Устройства СВЧ

М
инистерство образования Российской Федерации

Уральский
Государственный Технический Университет - УПИ

Кафедра "ВЧСРТ"

Реферат

по курсу

«Техническая электродинамика»

Преподаватель: Князев С.Т.

Студент:
Черепанов К.А.

Группа: Р-307

Екатеринбург

2002

Содержание

1 Согласованные нагрузки для линий передачи.................................................................... 2

2 РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ................................................................................................................................. 4

2.1 Поршни................................................................................................................................................................... 4

2.2 Диафрагмы........................................................................................................................................................... 5

2.3 Штыри..................................................................................................................................................................... 7

3 РАЗЪЕМЫ И СОЧЛЕНЕНИЯ В ТРАКТАХ СВЧ............................................................................................ 8

3.1 Соединители волноводных трактов........................................................................................................ 8

4 ПОВОРОТЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ.................................................................................................................... 10

5 ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ ЛИНИЯМИ ПЕРЕДАЧИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ............................................ 11

Библиографический список................................................................................................................ 16

1 Согласованные нагрузки для линий передачи

Одним из наиболее распространенных элементов трактов яв­ляются согласованные нагрузки,
предназначенные для поглощения передаваемой по линии СВЧ - мощности. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн
при настройке передающей аппаратуры и в виде меры сопротивления в измери­тельных СВЧ - устройствах (например, в установках для измерения матриц рассеяния многополюсников).

Основной электрической характеристикой согласованной на­грузки является величина модуля ее коэффициента отражения (или соответствующие величины КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. На практике возможно создание нагрузок с ||£0,01 в относительной полосе частот Df c
/fo
=20-30 % и более. Ввиду ма­лости || требования к фазе коэффициента отражения от нагруз­ки не предъявляются, и эта фаза может иметь любую величину в интервале от 0 до 2 p.

Важной характеристикой нагрузки является величина допусти­мой поглощаемой мощности. Существуют нагрузки для низкого уровня мощности (£1 Вт) и нагрузки, предназначенные для вы­сокого уровня мощности.

Конструктивное выполнение нагрузок зависит от типа линии передачи, диапазона частот и уровня мощности. Различают сосре­доточенные и распределенные нагрузки, причем последние пу­тем увеличения размеров и массы могут быть выполнены на боль­шую мощность.

В коаксиальном тракте простейшей нагрузкой является сосре­доточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопро­тивлению линии передачи. Однако на сантиметровых волнах раз­меры резистора соизмеримы с длиной волны, входное сопротив­ление становится частотно-зависимым и качество согласования заметно ухудшается. Для снижения коэффициента отражения и расширения рабочей полосы частот коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона волн часто выполняют в виде отрезков нерегулярной линии передачи с потерями. Поглощающие элементы в таких нагрузках могут быть объемными или в виде тонких поглощающих пленок. Коаксиальная нагрузка с объемным поглощающим элементом в виде конуса показана на рис.1, а.
Хоро­шее качество согласования в этой конструк­ции достигается при длине поглощающего элемента 1
³
l.

Более распространены коаксиальные на­грузки с поглощающими элементами в виде керамических цилиндров, покрытых металлооксидными или углеродистыми проводя­щими пленками. Толщину пленки выбирают малой по сравнению с глубиной погруже­ния тока, поэтому поверхностное сопротив­ление пленки почти не зависит от частоты. Чтобы входные сопротивления коаксиальных нагрузок с цилиндрическими поглощаю­щими элементами были чисто активными и почти не менялись в значительном интер­вале частот, такие нагрузки снабжают не­регулярными металлическими экранами со специально подобранными профилями и раз­мерами.

На рис.1, б показана коаксиальная на­грузка с экраном ступенчатой формы. Найде­но, что оптимальное качество согласования при l
³.
61
получается при выборе уменьшенного диаметра экрана в соответствии с соотношением: , где ZB
—
волно­вое сопротивление основного коаксиального волновода. Длина уступа внешнего проводника должна быть несколько меньше длины пле­ночного поглощающего элемента.

Наиболее широкополосные коаксиальные нагрузки имеют внеш­ний экран воронкообразной формы (рис.1, в). Например, при выборе формы экрана в соответствии с уравнением r(г)=аеАг

(где а — диаметр внутреннего проводника коаксиального волновода; А —
константа) нагрузка оказывается работоспособной при А>l
. Суще­ствуют и более широкополосные коаксиальные нагрузки, экран ко­торых имеет профиль в виде специальной кривой — трактрисы.

Согласованные нагрузки для полосковых линий передачи представляют собой тонкопленочные полоски из резистивных материа­лов, нанесенные на полосковую плату и закороченные с одного конца на экран полосковой линии. Толщину полоски подбирают в несколько раз меньше глубины проникновения тока, а длина по­лоски может быть малой по сравнению с длиной волны. Однако из-за небольшой площади теплоотвода такие сосредоточенные на­грузки выдерживают лишь небольшую мощность. Для увеличения рассеиваемой мощности нагрузки выполняют в виде протяженных (l
~l
) отрезков регулярных или нерегулярных линий передаче с потерями.

Рис. 1 Коаксиальные согласованные нагрузки

При этом необходим специальный подбор формы поглощающей поверхности. В полосковых узлах СВЧ применяют также навесные нагрузки в виде керамических пластинок или стержней с нанесенным пленочным поглощающим покрытием. На полосковых платах при выполнении нагрузок и в других случаях части возникают трудности с осуществлением короткого замыкания полосковых проводников на экраны полосковых линий. При узкой полосе частот Df c
/fo
=5-8% эти трудности преодолевают применением четвертьволновых разомкнутых шлейфов, обладающих близким к нулю входным сопротивлением.

Волноводные согласованные нагрузки
выполняют в виде погло­щающих вставок переменного профиля в отрезке короткозамкнутого волновода. В маломощных нагрузках вставки имеют вид тонких диэлектрических пла­стин, покрытых графитовыми или металлическими пленками (рис.2, а).
Объемные погло­щающие вставки (рис.2, б, в, г) с
большой мощностью рассеивания выполняют из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или кар­бида кремния.

Рис. 2 Волноводные согласованные нагрузки

Для уменьше­ния отражений поглощающим вставкам придают вид клиньев или пирамид. Наименьшие отражения в широкой полосе частот обеспечиваются от вставок, входная часть которых имеет форму экспоненциального клина в плоскости вектора Е

. Для устранения отражения от короткозамыкателя вставка должна вносить ослабление 20—25 дБ. Для улучшения теплоотвода площадь сопри­косновения вставки со стенками волновода делают максимальной, а внешнюю поверхность волновода снабжают радиатором.

2 РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Реактивные нагрузки, применяемые в качестве мер при измере­ниях на СВЧ, а также в согласующих и управляющих устройст­вах СВЧ, должны обладать стабильным нормированным входным сопротивлением, величина которого может быть строго рассчитана по геометрическим размерам. В качестве реактивных двухполюс­ников обычно используют короткозамкнутые отрезки закрытых ли­ний передачи, иначе говоря короткозамкнутые шлейфы. Реактив­ное сопротивление короткозамкнутого шлейфа определяют по фор­муле, где ZВ
— нормированное волновое сопротивление; b - коэффициент фазы, l
- длина шлейфа. Основным параметром, характеризующим качество реального шлейфа, является величина входного КСВ, которая должна быть как можно более высокой. В нерегулируемых коаксиальных или волноводных шлейфах с не­подвижным запаянным поршнем КСВ может достигать. 500 и бо­лее. В регулируемых шлейфах с подвижными поршнями значения КСВ из-за дополнительных потерь в контактах получаются ниже, однако, как правило, превышают 100. Холостой ход в шлейфах, т.е. размыкание выхода, может быть реализован только в закрытых многопроводных линиях передачи, когда устранено излучение.

2.1
Поршни

Возможные конструктивные решения подвижных короткозамыкающих поршней для прямоугольных волноводов показаны на рис. 3 для продольных сечений, параллельных узкой стенке волновода. В первой конструкции (рис. 3, а) разрезные пружинные контакты А
вынесены от закорачивающей стенки В
внутрь вол­новода на расстояние lв
/4. По­этому контакты оказываются в сечении волновода с нулевы­ми значениями продольного тока на стенках волновода, и неидеальность контактов не приводит к потерям мощно­сти.

Рис. 3 Волноводные короткозамыкающие поршни:

1
— волновод; 2 — поршень; 3 —
тяга

Во второй конструкции поршня (рис. 3,б) механические кон­такты А
включены в волновод через два трансформирующих от­резка линии передачи с низкими значениями нормированного волнового сопротивления ZВ1
и ZВ2
. Предполагая, что активное сопро­тивление контактов в точке А
равно rа
,
и применяя дважды фор­мулу пересчета сопротивления через четвертьволновый трансформатор, находим входное сопротивление в точках В:
rB
= =rA
(ZВ1
/ZВ2
)2
. При выборе ZВ1
<<ZВ2
удается существенно уменьшить эквивалент­ное сопротивление контакта rA
и увеличить КСВ поршня.

В третьей конструкции поршня (рис. 3, в) точки механического контакта помещены в середину свернутого короткозамкнутого полуволнового отрезка линии передачи, состоящего из двух каскадно включенных четвертьволновых отрезков с волновыми сопротивлениями ZВ1
и ZВ2
. К активному сопротивлению контакта
rA
добавляется бесконечное реактивное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа с волновым сопротивлением ZВ2
, и сумма сопротивлений контакта и шлейфа трансформируется четвертьволновым отрезком с волновым сопротивлением ZВ1
в практически нулевое сопротивление в точке В
(т. е. в точке В
создается виртуальное короткое замыкание для токов СВЧ).

Рассмотренные принципы выполнения волноводных поршня непосредственно применимы и в коаксиальных поршнях для диа­пазона коротких сантиметровых волн. На дециметровых и более длинных волнах применяются коаксиальные поршни с обычными пружинными контактами в точках короткого замыкания линии передачи, так как четвертьволновые трансформирующие отрезки оказываются слишком громоздкими.

2.2 Диафрагмы

Диафрагмами
называют тонкие металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода. В прямоугольном волноводе наиболее употребительны симметричная индуктивная, симметричная емкостная и резонансная диафрагмы, показанные на рис. 4.

Рис. 4 Диафрагмы в прямоугольном волноводе

В индуктивной диафрагме
(рис. 4,а) поперечные токи на широких стенках волновода частично замыкаются через пластины, соединяющие эти стенки. В магнитном поле токов, текущих по пластинкам диафрагмы, запасается магнитная энергия. Схема замещения индуктивной диафрагмы представляет собой индуктивность, вклю­ченную параллельно в линию передачи. Нормированную реактивную проводимость индуктивной диафрагмы bL
определяют по прибли­женной формуле

(2.2.1)

где — длина волны в волноводе; а – размер широкой стенки волновода; dL
—
ширина зазора диафрагмы.

Емкостная диафрагма
(рис. 4, б) уменьшает зазор между ши­рокими стенками волновода, между кромками диафрагмы концен­трируется поле Е
и создается некоторый запас электрической энергия. Поэтому схемой замещения емкостной диафрагмы является емкость, включенная параллельно в линию передачи. Нормированная реактивная проводимость емкостной диафрагмы bс
определяется по приближенной формуле

(2.2.2.)

где b —
размер узкой стенки волновода; dc
—
ширина зазора диа­фрагмы. Емкостная диафрагма сильно снижает электрическую прочность волновода.

Резонансная диафрагма
(резонансное окно) - металлическая пластинка с отверстием прямоугольной или овальной формы (рис. 4, в), содержащая в себе элементы индуктивной и емкостной диафрагм. Размеры отверстия резонансной диафрагмы могут быть выбраны так, чтобы на заданной резонансной частоте диа­фрагма не оказывала влияния на распространение волны H10
в волноводе, т. е. имела нулевую проводимость. Схема замещения резонансной диафрагмы имеет вид параллельного резонансного контура, включенного в линию передачи параллельно. Прибли­женно резонансную частоту резонансной диафрагмы определяют из условия равенства волновых сопротивлений линии передачи, эквивалентной волноводу, и отверстия диафрагмы на основании формулы (2.2.3):

(2.2.3)

(2.2.4)

Можно убедиться, что выбранной резонансной длине волны l0
в формуле (2.2.4) соответствует множество диафрагм с отверстиями различных размеров, начиная с узкой щели длиной l
0
/2 и кончая полным поперечным сечением волновода. Эти резонансные диафраг­мы обладают разной внешней добротностью, т. е. добротностью эквивалентного колебательного LC-контура с
учетом влияния согласованной с двух концов линии передачи, в ко­торую включен этот контур.

2.3 Штыри

Индуктивный штырь
, показанный вместе со схемой замещения на рис.5, а, представляет собой проводник круглого сечения, установленный в по­перечном сечении прямо­угольного волновода по на­правлению силовых линий поля Е,
и соединенный с двух концов с широкими стенка­ми волновода.

Рис. 5 Индуктивный штырь в прямоугольном волноводе

Схема заме­щения индуктивного штыря содержит параллельно вклю­ченную индуктивность и два последовательных емкостных сопротивления, учитываю­щих конечную толщину шты­ря. Номиналы элементов определяются по формулам и графикам, имеющимся в справочной литературе. Индуктивные штыри не снижают электри­ческой прочности волновода и просты в изготовлении. Когда необходимы низкие значения параллельного сопротивления ха
,
приме­няют решетки из нескольких индуктивных штырей, располагаемых в поперечном сечении волновода, как показано на рис. 5, б.

Емкостный штырь
(рис. 6) представляет собой круг­лый проводник, установленный по направлению силовых линий поля Е
и соединенный одним концом с широкой стенкой волно­вода. Схема замещения емкостного штыря содержит последовательный LC-контур, включенный параллельно в линию передачи. Емкость этого контура связана с концентрацией поля E
в области разомкнутого конца штыря, а индуктивность обусловлена прохож­дением токов по штырю. При некоторой длине штыря, близкой к l
0
/4, проводимость последовательного контура обращается в бесконечность, и волновод закорачивается.

Рис. 6 Емкостной штырь в прямоугольном волноводе

Более ко­роткие штыри имеют ем­костную проводимость: при длинах штыря, боль­ших резонансной, прово­димость носит индуктив­ный характер. Последов

а­тельные емкостные сопро­тивления в схеме заме­щения учитывают конечность толщины штыря. При малых диаметрах штыря эти сопро­тивления малы, и их влиянием можно пренебречь. Емкостные штыри в основном применяют в качестве регулируемых реак­тивных элементов, вводимых внутрь волновода с помощью резь­бовых отверстий на широкой стенке. Однако емкостные штыри заметно снижают электропрочность волноводов, и поэтому в мощ­ных трактах они не находят применения.

3 РАЗЪЕМЫ И СОЧЛЕНЕНИЯ В ТРАКТАХ СВЧ

Для осуществления сборки и разборки трактов отдельные узлы и устройства СВЧ оснащают специальными разъемами, которые должны обеспечивать надежный электрический контакт в местах соединения проводников между собой. Основные требования к разъемам состоят в сохранении согласования и электрической прочности тракта при минимальном ослаблении мощности и от­сутствии: паразитного излучения.

В высококачественных соединителях для гибких коаксиальных кабелей контакты обеспечивают с помощью пружинных цанг и штекеров (рис. 7, а),
удерживаемых в соединении посредством внешних резьбовых соединений или иных фиксирующих приспособ­лений. Соотношение диаметров проводников на любом участке внутри коаксиальных высокочастотных соединителей подбирают таким образом, чтобы с учетом параметров диэлектрика обеспечи­валось постоянство волнового сопротивления линии. Согласование в высокочастотных коаксиальных соединителях в сильной степени зависит от заделки кабеля и при аккуратном выполнении характеризуется среднеквадратическим значением КСВ порядка 1,05—1,15.

Высокочастотное соединители для жестких коаксиальных, вол­новодов на повышенный уровень мощности выполняют без опорных диэлектрических шайб. Эскиз возможной конструкции коаксиального соединителя для жесткой коаксиальной линии показан на рис. 7, б.
Во многих случаях высокочастотные соединители для жестких коаксиальных волноводов должны быть герметичными как для защиты внутренних рабочих поверхностей проводника от внешних воздействий, так и для повышения электрической прочности тракта путем создания внутри тракта избыточного давления.

3.1 Соединители волноводных трактов

Соединение отрезков прямоугольных волноводов осуществляют с помощью фланцев двух типов: контактных и дроссельных.

Контактные притертые фланцы
требуют тщательной обработки и строгой параллельности соприкасающихся поверхностей и могут обеспечивать высокое качество сочленения, которое, однако, быстро ухудшается при много­кратных пересборках тракта.

Рис. 7 Высокочастотные коаксиальные соединители:

1
— штыревой контакт 2
— гнездовой контакт; 3 —
штыревая втулка; 4 —
гнез­довая втулка

Рис. 8 Контактный волноводный фланец:

1
— контактная прокладка; 2
— канавки с уплотнителем; 3 —
отверстия

для фик­сирующих штифтов

Для улучшения качества кон­такта между фланцами на штифтах помещают бронзовую прокладку, имеющую ряд разведенных пружинящих лепест­ков, прилегающих к внутрен­нему периметру поперечного сечения соединяемых волново­дов (рис. 8). Защита сочле­нения от пыли и влаги осуще­ствляется резиновыми уплотнительными кольцами, уложен­ными в канавках на фланцах по обе стороны от контактной прокладки.

В дроссельном фланце
(рис. 9) контакт между волноводами осуществляется через последовательный короткозамкнутый шлейф длиной l
В
/2, выполненный в форме канавок и углубления внутри фланца. Четвертьволновой участок между точкой короткого замы­кания А
и точкой механического контакта В
является коаксиаль­ным волноводом с волной типа Н11
, а
второй четвертьволновый участок между точкой механического контакта В
и точкой вклю­чения шлейфа в волновод С
является отрезком радиальной линии передачи. Точка механического контакта попадает в узел распре­деления поверхностного тока J
и поэтому на сопротивлении контакта rк

не происходит заметного выделения мощности. Виртуаль­ное короткое замыкание между сочленяемыми волноводами в точ­ке С
обеспечивается тем, что суммарная длина дроссельных кана­вок от точки А
до точки С
составляет lв
/2. Для защиты полости тракта от внешних воздействий применяют уплотнительную про­кладку, укладываемую в добавочную концентрическую канавку.

Рис. 9 Дроссельный волноводный фланец: a —
эскиз; б — схема замещения

Дроссельные фланцы не критичны к качеству механического кон­такта и небольшим перекосам в сочленении, не снижают электри­ческой прочности тракта. Их недостатками являются зависимость качества согласования от частоты и сложность конструкции.

4 ПОВОРОТЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Повороты и изгибы линий передачи относятся к числу нерегулярностей, снижающих качество согласования и электропрочность трактов СВЧ. В уголковых изгибах любых линий передачи в той или иной мере возбуждаются по­ля нераспространяющихся волн высших типов, которым соответ­ствует определенный запас элект­ромагнитной энергии.

Рис. 10 Поворот линий передачи с компенсацией отражений

Для мини­мизации возникающих из-за этого отражений конструкции изгибов дополняют различными согла­сующими элементами. Например, изгиб на 90° коаксиального трак­та сочетают с четвертьволновым изолятором и дополняют неболь­шой проточной на внутреннем проводнике линии (рис. 10,а). Подбор расположения размеров проточки, а также правильный выбор длины четвертьволнового изолятора позволяют сохранить хорошее согласование в тракте в широкой полосе частот.

Повороты в полосковой линии передачи согласовывают с по­мощью «подрезания» внешних углов примерно на одну треть диа­гонали, соединяющей внутренний и внешний углы поворота (рис. 10, б).
Однако такие компенсированные повороты вносят небольшое добавочное запаздывание в линию передачи, которое должно учитываться при расчете электрических длин резонансных отрезков. Подрезание углов оказывается эффективным способом умень­шения отражений также в прямоугольных и круглых волноводах, причем оптимальный размер скоса (рис.10, в)
находят с по­мощью графиков, имеющихся в справочной литературе. Концен­трация силовых линий поля Е
в области резких изгибов снижает электрическую прочность тракта. Этот недостаток в значительной мере устраняется в двойных поворотах и в плавных изгибах. В двойных поворотах (рис. 10, г)
две нерегулярности разносят на расстояние l
, примерно равное l
В
/4. Улучшение согласования происходит как из-за уменьшения отражений от каждой нерегу­лярности, так и из-за взаимной компенсации отражений от них.

Плавные изгибы
тракта могут быть охарактеризованы схемой замещения в виде отрезка линии передачи с несколько изменен­ным волновым сопротивлением. Для улучшения согласования сле­дует увеличивать радиус изгиба или выбирать длину изгиба, крат­ной l
В
/2.

5 ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ ЛИНИЯМИ ПЕРЕДАЧИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Очень распространенными узлами СВЧ - трактов являются переходы с одной линии передачи на другую, которые также называют возбудителями волны заданного типа. По схеме замещения переходы
являются взаимными реактивными четырехполюсниками, и в их проектировании основное внимание уделяется достижению Хорошего качества согласования входов в полосе частот при обеспечении необходимой электрической прочности. Рассмотрим ряд характерных конструкций переходов.

Возбуждение прямоугольного волновода с волной типа H10
от коаксиального волновода с Т-волной производится с помощью коаксиально-волноводных переходов (рис.11).

Основным элементом таких переходов являются обтекаемые элек­трическим током штыри, размещаемые в короткозамкнутом с одной стороны волноводе параллельно силовым линиям поля Е.

В зондовом переходе
(рис.11, а) согласование входов обес­печивается изменением длины зонда l3
,
а также подбором рас­стояний l
и х,
определяющих, положение зонда. Для расширения полосы частот согласования желательно увеличивать диаметр зонда d.
При тщательном выполнении зондовый переход обеспечи­вает полосу частот согласования 15—20 % относительно расчет­ной частоты при КБВ³О,95. Недостатком зондового перехода яв­ляется снижение электропрочности из-за концентрации силовых линий поля Е
на конце зонда. В определенной мере этот недоста­ток преодолевается в коаксиально-волноводном переходе
с после­
довательным шлейфом
(рис. 11, б), однако даже при самом тща­тельном подборе расстояний l
и l
ш
рабочая относительная полоса частот составляет ~7%.

Лучшие результаты по согласованию и электропрочности имеет переход с поперечным стержнем
(рис. 11, в), дополненный согласующей индуктивной диафрагмой. В такой конструкции достижи­ма относительная полоса частот согласования ~15%.
Максималь­ных широкополосности (~20% при КБВ³0,95) и электропроч­ности достигают в коаксиально-волноводных переходах так назы­ваемого «пуговичного»
типа (рис. 11, г),
требующих, однако, тщательного экспериментального подбора формы проводников в сочетании с дополнительной наст­ройкой качества согласования с помощью индуктивной диафрагмы.

Рис. 11 Коаксиально-волноводные переходы:

а — зондовый; б — с коаксиальным шлейфом; в — с поперечным

стержнем; г—пуговичный

Применение коаксиально-волноводных переходов для возбуждения волны Е10
в круглом волноводе показано на рис. 12 на примере вращающёгося сочленения.

Рис. 12 Волноводное вращаю­щееся сочленение с волной типа Е
01

Короткие отрезки коаксиального волновода с Т-волной обеспечивают фильтра­цию волн высших типов и устраняют возможность возбуждения в круглом волноводе паразитной аксиально-несимметричной волны Н11
(эта волна более низкого типа, чем волна E01
). Соединение вращающихся частей круглого волно­вода осуществляют с помощью коаксиального дросселя длиной lо/2,
аналогичного дросселям вращающегося коаксиального сочле­нения на рис. 7.10.

Возбуждение волны низшего типа Н11
в круглом волноводе возможно с помощью плавного перехода от прямоугольного вол­новода с постепенной деформацией формы поперечного сечения от прямоугольной к круглой (рис. 13, а).

Рис. 13 Соосные переходы от прямо­угольного волновода с волной Н01

к круг­лому волноводу с волной Н
11

Если длина такого пере­хода превышает длину волны, то отражения в широкой полосе частот оказываются незначительными. В более компактном узко­полосном переходе, показанном на рис. 13, б,
сочленение соосных прямоугольного и круглого волноводов осуществляется через согласующую четвертьволновую вставку с овальной формой попе­речного сечения.

Возбуждение волны Н11
в круглом волноводе может также про­изводиться через отверстие в его боковой стенке от прямоуголь­ного волновода. Если широкие стенки прямоугольного волновода ориентированы параллельно оси круглого волновода (рис. 14, а),
то в круглом волноводе возбуждаются волны Н11
, распространяю­щиеся в обе стороны от ответвления с одинаковыми фазами. При поперечном расположении возбуждающей щели в круглом волноводе (рис. 14, 6)
волны, возбуждающиеся справа и слева от нее, противофазны. Если требуется обеспечить передачу волны Н11
в одном направлении, то один из концов круглого волно­вода закорачивают, причем в случае разветвления, показанного на рис. 14, а, расстояние между центром щели и короткозамыкателем должно быть близким к lв/4
, а в случае, показанном на рис. 14, б,— близким к lо/2
.

Рис. 14 Тройниковые разветвления прямоугольного и круглого волноводов

Рассмотрим теперь некоторые компактные способы возбуждения осесимметричной волны Е01
в круглом волноводе от прямоугольного волновода с волной Н
10
, не использующие промежуточных коаксиально-волноводных переходов.

Рис. 15 Способы возбуждения волны Е
01
в круглом волноводе

В устройстве, показанном на рис. 15, а,
прямоугольный волновод соединяется с круглым через поперечное отверстие. Для лучшего возбуждения волны Е01
круглый волновод с одной сто­роны закорачивается на расстоянии lв
Е01
/2 от возбуждающего отверстия. Для подавления паразитной волны низшего типа Н11
, которая также возбуждается отверстием, в короткозамкнутом отрезке круглого волновода располагают тонкое металлическое кольцо. Периметр кольца выбирают близким к lо,
чтобы волна Н11
возбуждала в нем резонансные колебания с одной вариацией тока по периметру. Это резонансное кольцо действует на волну Н11
подобно короткозамыкателю. Располагая кольцо на расстоянии lв
Н11
/4 от центра щели, удается эффективно подавить колебания волны Н11
в круглом волноводе. На волну типа Е01
, силовые линии поля Е которой перпендикулярны проводнику кольца, резонансное кольцо практически не влияет;

Другой возбудитель волны Е01
в круглом волноводе с высокой степенью подавления паразитной волны Н11
показан на рис. 15,б. Прямоугольный волновод сочленяется с круглым так же, как в предыдущей конструкции с коротким замыканием одной полови­ны круглого волновода непосредственно у места сочленения. Кроме того, в круглом волноводе помещено резонансное кольцо, закора­чивающее его для волны Н11
. Волна Н11
, просочившаяся через резонансное кольцо, испытывает поглощение, возбуждая через продольные щели в стенках круглого волновода коаксиальный резонатор с колебаниями типа Н01
.

В пучности поля Е этого резо­натора помещено кольцо из поглотителя, в котором и происходит выделение энергии волны Н11
. Волна Е01
не имеет поперечных токов на стенках круглого волновода и поэтому не возбуждает продольные щели и резонатор с поглотителем.

Особенно трудной задачей является конструирование возбуди­телей волны Н01
в круглом волноводе. Здесь главное требование состоит в обеспечении высокой степени чистоты возбуждения вол­ны Н01
при глубоком подавлении целого ряда низших и высших типов волн, способных к распространению в круглом волноводе большого диаметра.

Рис. 16 Плавный переход для возбуждения волны Н
01
в круглом волноводе

На рис. 16 показана одна из возможных конструкций перехода от прямоугольного волновода с волной Н10
к круглому волноводу с волной Н01
основанная на принципе плав­ной деформации формы поперечного сечения волновода и струк­туры электрического поля. Волноводный Е
- тройник и две продоль­ные скрутки на углы в 90° в противоположных направлениях об­разуют систему двух прямоугольных волноводов, соединенных узки­ми стенками и содержащих поля равной амплитуды с противо­положными фазами. Затем эта система плавно преобразуется к двум секторным волноводам с общим ребром. Постепенное увели­чение угла раскрыва секторных волноводов образует круглый волновод с продольной металлической перегородкой. Обрыв этой перегородки не изменяет структуры электромагнитного поля, и на выходе перехода получается круглый волновод с волной H01
.
Для обеспечения надлежащей чистоты возбуждения волны H01
этот переход должен иметь достаточно большую длину.

Определенные трудности, связанные с достижением хорошего качества согласо­вания в широкой полосе частот, возникают также при выполнении переходов от полосковых линий передачи к коаксиальным и прямоугольным волноводам.

Коаксиально-полосковые переходы
в зависимости от взаимного расположения соединяемых проводников могут быть соосными
или перпендикулярными
(рис. 17).

Рис. 17 Коаксиально-полосковые переходы

Для уменьшения иррегулярности в области сочленения диаметр внешнего проводника коаксиального волновода должен быть близким к расстоянию между внешними пла­стинами симметричной полосковой линии или к удвоенной толщине основания несимметричной полосковой линии. Для улучшения сог­ласования в соосном перехо­де делают скосы на конце полоскового проводника (рис. 17, а). Согласование перпендикулярного коаксиально-полоскового перехода (рис. 17, б) осуществляют подбором диаметра соединительного штыря, проходящего через диэлектрическое основание, а также подбором размеров коаксиальной диафрагмы на выходе из коаксиального волновода и короткого разомкнутого шлейфа из отрезка полоскового проводника. Часто коаксиально-полосковые пе­реходы совмещают с коаксиальными соединителями.

Устройства для возбуждения полосковой линии передачи от прямоугольного волновода с волной Н10
называются волноводно-полосковыми переходами
. Соединение полосковой линии с прямоугольным волноводом может быть выполнено через плавный или ступенчатый переход на П-образном волно­воде (рис. 18, а).

Рис. 18 Волноводно-полосковые переходы

В такой конструкции перехода обеспечивается широкополосное согласование прямоугольного волновода с полосковой линией передачи я устраняется паразитное излучение из открытого конца волновода.

Волноводно-полосковый переход другого типа, в котором ис­пользуется часть волновода в качестве корпуса для полоскового узла, показан на рис. 18, б. Этот переход выполнен на диэлек­трической пластине, установленной продольно в средней плоско­сти прямоугольного волновода, параллельно силовым линиям поля Е.
С двух сторон диэлектрической пластины напечатаны про­водники, имеющие контакт один с верхней, а другой с нижней стенками волновода, и образующие плавный переход к симмет­ричной полосковой линии. Далее на той же диэлектрической пла­стине располагается несимметричная полосковая линия, возбуж­даемая от ленточной линии через симметрирующее устройство в виде двух четвертьволновых щелей в экране. Экран несимметрич­ной полосковой линии замыкает широкие стенки прямоугольного волновода, что препятствует проникновению волны Н10
в область волновода с полосковым узлом.

Библиографический список

1) Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А.. Устройства СВЧ.- М: Высшая школа, 1981

2) С.А. Баранов, М.П. Наймушин. Исследование полоснопропускающих волноводных фильтров СВЧ и методов узкополосного согласования в волноводных трактах; - Методические указания к лабораторной работе по курсу «Антенны и устройства СВЧ».- Свердловск 1987