _ш нужно, чтобы в первом случае его волновое сопротивление Z_ш было большим, а во втором – малым. Реализуется это тем, что индуктивный шлейф изготовляют с тонким полосковым проводником и, следовательно, малой погонной емкостью, а емкостный шлейф – наоборот.

Тройники и мосты СВЧ

6.31. Как классифицируются волноводные тройники? Описать Т- образные волноводные тройники Е - и Н- типов и нарисовать эквивалентные схемы этих тройников.

6.32. Почему тройники необходимо внутренне согласовывать со стороны Е- и Н- плеч? Как выполняется это согласование?

6.33. Описать двойные волноводные тройники (двойные Т- мосты). Дать определения первичного и вторичных (рабочего и нерабочего) плеч моста. Какое свойство двойного Т- моста позволяет отнести его к группе гибридных соединений?

6.34. Описать, как применяется двойной тройник для измерения коэффициента отражения (или КСВ).

6.35. Описать принцип действия и свойства кольцевых гибридных мостов. Каково оптимальное соотношение поперечных размеров кольца и плеч моста?

6.36. Описать принцип действия и свойства квадратных гибридных мостов. Составить эквивалентную схему квадратного моста на основе двухпроводных линий. В каком соотношении находятся волновые сопротивления этих линий? Показать, что квадратный мост гибридный и к тому же квадратурный.

6.37. Описать конструкцию волноводно-щелевого моста и пояснить, что при соответствующих размерах щели мост является трехдецибельным, а два плеча его развязанные.

6.38. Как осуществляется согласование в волноводно-щелевых мостах? Отметить достоинства таких мостов по сравнению с двойным тройниковым и кольцевым мостами.

6.39. Дать определение понятия "направленный ответвитель" (НО). Показать, что гибридное и мостовое соединения − частные случаи НО.

6.40. Перечислить качественные показатели направленных ответвителей и записать математически эти показатели.

6.41. Направленный ответвитель (НО) создает переходное ослабление в прямом направлении L ₁₂ = 3 дБ и имеет направленность основного выходного плеча относительно изолируемого  = 30 дБ. Какова развязка между входным и изолируемым плечами НО?

Ответ. 27 дБ.

6.42. Описать принцип работы направленного ответвителя с двумя и тремя отверстиями связи в общей узкой стенке двух прямоугольных волноводов. Сравнить их характеристики в полосе частот.

6.43. Рассмотреть условие согласования волновых сопротивлений ответвителя на связанных линиях. Из каких соображений устанавливают коэффициент связи ответвителя?

6.44. Заполнить пропуски соответствующими словами: развязаны, фазе, противофазе, не, квадратурный, компактностью, последовательного, параллельного, двойной, поровну, узкополосный, трехдецибельный.

Эквивалентная схема Е-тройника имеет вид ___ соединения, а Н- тройника – ___ соединения линий (волноводов). ___ Т-мост является сочетанием Е- и Н- тройников. В нем Е- и Н- плечи взаимно ___, а два других плеча возбуждаются в ___ от Е- плеча и в ___ от Н- плеча. Входная мощность кольцевого моста разветвляется ___ между смежными плечами, а в оставшееся плечо ___ поступает. Квадратный гибридный мост ___. Волноводно-щелевой мост отличается ___ и широкополосностью. Двухдырочный направленный ответвитель ___ Противонаправленный мост – это противонаправленный ___ ответвитель.

 

Ферритовые устройства

6.45. Как классифицируются материалы по их магнитным свойствам? Структуры ферритов типа граната, шпинели и гексагональные.

6.46. Вывести формулы, выражающие зависимость между магнитной проницаемостью μ и коэффициентом восприимчивости среды k_м. Какие значения μ и k_м имеют вакуум, диамагнетики, парамагнетики и ферромагнитные материалы?

6.47. Описать внутренние источники магнитного поля вещества. Что называется магнитным и механическим спиновыми и орбитальными моментами электрона? Какие из этих моментов определяют природу магнетизма?

6.48. Описать намагничивание вещества внешним постоянным магнитным полем. Что называется свободной прецессией и как зависит частота ее от напряженности поля намагничивания вещества?

6.49. Описать процесс вынужденной прецессии спина. Что называется ферромагнитным резонансом?

6.50. Описать взаимодействие линейно поляризованной волны с намагниченным ферритом. Чем различается прецессия электронов, вызываемая волнами левой и правой круговой поляризации?

6.51. Определить частоту ферромагнитного резонанса вещества, намагничиваемого постоянным магнитным полем, напряженность которого Н₀ = 100 кА/м.

Ответ: f = 3,5 ГГц.

6.52. Провести аналогию между комплексной магнитной и диэлектрической проницаемостями среды. Как зависят вещественная и мнимая части комплексной магнитной проницаемости феррита от напряженности постоянного поля намагничивания?

6.53. Какими параметрами оцениваются резонансные свойства ферритов?

6.54. Заполнить пропуски соответствующими словами: шпинели, спиновыми, механический, стрелке, переменное, прецессия, граната, орбите, по, вынужденная, потерями, сотые, орбитальным, оси, свободная, намагничиванию, комплексной.

К основным структурам ферритов относятся структуры типа ___, типа ___ и гексагональная. Электрон атома ферромагнитного вещества, вращаясь по ___ и вокруг своей ___, обладает ___ и спиновым магнитным и механическим моментами. В результате взаимодействия внешнего постоянного магнитного поля и спинового магнитного момента возникает новый ___ момент, под действием которого происходит ___ прецессия ___ часовой ___. Свободная ___, полностью затухает за ___ доли микросекунды. Если к постоянному полю прибавляется ___ магнитное поле распространяемой волны, то возникает ___ прецессия. В___ магнитной проницаемости феррита  составляющая  обусловлена способностью среды к ____, а  – ____ в ней.

6.55. Описать классификацию ферритовых устройств. На рис. 6.7. показаны зависимости составляющих комплексной магнитной проницаемости феррита правополяризованной (+) и левополяризованной (–) волны  от напряженности постоянного поля намагничивания H₀. Определить область характеристик, используемых в вентиле с резонансным поглощением, вентиле со смещением поля, Y -циркуляторе, фазовращателях.

Рис. 6.7.

 

6.56. Каковы назначения и характеристики циркуляторов СВЧ? Описать устройство и принцип действия поляризационного циркулятора.

6.57. Отметить недостатки, характерные для циркуляторов, основанных на эффекте Фарадея.

6.58. Описать конструкцию и принцип действия волноводного Y- циркулятора. Назначение элементов циркулятора.

6.59. Описать фазовращатель Реджиа-Спенсера. Почему в этом фазовращателе не проявляется эффект Фарадея несмотря на продольноенамагничивание ферритового стержня? На каком явлении основано изменение фазы проходящей волны в данном случае?

6.60. Описать устройство и принцип действия ферритового невзаимного фазовращателя. Как зависит получаемый невзаимный фазовый сдвиг от места размещения ферритовой пластины в волноводе? Что называется гиратором?

6.61. Описать устройство и принцип действия фазового циркулятора. Каким полем - продольным или поперечным – намагничиваются ферритовые пластины циркулятора? Обосновать процесс циркуляции волн.

6.62. Каково назначение ферритовых вентилей? Как составляется антенный переключатель из вентиля и циркулятора?

6.63. Описать устройство и принцип действия вентиля, основанного на эффекте Фарадея.

6.64. Описать устройство и принцип работы вентиля с резонансным поглощением волн. Чем вызвано введение диэлектрической пластины в конструкцию вентиля? Каковы его технические показатели, преимущества и недостатки по сравнению с вентилем поляризационного типа?

6.65. Описать устройство и принцип действия вентиля, основанного на эффекте смещения поля. Чем объясняется широкое применение вентилей такого вида?