Технические характеристики круглого волновода

ЭУМК

ТЕХНИЧЕСКАЯ Электродинамика

Материал для самостоятельной подготовки

Технические характеристики круглого волновода

       Используется в диапазоне длин волн от 10 до 3 см

 

Области применения:

1. Для передачи энергии на линейной (можно передавать две ортогональные линейные поляризации) или круговой поляризациях на расстояния в десятки метров (например, передача сигнала волной Н₁₁ на частотах 4-8 ГГц от антенн к приемным устройствам и от генераторов к антеннам в радиорелейных системах, когда антенны устанавливаются на вышках высотой около 100 метров, а генераторы и приемники – на земле).

2. Использование в качестве элементов вращающихся сочленений (волна Е₀₁)и ли в качестве элементов устройств, требующих поворота плоскости поляризации или использующих круговую поляризацию (волна Н_11).

Основной тип волны Н₁₁.    

λ_кр= 3,41 а, где 2 а – диаметр волновода.

Структура полей Е и Н волны Н₁₁ показана на рис. 1 в)

 

Рис 1. Структура полей в поперечном и продольном сечениях круглого волновода для волн Е₀₁(«а»)_, Н₀₁(«б») и Н₁₁(«в») _{__________} силовые линии электрического поля

- - - - - -  силовые линии магнитного поля.

 

Высшие типы волн

Волна Е₀₁. Симметричная по координате φ. Основное использование – во вращающихся сочленениях

 λ_кр= 2,61 а

Структура поля показана на рис. 1 а) 

Волна Н₀₁ λ_кр= 1,64 а. Особенность волны – ток течет только поперечный по координате φ.

Структура поля показана на рис. 1 б) 

 

 Вместе с этими волнами в волноводе могут распространяться так же волны типа

Н₂₁ λ_кр= 2,06 а и Е₁₁ λ_кр= 1,64 а.

       Зависимости потерь в металле волновода от длины волны для волн Н_11, Е_01, Н₀₁ и представлена на рис.2

Рис. 2 Коэффициенты затухания для волн Н₁₁, Е₀₁ и Н₀₁ в круглом волноводе

 

Из рис видно, что в отличие от волн Н_11, Е₀₁ волна Н₀₁ имеет аномальную зависимость потерь при уменьшении длины волны. Вместо увеличения - потери уменьшаются. При малых длинах волн можно получить на волне Н₀₁ очень малые потери и использовать эту волну для передачи энергии на большие расстояния.

Так при диаметре волновода 2а=50 мм и длине волны 6 мм потери составляют 0.5 дб/км.

Однако при этом в волноводе распространяется еще порядка 100 типов волн, от которых нужно отстраиваться. Следует иметь в виду, что в волноводе всегда присутствуют нерегулярности, на которых происходит размножение волн. В результате этого энергия волны Н₀₁  на нерегулярностях постепенно переходит в энергию других волн и теряется, поскольку эти волны имеют высокий коэффициент затухания в металле. Подавить лишние волны можно с помощью поперечных кольцевых щелей в металле волновода. Подобное возможно, поскольку для волны Н₀₁ токи текут только в поперечном направлении, а остальные типы волн возбуждают продольные токи, протеканию которых и препятствует наличие поперечных щелей. Однако все хорошо только в теории, поскольку эти волны хотя и не распространяются в волноводе, но они все равно возбуждаются на неоднородностях тракта и при этом их энергия высвечивается через щели.

Максимальную мощность по круглому волноводу можно передать, используя волну Н₁₁ с круговой поляризацией, поскольку в этом случае поле в волноводе оказывается наиболее равномерным.

Устройства на продольно подмагниченных ферритах

Эффект Фарадея.

Эффектом Фарадея называют явление поворота плоскости поляризации линейно поляризованной волны при ее распространении в гиротропной среде. Эффект Фарадея наблюдается при совпадении направления распространения волны с направлением поля подмагничивания. Известно, что линейно поляризованная электромагнитная волна может быть представлена суммой двух волн круговой поляризации с противоположными направлениями вращения. Для каждой из этих волн, распространяющихся вдоль направления подмагничивающего поля, феррит представляет как бы изотропную среду с магнитными проницаемостями . В подмагниченном феррите (точка «а» на рис.14.1) волны с круговой поляризацией имеют различные коэффициенты фазы  и   . При прохождении участка феррита длинной l фазовые набеги волн с круговой поляризацией  и  различны, вследствие чего линейно поляризованный вектор напряжённости суммарного поля Е на выходе из феррита окажется повернутым на угол θ=(  - ) /2 по часовой стрелке, если смотреть по направлению силовых линии поля подмагничивания Н₀. Важно заметить, что угол поворота плоскости поляризации θ не зависит от направления распространения волны (по вектору Н₀ или против него) и именно этим объясняется невзаимность эффекта Фарадея.

Эффект Фарадея используют в вентилях и циркуляторах на основе круглого или квадратного волноводов, пропускающих волны с любой поляризацией.

 

Вентиль со смещением поля.

В вентиле со смещением поля на прямоугольном волноводе ферритовую пластину 1 размещают в области волновода с вращающимся магнитным полем и напряжённость поперечного поля подмагничивания выбирают такой, чтобы магнитная проницаемость для падающей правовращающейся волны была отрицательной (район  точки bна рис. 14.1).

 

Рис. 14.7 Вентиль со смещением поля на прямоугольном волноводе

 

В этом случае коэффициент распространения в феррите оказывается мнимым и поле вытесняется из феррита. При распространении отраженной волны с левой круговой поляризацией μ_->0 и вследствие повышенных значений диэлектрической проницаемости феррита поле отраженной СВЧ волны концентрируется у его поверхности. Распределения поля Е для падающей и отраженной волн в поперечном сечении волновода с ферритом показаны на рис. 14.7. На поверхность ферритовой пластины 1наносят поглощающую пленку 2, поэтому отраженная волна, концентрирующаяся у поверхности феррита, испытывает значительное поглощение. На падающую волну поглощающая пленка практически не влияет, поскольку она вытесняется из феррита. Вентили со смещением поля по сравнению с резонансными имеют существенно облегченную магнитную систему и более широкополосны, однако могут работать при сравнительно небольших уровнях мощностей.

 

Фазовые циркуляторы.

 

Невзаимные фазосдвигатели в сочетании с волноводными мостами позволяют строить так называемые фазовые циркуляторы по схеме рис.14.8. Два моста СВЧ с равным делением мощности соединяются каскадно, причем в одном или двух соединительных каналах размещаются невзаимные фазосдвигатели. Невзаимные фазовые сдвиги должны быть подобраны в зависимости от типа применяемых мостов (квадратурные или синфазно-противофазные) и направления циркуляции.

 

Рис. 14.8 Фазовый циркулятор

Рис. 14.9 Циркулятор на основе щелевого моста и двойного Т-моста

 

В циркуляторе, показанном на рис.14.9, применены щелевой мост 1 и двойной Т-мост 2, а в соединительных каналах включены невзаимные фазосдвигатели, образованные одинаковыми ферритовыми пластинами 3, расположенными вблизи общей узкой стенки волноводных каналов и поперечно намагниченные от общего постоянного магнита.

Фазовые сдвиги в отрезках волноводов с ферритовыми пластинами для волн, распространяющихся в противоположных направлениях, различаются на π/2. При распространении волн в одном направлении, например слева направо, в канале А фазовый сдвиг составляет (-φ₀+π/2), а в канале В -φ₀. При распространении волн в противоположном направлении в канале А фазовый сдвиг равен -φ₀ и в канале В -(φ₀+π/2). Отсутствие передачи сигналов между входами I и III, а также между входами II и IV обусловлено свойствами развязки мостов. Поданный на вход I сигнал с одинаковыми фазами делится между каналами А и В, и волны, проходящие по этим каналам на вход II, имеют одинаковое запаздывание - (φ₀+π/2) и суммируются на этом входе. На вход IV от входа I волны по каналам А и В приходят с фазами - (φ₀+π) и -φ₀, т. е. оказываются в противофазе и компенсируются.

Сигнал, поданный на вход II, делится между каналами А и В с фазами 0 и — π/2 и получает в этих каналах дополнительное запаздывание —φ₀ и — (φ₀+π/2) соответственно, так что ко входам двойного Т-моста сигналы приходят в противофазе и суммируются в его Е-ответвлении, т. е. на входе III циркулятора. Аналогично осуществляется передача сигнала со входа III на вход IV и со входа IV на вход I.

 

Рис.14.10 Циркулятор на основе двух щелевых мостов

 

Циркулятор, показанный на рис. 14.10 содержит два одинаковых щелевых моста, гиратор, образованный поперечно намагниченной ферритовой пластиной в соединительном канале А и взаимный фазосдвигатель в виде диэлектрической пластины в соединительном канале В. При передаче сигналов слева направо канал А создает фазовое запаздывание -(φ₀+π) и при обратной передаче -φ₀. Диэлектрическая пластина подобрана таким образом, чтобы запаздывание в канале для обоих направлений передачи составляло - φ₀ . Если фазы коэффицентов передачи щелевого моста на противолежащий вход и по диагонали равны соответственно нулю и —π/2, то при передаче сигналов от входа I ко входу II фаза сигнала, прошедшего по каналу А, будет -(φ₀+π) и фаза сигнала, прошедшего по каналу В, будет (-π/2-φ₀-π/2). Таким образом, эти фазы оказываются одинаковыми и прошедшие сигналы суммируются на входе II. Фазы сигналов, проходящих от входа I ко входу IV, различаются на π: по каналу А фазовый сдвиг будет -(φ₀+π)-π/2, по каналу В фазовый сдвиг составит -π/2-φ₀ . Поэтому прошедшие сигналы на входе IV взаимно компенсируются.

Передача от входа II происходит на вход III, так как при этом фазы сигналов, прошедших по каналам А и В, оказываются одинаковыми. Сигналы, проходящие от входа II на вход I по каналам А и В, оказываются противофазными и взаимно компенсируются. Рассуждая аналогичным образом, обнаружим, что со входа III сигнал передается только на вход IV и со входа IV — только на вход I.

Преимуществом фазовых циркуляторов перед циркуляторами на эффекте Фарадея является лучшая широкополосность и способность работать при более высоких мощностях. Последнее объясняется тем, что ферритовые пластины наклеивают на широкие стенки волноводов и этим обеспечивают хороший теплоотвод. Основной недостаток фазовых циркуляторов - увеличенные габариты и масса из-за наличия двух мостов.

 

Волноводный Y-циркулятор.

 

Y-циркулятор выполняют на основе Н-плоскостного тройника из прямоугольных, волноводов в центре которого помещают поперечно-намагниченный ферритовыи цилиндр 1 с диэлектрической втулкой 2 (рис. 14.11). Поле подмагничивания создается внешними дисковыми постоянными магнитами.

Принцип действия Y-циркулятора состоит в следующем. Поступающая на вход I волна разветвляется на две волны, огибающие феррит с двух сторон. Области существования вращающегося вектора Н для этих волн попадают в ферритовый образец, причем направления вращения вектора Н относительно направления поля подмагничивания оказываются противоположными. Из-за различия магнитных проницаемостей феррита μ₊ и μ_- волны, огибающие ферритовыи образец, имеют различные фазовые скорости. Размеры и параметры ферритовой вставки выбирают таким образом, чтобы эти волны приходили на вход II в фазе, а на вход III—в противофазе.

При этом волна, огибающая феррит по часовой стрелке при проходе со входа 1 на вход 2 приобретает фазовый набег (путь от 1-го входа до 3-го и от 3-го до 2-го), а волна огибающая феррит против часовой стрелки - (путь от 1-го входа до 2-го)

Рис. 14.11 Волноводный Y-циркулятор

 

Условие синфазности требует, чтобы  Условие противофазности на входе 3 требует, чтобы . Отсюда  

Таким образом, передача колебаний со входа I происходит только на вход II. Так как Y-циркулятор обладает поворотной симметрией, можно утверждать, что будет иметь место передача со входа II на вход III и со входа III на вход I.

Диэлектрическая втулка, окружающая ферритовый образец, способствует повышению устойчивости характеристик Y-циркулятора к значению напряженности подмагничивающего поля, а также способствует повышению температурной стабильности. Диэлектрические стержни 3 обеспечивают широкополосное согласование входов.

 

ЭУМК

ТЕХНИЧЕСКАЯ Электродинамика

Материал для самостоятельной подготовки

Технические характеристики круглого волновода

       Используется в диапазоне длин волн от 10 до 3 см

 

Области применения:

1. Для передачи энергии на линейной (можно передавать две ортогональные линейные поляризации) или круговой поляризациях на расстояния в десятки метров (например, передача сигнала волной Н₁₁ на частотах 4-8 ГГц от антенн к приемным устройствам и от генераторов к антеннам в радиорелейных системах, когда антенны устанавливаются на вышках высотой около 100 метров, а генераторы и приемники – на земле).

2. Использование в качестве элементов вращающихся сочленений (волна Е₀₁)и ли в качестве элементов устройств, требующих поворота плоскости поляризации или использующих круговую поляризацию (волна Н_11).

Основной тип волны Н₁₁.    

λ_кр= 3,41 а, где 2 а – диаметр волновода.

Структура полей Е и Н волны Н₁₁ показана на рис. 1 в)

 

Рис 1. Структура полей в поперечном и продольном сечениях круглого волновода для волн Е₀₁(«а»)_, Н₀₁(«б») и Н₁₁(«в») _{__________} силовые линии электрического поля

- - - - - -  силовые линии магнитного поля.

 

Высшие типы волн

Волна Е₀₁. Симметричная по координате φ. Основное использование – во вращающихся сочленениях

 λ_кр= 2,61 а

Структура поля показана на рис. 1 а) 

Волна Н₀₁ λ_кр= 1,64 а. Особенность волны – ток течет только поперечный по координате φ.

Структура поля показана на рис. 1 б) 

 

 Вместе с этими волнами в волноводе могут распространяться так же волны типа

Н₂₁ λ_кр= 2,06 а и Е₁₁ λ_кр= 1,64 а.

       Зависимости потерь в металле волновода от длины волны для волн Н_11, Е_01, Н₀₁ и представлена на рис.2

Рис. 2 Коэффициенты затухания для волн Н₁₁, Е₀₁ и Н₀₁ в круглом волноводе

 

Из рис видно, что в отличие от волн Н_11, Е₀₁ волна Н₀₁ имеет аномальную зависимость потерь при уменьшении длины волны. Вместо увеличения - потери уменьшаются. При малых длинах волн можно получить на волне Н₀₁ очень малые потери и использовать эту волну для передачи энергии на большие расстояния.

Так при диаметре волновода 2а=50 мм и длине волны 6 мм потери составляют 0.5 дб/км.

Однако при этом в волноводе распространяется еще порядка 100 типов волн, от которых нужно отстраиваться. Следует иметь в виду, что в волноводе всегда присутствуют нерегулярности, на которых происходит размножение волн. В результате этого энергия волны Н₀₁  на нерегулярностях постепенно переходит в энергию других волн и теряется, поскольку эти волны имеют высокий коэффициент затухания в металле. Подавить лишние волны можно с помощью поперечных кольцевых щелей в металле волновода. Подобное возможно, поскольку для волны Н₀₁ токи текут только в поперечном направлении, а остальные типы волн возбуждают продольные токи, протеканию которых и препятствует наличие поперечных щелей. Однако все хорошо только в теории, поскольку эти волны хотя и не распространяются в волноводе, но они все равно возбуждаются на неоднородностях тракта и при этом их энергия высвечивается через щели.

Максимальную мощность по круглому волноводу можно передать, используя волну Н₁₁ с круговой поляризацией, поскольку в этом случае поле в волноводе оказывается наиболее равномерным.