Связь волноводов с другими цепями

 

Устройства, связывающие волноводы с другими цепями, служат для возбуждения волн в волноводе или для отбора энергии из волновода. Любое устройство, дающее возбуждение волн, может быть использовано и для приема волн. Рассмотрим эти устройства с точки зрения их применения для возбуждения волн.

Электрическая связь осуществляется с помощью металлического проводника, называемого штырьком (или зондом) и установленного внутри волновода вдоль электрических силовых линий в большинстве случаев в том месте, где электрическое поле наиболее сильное. Обычно такой штырек служит продолжением внутреннего провода коаксиальной линии, подводящей энергию к волноводу. Так как размеры штырька соизмеримы с длиной волны, то он работает как хорошая антенна. На следующем рисунке показано возбуждение волны типа в прямоугольном волноводе при помощи штырька, расположенного в пучности электрического поля на расстоянии λ/4 от закрытого конца волновода, служащего для отражения волн.

 

 

Рис. 24. Электрическая связь коаксиальной линии с волноводом

для (а) (б)

 

Этот участок волновода длиной 1/4λ подобно четвертьволновой короткозамкнутой линии имеет входное сопротивление, близкое к бесконечности, и практически не влияет на режим работы подводящей линии. Для лучшего согласования линии с волноводом стенку АБ делают в виде подвижного поршня и в самой линии применяют согласующие устройства.

Чем больше длина штырька, находящегося в волноводе, тем сильнее связь, т.е. тем больше энергии передается в волновод, подобно тому как более высокая антенна дает более сильное излучение, чем антенна малых размеров. Однако размеры штырька влияют на режим работы подводящей линии.

Изменяя расположения штырька связи, можно возбуждать волны других типов. На рисунке б показано возбуждение с помощью штырька волн типа в круглом волноводе. Более сложные типы волн возбуждаются системой из двух или большего числа штырьков.

Магнитная связь осуществляется с помощью витка (петли) связи, который обычно располагается в месте, где магнитное поле наиболее сильно, причем его плоскость перпендикулярна магнитным силовым линиям.

Для отбора энергии штырьки или витки связи выполняют функцию приемной антенны. Волны, прошедшие по волноводу, создают своим электрическим полем в приемном штырьке некоторую э.д.с., а витке связи э.д.с. индуктируется магнитным полем.

Применяется также дифракционная связь, т.е. связь через отверстие. Например, можно передать часть энергии волны из одного волновода в другой, если в общей стенке этих двух волноводов сделать отверстие той или иной формы. Такая связь усиливается при увеличении размеров отверстия. При электрической и магнитной связи имеется всегда и некоторая дифракционная связь, так как коаксиальная линия своим открытым концом соединена с волноводом.

 

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СВЧ

 

Каждый колебательный контур характеризуется частотой собственных колебаний и добротностью Q. Частота вместе с тем является резонансной частотой и, как известно, зависит от емкости и индуктивности контура.

Добротность Q есть отношение характеристического сопротивления контура ρ к его активному сопротивлению r, т.е.

Q = .

Напомним, что сопротивление ρ есть реактивное сопротивление емкости или индуктивности контура для резонансной частоты:

ρ = 2π L = .

Оно характеризует способность реактивных элементов контура запасать энергию. Активное сопротивление r, наоборот, характеризует безвозвратные потери энергии, происходящие в контуре во время колебаний. Поэтому его часто называют сопротивлением потерь.

Колебательный контур, предназначенный для того или иного радиотехнического устройства, должен иметь требующуюся резонансную частоту и, кроме того, в большинстве случаев желательно, чтобы он имел высокую добротность Q.

При повышении частоты у колебательных контуров, составленных из катушки и конденсатора, добротность уменьшается и на СВЧ становиться недопустимо малой.Действительно, с повышением частоты потери энергии быстро увеличиваются. Вследствие поверхностного эффекта увеличивается сопротивление проводов. Возрастают потери и в твердых диэлектриках. Особенно значительными при СВЧ становятся потери на излучение, так как размеры элементов контура получаются одного порядка с длиной волны. Контур работает как антенна и его уже нельзя считать замкнутым. Сильное излучение создают также паразитные связи этого контура с другими цепями.

Увеличение потерь приводит к возрастанию активного сопротивления контура. В тоже время характеристическое сопротивление контура значительно уменьшается. Величина ρ связана с первичными параметрами контура Lи Cсоотношением

ρ = .

Для повышения частоты нужно уменьшать Lи C контура. Однако значительное уменьшение величины С невозможно, так как в нее входят межэлектродные емкости усилительных элементов, подключенных к контуру, и емкость монтажа. Кроме того, часто приходится включать в контур для настройки конденсатор переменной емкости. Поэтому емкость контура обычно не может быть меньше 5 – 10 пф.Вследствие этого приходится для получения нужной частоты уменьшать во много раз индуктивность, а потому величина ρ снижается. В результате добротность контура резко ухудшается и в этом основная причина, заставившая применять на СВЧ иные колебательные системы.

На сантиметровых и частично на дециметровых волнах устройство контуров обычного типа становиться вообще невозможным, так как даже короткий проводник, соединяющий электроды усилительного элемента и казалось бы просто замыкающий их, обладает слишком большой индуктивностью. Следующий пример дает представление о величине индуктивности, которой должен обладать контур, имеющий емкость С = 10 пф, для случая, когда частота 1000 МГц.

Из основной формулы для частоты

=

 

получаем:L = 0,25* Гн.

Прямолинейный проводник длиной в 1 м имеет индуктивность порядка 1 – 2 мкГн. Следовательно, в данном случае индуктивность контура должна представлять собой проводник длиной всего лишь в несколько миллиметров, что явно неосуществимо.

Таким образом, контуры обычного типа, как правило, могут быть использованы лишь на волнах не короче метровых. Только на наиболее длинных дециметровых волнах (70-100 см) встречаются контуры, у которых в качестве индуктивности используется полувиток трубки или проволоки. Емкостью такого контура обычно служит межэлектродная емкость усилительного элемента, причем для уменьшения ее влияния и для настройки контура включают последовательно конденсатор переменной емкости с максимальной емкостью в несколько пикофарад. Подобные контуры обладают довольно низкой добротностью, но все же они применяются довольно часто в приемниках для диапазона частот 400 – 500 МГц.