Зміст лекції

3.1 Хвилеводи

Утворення хвилеводу

Хвилеводом називається металева труба або діелектричний стрижень, що використовується як фідерна лінія в діапазоні сантиметрових (і коротших) радіохвиль.

Перехід від лінії до хвилеводів обумовлений різким зростанням втрат енергії в лінії з підвищенням частоти. У двопровідних лініях це втрати на випромінювання і на нагрів дротів. Перші виникають, коли відстань між дротами: , а другі - в наслідку поверхневого ефекту. У коаксіальних лініях випромінювання усувається екрануванням, а втрати на нагрів відбуваються в основному в одному – внутрішньому дроті. Тому такі лінії використовують на дециметрових хвилях. Істотне зменшення втрат можливе якщо з коаксіальної лінії вилучити внутрішній дріт. В цьому випадку вона перетворитися на трубу - хвилевід круглого перерізу.

Графіки зміни постійної загасання при підвищенні частоти для двопровідної, коаксіальної лінії і хвилеводу показані на рис. 3.1а.

Рис. 3.1 До порівняння ліній фідерів різних конструкцій

а) за частотними характеристиками загасання;

б) по пробивній напрузі

Окрім зменшення втрат, перевагою хвилеводу в порівнянні з коаксіальною лінією, являється збільшення пробивної відстані (рис. 3.1б). Це дозволяє, при однакових габаритах, збільшити амплітуду напруги не менше чим в 2, а передавану потужність - в 4 рази. Остання в діапазоні СМХ може перевищувати сотні кіловат.

1. Можливість перетворення лінії в хвилевід ілюструється рис. 3.2. На нім показана двопровідна погоджена лінія, до дротів якої з двох сторін підключені чвертьхвильові відрізки КЗЛ – металеві ізолятори, що мають величезний вхідний опір. Тому їх підключення і збільшення їх числа, аж до злиття в суцільний короб, не впливає на процес біжучої хвилі, в початковій лінії. Два такі короби з двох сторін лінії і перетворюють її на прямокутний хвилевід. У хвилеводі разом з подовжніми біжучими хвилями, існують поперечні стоячі хвилі в металевих ізоляторах.

Рис. 3.2 Утворення прямокутного хвилеводу з двопровідної лінії, що спирається на ряд металевих ізоляторів

2. Типи хвиль в хвилеводі. Уявимо собі утворення прямокутного хвилеводу з двопровідної лінії що складається з двох етапів. На першому етапі (рис. 3.3а) ми розширюватимемо дроти лінії, перетворюючи їх на широкі стінки хвилеводу, структура ЕМХ від цього не порушиться. Хвиля залишиться поперечно-електромагнітною (типу ТЕМ).

На другому етапі наближатимемо до широких стінок вузькі. У момент їх з'єднання виникає екран, через який м.с.л. не можуть вийти за межі хвилеводу. Тому хвиля типу ТЕМ не може існувати в хвилеводі.

Враховуючи, що м.с.л. мають бути замкнуті і що м.с.л. і е.с.л. мають бути взаємно перпендикулярні, можна уявити собі два можливі типи хвиль.

Хвиля типу Н (чи ТЕ) - подовжня магнітна (чи поперечна електрична). Електричне поле розташоване в площині поперечного перерізу, а електричне має подовжню складову (рис. 3.3б).

Хвиля типу Е (чи ТМ) - подовжня електрична (чи поперечна магнітна) магнітне поле розташоване в поперечному перерізі, а електричне має подовжню складову (рис. 3.3в).

Рис. 3.3 Хвиль:

а) ТЕМ

б) Н (ТЕ)

в) Е (ТМ)

Хвиля Н₁₀ в прямокутному хвилеводі

Позначення хвилі.

Як вже відзначалося, уздовж хвилеводу поширюється біжуча хвиля, а в поперечному перерізі існує стояча. Позначення хвиль в прямокутному хвилеводі буквено-цифрове. Буква вказує тип хвилі (Н - подовжня магнітна, Е - подовжня електрична). Перша цифра індексу - число стоячих півхвиль уздовж широкої стінки хвилеводу ( - півхвиля одна). Друга цифра індексу - число стоячих півхвиль уздовж вузької стінки хвилеводу (0 – поле не змінюється) (рис. 3.5а). Хвиля Н₁₀ знаходить найбільш широке застосування, оскільки для її отримання потрібно хвилевід з найменшими поперечними розмірами.

Утворення і структура хвилі.

Поширення хвиль в хвилеводі відбувається шляхом багатократного дзеркального відзеркалення початкової хвилі від бічних стінок хвилеводу. На рис. 3.4 показаний один з безлічі паралельних багатократних променів.

Рис. 3.4 До утворення подовжньої хвилі в хвилеводі

Рис. 3.5 Структура і графіки

а) електричного поля поперечно-стоячої хвилі

б) і в) - електричного і магнітного полів подовжньої біжучої хвилі

Структура ЕМХ в хвилеводі є результат інтерференції (накладення) полів хвиль, що падають і відбитих. На рис. 3.5 показані структури і графіки зміни напруженостей полів Е і Н подовжньою і поперечною хвиль для фіксованого моменту часу. З часом подовжня хвиля переміщається уздовж осі хвилеводу, а поперечна змінюється по амплітуді і напряму полів, залишаючись нерухомою. На стінках хвилеводу виконуються наступні граничні умови: Е_t = 0 і Н_N =0. В точках перетину м.с.л. перпендикулярні е.с.л.

Рис. 3.6 До визначення параметрів хвилі Н₁₀ в прямокутному хвилеводі

3. Поширення і параметри хвилі Н₁₀

1). Початкові співвідношення. На рис. 3.6 показаний багаторазово відбитий промінь і два положення фронту хвилі Фр1 иФр2. Розглянемо прямокутний трикутник АВD. Його вершини А і В належать фронту Фр2, тому коливання в точках А і В повинні співпадати по фазі. Для виконання цієї умови необхідно щоб на шляху Р + S зміна фази складала 360^о, тобто, щоб довжина шляху дорівнювала довжині хвилі: Р + S = l.

Но, з DАВD; P = S cos(2Q), а з DGDB: S=a/cosQ, де а = GD - ширина хвилеводу.

Підставивши значення Р і S в початкове рівняння отримай:

2). Критична (найбільша) довжина хвилі. З останньої рівності: , отримаємо: . Отже кут падіння і відзеркалення променів - залежить від довжини хвилі - , ширина хвилеводу а. Чим довше хвиля, тим менший кут . Якщо , то існує тільки поперечна - стояча хвиля, а що біжить - подовжньої хвилі немає.

В цьому випадку

Отже хвилевід пропускає хвилі завдовжки , частоти .

3). Групова швидкість - . Це швидкість поширення енергії уздовж осі хвилеводу. Тепер розглянемо прямокутний трикутник ЕАВ, виділений на рис. 3.7а. Його катет ЕА співпадає з напрямом променя, що падає. Довжина ЕА дорівнює шляху, пройденому променем за деякий час :

ЕА = с (с - швидкість світла)

За цей же час енергія хвилі уздовж осі хвилеводу переміститься на відстань ЕF, рівну проекції шляху на напрям подовжньої осі. З DЕFА отримуємо:

ЕF = = ЕА = с = kс .

Для скорочення записи позначено:

при

Остаточно:

Оскільки , то .

Енергія ЕМХ переміщається в хвилеводі повільніше, ніж у вільному просторі.

4). Фазова швидкість - . Це швидкість зміни фази уздовж осі хвилеводу.

За теж час , фронт хвилі (рис. 3.4) переміститься з точки Е в точку В. Разом з фронтом переміститься і фаза хвилі, тому: ЕВ = . З DЕАВ, гіпотенуза:

ЕВ = ЕА/ = ЕА/k = с /k

Тому

Оскільки ,

Добуток: .

5). Довжина хвилі в хвилеводі - . Це шлях пройдений хвилею, що біжить, уздовж осі хвилеводу за один період.

Рис. 3.7 До визначення фазової і групової швидкостей хвилі

З подібності трикутників рис. 3.7 слідує що , але , тому

.

Хвиля в хвилеводі довша, ніж у вільному просторі.

6). Хвилевий опір хвилеводу.

Як і для вільної ЕМХ: . Проте в хвилеводі напруженості Е_в і Н_в складаються з напруженостей полів падаючої і відбитої хвиль. Як видно з рис. 3.8а, електричні поля цих хвиль розташовані у вертикальній площині (уздовж стінки ), співпадають по напряму і складаються арифметично: Е = 2Е.

Магнітні поля, розташовані в горизонтальній площині (уздовж стінки ), перетинаються під кутом і складаються векторно. Тому: Н_в = 2kН. Підставивши ці значення у формулу отримаємо:

Отже і виникає необхідність узгодження з вільним простором.

Рис. 3.8 До визначення хвилевого опору хвилеводу

Вибір поперечних розмірів хвилеводу.

Ширина хвилеводу - вибирається і умови: .

Якщо вибирати: , то виявиться, що і хвиля поширяться в хвилеводі не буде.

Якщо вибрати: , то уздовж стінки поширюватиметься дві стоячих півхвиль, тобто виникне хвиля Н₂₀, що небажано.

Практично вибирають: .

Висота хвилеводу - , Якщо вибрати , то виникне хвиля Н₁₁. При зменшенні зменшується допустима передавана потужність із-за небезпеки пробою. Практично вибирають:

Приклад: Вимагається вибрати оптирисьні розміри і визначити параметри прямокутного хвилеводу з хвилею Н₁₀, якщо .

Відповідь:

Класифікація хвиль в хвилеводі

Прямокутний хвилевід.

Окрім хвилі основного типу Н₁₀ в прямокутному хвилеводі можуть виникати хвилі вищих порядків: подовжні магнітні або електричні. Вони позначаються Н_mn або Е_mn,

де: m - число стоячих півхвиль уздовж стінки ;

n - теж уздовж стінки .

Рис. 3.9 Структур хвиль Н₁₁ і Е₁₁ в прямокутному хвилеводі

Пиричиною виникнення цих хвиль може бути неправильний вибір поперечних розмірів хвилеводу або робочих частот. Вони виникають і на частотах вищих гармонік. Їх наявність небажана, оскільки вона призводить до появи відзеркалень від навантаження, яке для них виявляється неузгодженим і, як наслідок, до зниження ККД хвилеводу і зворотній дії на ГВЧ.

Приклад: На рис. 3.10 показані структури ЕМП поперечних і подовжніх перерізах прямокутного хвилеводу. Вимагається побудувати епюри полів Е і Н в поперечних перерізах і записати позначення хвилі.

Рис. 3.10 До прикладу

Відповідь: хвиля H₂₀

Круглий хвилевід.

Позначення хвиль Н_mn і Е_mn в круглому хвилеводі відрізняється тим, що тут:

m - число стоячих півхвиль уздовж периметра кола;

n - те ж уздовж діаметру кола.

Найбільш широке застосування на ходять хвилі Е₀₁ і Н₁₁ (рис. 3.11)

Хвиля Е₀₁ має осьову симетрію. Тому її структура не порушується при обертанні хвилеводу, що використовується в з’єднанні хвилеводів, що обертаються.

Хвиля Н₁₁ легко перетворюється на хвилю Н₁₀ в прямокутному хвилеводі плавному зміною форми перерізу з круглої в прямокутну.

Рис. 3.11 Структур полів хвиль а) Е01 і б) Н11 в круглому хвилеводі

Елементи хвилеводних трактів

Хвилеводний тракт сполучає вихід передавача НВЧ з антеною і антену з входом приймача. У нього, окрім хвилеводів, входять елементи що забезпечують збудження хвиль, узгодження, розгалуження і з'єднання хвилеводів.

Збудження хвилеводів

Збудником хвилі в хвилеводі є випромінювач - проста антена - що живиться від генератора НВЧ безпосередньо або через короткий коаксіальний фідер. Збудник має бути погоджений з ГВЧ і хвилеводом і ефективно випромінювати радіохвилі. Широко застосовуються три способи збудження.

1). Збудження штирем (рис. 3.12)

Штир - внутрішній дріт коаксіального фідера вводиться в хвилевід паралельно стінці , в цьому випадку електромагнітне поле відповідає полю хвилі Н₁₀. На НВЧ короткий провідник інтенсивно випромінює радіохвилі.

Поршень П1 розташовують на відстані від штиря. У цьому випадку відбита від поршня хвиля співпадає по фазі і складається з хвилею такою, що безпосередньо випромінює у вправо від штиря. Зрушення фази хвилі що випромінює вліво складає 360^о, оскільки на 180^о фаза змінюється при відбиванні і ще на 180^о на шляху від штиря до поршня і назад.

Положення поршня П2 вибирають так, щоб забезпечити біжучу хвилю, у фідері.

Рис. 3.12 Збудження хвилеводу штирем

2). Збудження зондом (рис. 3.13).

Зонд - це розімкнений на кінці внутрішній дріт лінії. Його довжина - глибина занурення підбирається так, щоб у фідері виникла біжуча хвиля. У іншому цей спосіб збудження близький до попереднього.

Рис. 3.13 Збудження хвилеводу зондом

3) Збудження петлею (рис. 3.14).

Петля - виток розташований в площині стінки , є магнітним збудником. Його магнітне поле розташоване паралельно стінці і співпадає з полем хвилі Н₁₀. Узгодження фідера з хвилеводом забезпечується підбором розмірів і глибини занурення петлі.

Рис. 3.14 Збудження хвилеводу петлею

Узгодження хвилеводу з навантаженням.

Елементи, що погоджують, забезпечують отримання біжучої хвилі, в хвилеводі, коли вхідний опір навантаження не дорівнює хвилевому опору хвилеводу.

За принципом дії елементи хвилеводів, що погоджують, буваю - діафрагми і гвинти (рис. 3.15) нагадує реактивні шлейфи використовувані для узгодження лінії з навантаженням.

Рис. 3.15 Схем узгодження хвилеводів

У неузгодженому хвилеводі, що розузгодився, встановлюється режим змішаних хвиль. У цьому режимі співвідношення між напряженностями полів Е_в і Н_в не постійно. Воно змінюється залежно від відстані від навантаження. Елемент, що погоджує, встановлюється на такій відстані де активна складова вхідного опору хвилеводу, дорівнює його хвилевому опору. У цих умовах для отримання біжучої хвилі, досить компенсувати реактивну складову, створивши рівну їй, але протилежний за характером опір (провідність). Ємнісні діафрагми (рис. 3.15 б і в) зближують широкі стінки хвилеводу збільшуючи емність і поле Е_в.

Індуктивні діафрагми (рис. 3.15 г і а) - звужують хвилевід, концентруючи магнітне поле Н_в.

Поєднання таких діафрагм дозволяє отримати резонансний отвір (рис. 3.15 д), який за властивостями нагадує налагоджений паралельний коливальний контур.

Настроювальний гвинт (рис. 3.15 е) може вносити в хвилевід різне за характером і величині опір залежно від глибини його занурення . Якщо - воно ємнісне, якщо - індуктивне, якщо - послідовний резонанс.

З'єднання хвилеводів.

1). Фланцеве з'єднання нерухомих однотипних хвилеводів (рис. 3.16) повинне забезпечити точний збіг хвилеводів, що сполучаються, і хороший, непорушуваний контакт. Інакше можливе виникнення відзеркалення або пробою.

Рис. 3.16 Фланцеве з'єднання прямокутних хвилеводів

2). Дросельно-фланцеве з'єднання (рис. 3.17) надійніше. Завдяки наявності півхвильового короткозамкнутого шлейфу з нульовим вхідним опором (у точці ) забезпечується надійний контакт між недотичними хвилеводами. Шлейф складається з кільцевої канавки глибиною і поглиблення , довжина якого так само рівна в середині широкої стінки хвилеводу (у пучности напруги).

Рис. 3.17 Нерухоме дросельно-фланцеве з'єднання хвилеводів

3). Обертаюче з’єднання. Антена літаковою панорамною РЛС повинна обертатися або сканувати по азимуту. При цьому хвилі в хвилеводі не повинні порушуватися. Таку властивість має хвиля в круглому хвилеводі. З’єднання (рис. 3.18) забезпечує передачу енергії від нерухомого хвилеводу з хвилею Н₁₀ сполученого з ГНВЧ в рухливий, сполучений з антеною. Хвиля Н₁₀ з вхідного прямокутного хвилеводу (3) переходить в круглий хвилевід (2), збуджуючи в нім подовжнє поле Е хвилі Е₀₁. Через дросельно-фланцеве з’єднання (5), що обертається, хвиля Е₀₁ переходить у верхню рухливу частину круглого хвилеводу, а з нього в прямокутний хвилевід сполучений з антеною, перетворюючись в хвилю Н₁₀. Гвинти (1) забезпечують узгодження хвилеводів. Резонансні кільця (2) перешкоджають виникненню хвиль інших типів.

Рис. 3.18 Обертаюче з’єднання хвилеводів

Розгалуження хвилеводів

1). Хвилеводні трійники (Т-подібні відгалужувачі). Використовуються для відгалуження частини енергії з головного хвилеводу в додатковий ланцюг, для забезпечення узгодження і вимірів. Можливі два різновиди трійників.

Трійник типу Е (рис. 3.19). Відгалужувач (плече Е) розташований перпендикулярно широкій стінці головного хвилеводу. При збудженні головного хвилеводу з плеча Е, поля в точках головного хвилеводу, рівновіддалений від плеча Е, виявляються протифазами (протилежні напрями е.с.л. на рис. 3.19).

Рис. 3.19 Конструкція (а), еквівалентна схема (б) Т-подібного відгалуження (трійника) типу Е і розподіл силових ліній електричного поля в нім (в)

Трійник типу Н (рис. 3.20). Відгалужувач (плече Н) розташовано в площині широкої стінки головного хвилеводу. При збудженні з плеча Н, поля в симетричних точках головного хвилеводу синфазны.

Рис. 3.20 Конструкція (а), еквівалентна схема (б) Т-подібного відгалуження (трійника) типу Н і розподіл силових ліній електричного поля в нім (в)

Подвійний трійник (рис. 3.21) - поєднання трійників типу Е і Н. Головна властивість подвійного трійника - взаємна розв'язка протилежних плечей при збалансованому навантаженні двох інших.

Нехай симетрично навантажені плечі головного хвилеводу збуджуються з плеча Е. Енергія порівну розподіляється між ними не проникаючи в плече Н, оскільки для його збудження потрібно синфазні поля, а хвиля з плеча Е створює в головному хвилеводі - протифази. Аналогічно хвиля з плеча Н не проникає в плече Е. Тому подвійний трійник називаю хвилеводним мостом.

Якщо ГНВЧ включити в плече Е, індикатор - в плече Н, плече-1 навантажити еталонним, а плече - 2 вимірюваним опором, то показання індикатора будуть тим більше, чим більше відрізняються ці опори. На цьому заснований метод мостового виміру опору і К_св на НВЧ.

Можна показати, що плечі 1 і 2 мають такі ж властивості, відносно плечей Е і Н

Рис. 3.21 Хвилеводний міст

2. Хвилеводний кільцевий міст (рис. 3.22)

Представляє собою кільцевий хвилевід сполученим з чотирма хвилеводами. Енергія хвилі з головного хвилеводу (плече-1) розгалужується порівну в два півкільця. На вхід кожного відгалужувача діє дві хвилі. Якщо їх поля синфазны, у відгалужувачі виникає хвиля, якщо противофазны - ні. Умова синфазности: різниця шляхів пройдених хвилями по кільцю дорівнює нулю або цілому числу . Умова противофазности: ця різниця дорівнює непарному числу . Так при збудженні з плеча-1, хвилі виникають у відгалужувачах 2 і 4.

Рис. 3.22 Хвилеводний кільцевий міст

Приклад: В яких відгалужувачах кільцевого моста виникнуть хвилі, при його збудженні з плечей: а) 2; б) 3; в) 4.

Відповіді: а) В 1 і 3; б) В 4 і 2; в) В 1 і 3.

3. Направлений відгалужувач. (рис. 3.23). Головний хвилевід пов'язаний з відгалужувачем через два отвори, розташовані на подовжній осі широких стінок, на відстані . Частина енергії прямої хвилі переходить у відгалужувач через ці отвори. Енергія відбитої від навантаження хвилі в хвилевід відгалужувача не проникає, оскільки різниця шляхів відбитих хвиль що пройшли через 1 і 2 отвори рівні і вони противофазны. Поглинаюче навантаження в закритому кінці відгалужувача запобігає повторному відзеркаленню.

Якщо поміняти місцями хвилевід відгалужувача і поглинаюче навантаження, то в хвилевід проникатиме тільки відбита хвиля, а пряма поглинеться.

Рис. 3.23 Спрямований хвилеводний відгалужувач

Особливості полосковых і діелектричних хвилеводів

1. Полосковые хвилеводи. Знаходять усе більш широке застосування в рисогабаритному РЕО НВЧ. Поперечні перерізи несиметричної і симетричної полосковой лінії показані на рис. 3.24

Рис. 3.24 Різновиди полоскових хвилеводів: а) і б) симетричні;

в) несиметричний

Лінія складається з тонкого полоскового провідника і металевого екрану (основи) розділений тонким шаром діелектрика. У таких лініях поширюються поперечні хвилі близькі хвилям типу ТЕМ. Тому критичної хвилі немає і діапазон хвиль ширше чим у металевих хвилеводів: від МХ до СМХ.

До переваг таких ліній можна віднести: габарити, вагу, вартість, друкарську технологію виготовлення, конструктивну сумісність з микроминиатюрными компонентами, широку смугу пропускання, відсутність побічних типів хвиль. Їх недоліками є: менша передавана потужність і більше загасання, ніж у металевих хвилеводів. Незважаючи на це вони дуже перспективні для бортового устаткування і широко застосовуються в сучасних зразках.

Рис. 3.25 Діелектричний хвилевід: а) відзеркалення і заломлення променів на поверхні хвилеводу; б) структура поля хвилі Н₁₁ в поперечному і в) подовжньому перерізах хвилеводу.

2. ППДМЄД?іелектричний хвилевід (3.25) є стрижнями круглого перерізу з діелектрика з рисими втратами. На межі діелектрик-повітря відбувається часткове відзеркалення, часткове заломлення променя. Чим більше відношення тим більша частина енергії поширюється усередині хвилеводу за рахунок багатократного відзеркалення. Оскільки у діелектрика , швидкість і довжина хвилі в хвилеводі менші, ніж в повітрі:

і

Структура хвилі така, що як електричні, так і магнітні поля мають подовжню складову. Тип хвиль НЕ₁₁.

Попри те, що загасання в діелектричному хвилеводі більше, ніж в металевому, його застосування стає доцільним на міліметрових і коротших хвилях. У зв'язку з тим, що виготовлення металевих хвилеводів для цих діапазонів зв'язане зі значними труднощами.

У діапазоні світлових хвиль діелектричний хвилевід перетворюється на світлопровід - тонку скляну нитку, по якій світловий промінь поширюється майже без втрат на значні відстані. Багатожильні волоконні світлопроводи вже зараз знаходять застосування для передачі світлових сигналів. У перспективі вони можуть успішно конкурувати з лініями електрозв'язку.

3.2 Ферити в хвилеводних трактах

Властивості феритів

Ферити - це речовини, що отримуються при спіканні окислу заліза з окислами марганцю, магнію, міді, цинку або кадмію. Це феромагнітні матеріали напівпровідникового типу з високим питомим опором (до 10⁷ Ом∙см). Завдяки цьому, а також нікчемним втратам на гістерезис, ферит - єдиний з магнітних матеріалів здатний пропускати ЕМХ НВЧ діапазону з малими втратами.

2. Намагнічення фериту. Як і у будь-якому феромагнетику, у фериті під впливом зовнішнього намагнічуючого поля Н_о, прицьому відбувається орієнтація внутрішніх елементарних полів по напряму Н_о, в результаті якої поле посилюється в раз.

Проте у фериті цей процес має цікаві особливості. Внутрішні поля у фериті створюються за рахунок обертання електронів навколо своєї осі - спіна.

Магнітний момент електрона - М_н спрямований по осі його обертання на зустріч механічному моменту М_мех, обумовленому обертанням маси електрона (рис. 3.26а).

Рис. 3.26 До пояснення прецессии електрона

Під дією намагнічуючого поля виникає сила, що прагне поєднати магнітні поля по напряму. Це призводить до поєднання осі обертання електрона О^/О^// з вектором Н_о. Завдяки наявності механічного моменту, відбувається процес що називається прецессией електрона, в ході якого проекція осі О^/О^// описує на площині перпендикулярною до Н_о спіральну лінію. Прецессия тривати біля 0,01с. кругова швидкість - частота обертання по спіралі називається частою феромагнітного резонансу. Вона пропорциоанальна напруженості поля, що намагнічує:

f_o[МГц]» 3,5Н_о [А/м]

з цією частотою відбувається загасання коливань горизонтальною (на рис. 3.26) складовою вектору М_н (М_нt)

Приклад: Розрахувати частоту f_o і довжину хвилі, що відповідає їй, якщо Н_о = 2,85×10³ А/м.

Відповіді: f_o = 10⁴ МГц; см.

3. Ферити в електромагнітному полі НВЧ

1). Розкладання поляризованої хвилі. На рис. 3.27 показаний процес додавання двох хвиль магнітного поля рівних по амплітуді і по частоті, що мають кругову поляризацію в зустрічних напрямах: Н₊ - по напряму, а Н_– - проти напряму годинникової стрілки. Як видно з побудови, в результаті складання виникає плоскополяризована хвиля. Отже, будь-яку плоскополяризовану хвилю можна розкласти на дві рівні хвилі із зустрічною круговою поляризацією.

Рис. 3.27 Розкладання плоскополяризованої хвилі на дві хвилі із зустрічною круговою поляризацією

2). Властивості феритів в полі НВЧ. Якщо плоскополяризована хвиля частоти f проходить крізь феритовий стрижень у напрямі поля Н_о, то магнітне поле перпендикулярно Н_о. Тому поля Н₊ і Н_–, що обертаються лежать в «площині прецессии» – в одній площині з горизонтальною складовою M_нt. Одне з них (наприклад – Н₊) обертається у напрямі прецессии, інше - в протилежному. Поле Н₊ викликає вимушену прецессию електронів з частотою f. Якщо плавно збільшувати напруженість поля Н_о, то частота f_o, підвищуватиметься і, при певному значенні Н_о рез, виявиться, що f_o=f і настане феромагнітний резонанс. При резонансі амплітуда прецессии виявиться максимальною. На це хвиля Н₊ витрачатиме значну частину своєї енергії. За рахунок резонансного поглинання загасання хвилі різко зростає (рис. 3.28б)

Рис. 3.28 Графіків залежностей від напруженості намагнічуючого поля:

а) магнітної проникності;

б) постійною загасання фериту

Вщо стосується магнітної проникності фериту (3.28а), то вона виявляється дуже різною для хвиль Н₊ і Н_– (m₊ і m_–). Хвиля Н_– майже не взаємодіє з полями електронів, тому і майже не залежить від Н_о. Хвиля Н₊ взаємодіє, тому результуюче поле цієї хвилі, а разом з ним і m₊, змінюється в широких межах не лише за величиною, але і по знаку.

4. Ефект Фарадея. У 1845 році М. Фарадей виявив, що якщо промінь світла направити уздовж магнітного поля, то площина поляризації обертається.

Кут повороту пропорційний напруженості поля, а напрямі повороту не залежить від напряму променя світла.

Використання цього ефекту для обертання площини поляризації радіохвиль НВЧ стало можливим завдяки застосуванню феритів.

На рис. 3.29 показаний феритовий стрижень намагнічений полем Н_о, в якому поширюється плоскополяризована хвиля. Оскільки проникність m₊ і m_– не рівні, то не рівні і фазові швидкості и . Це означає, що у міру просування по стрижню, вектори і обернуться на різні кути і результуючий вектор (тобто площина поляризації) обернеться тим більше, чим більше Н_о і чим довше стрижень. Перевагою пристроїв що використовують ефект Фарадея в тому, що вони працюють в дорезонансной області (Н_о < Н_{о рез}) і не вимагають сильних магнітних полів. Їх недолік - значні габарити.

Рис. 3.29 До пояснення ефекту Фарадея

Застосування феритів

1. Циркуляторы - це багатоканальні пристрої, в яких ЕМХ поширюються з одного каналу в інший тільки в певній послідовності. Наприклад в четырехплечем циркуляторе може бути реалізована така послідовність 1-2-3-4-1-...

Поляризаційний циркулятор заснований на використанні ефекту Фарадея. Його пристрій показаний на рис. 3.30а

Чотири плечі утворені прямокутними хвилеводами з хвилею Н₁₀. Для того, щоб потрапити в чергове плече, хвиля повинна пройти через феритовий подовжньо-намагнічений стрижень розташований в круглому хвилеводі. У нім виникає хвиля Н₁₁, яка легко трансформується з хвилі Н₁₀ за рахунок плавного переходу від прямокутного до круглого хвилеводу. Хвилевід кожного наступного плеча повернений відносно попереднього на 45^о. На такий же кут обертається і площина поляризації хвилі феритовим стержнем за рахунок ефекту Фарадея. Послідовні положення полів відносно полів плечей циркулятора показані на рис. 3.30б

Рис. 3.30 Поляризаційний циркулятор:

а) пристрій;

б) структури електричного поля

Y – циркулятор (рис. 3.31) це три хвилеводи сполучених під кутом 120^о. У центрі намагнічений феритовий стрижень. Якби не було ферритора то енергія хвилі поступає з одного плеча, порівну розподілялася б між іншими. За наявності фериту поле НВЧ в кожному плечі складається з первинного і перевипроміненого феритом. При правильному підборі підмагнічування ці поля складаються в лівому від вхідного плечі і знищуються в правому. Так забезпечується послідовність: 1-2-3-1…

Рис. 3.31 Y - циркулятор:

1, 2, 3 – плечі трійника; 4 - ферит; 5 - діелектрик

2. Фазообертач. Феритовий фазообертач складається з хвилеводної лінії, що містить намагнічений ферит. Управління фазою НВЧ коливань здійснюється шляхом зміни поля, що намагнічує, в наслідку чого - магнітній проникності фериту, що веде до зміни фазової швидкості хвилі і фазового зрушення в хвилеводі.

Фазообертачі, що забезпечують однакове фазове зрушення фази для хвилі будь-якого напряму називаються взаємними. Якщо він різний - невзаємними.

Рис. 3.32 Взаємний фазообертач

Взаємний фазообертач поляризаційного типу (рис. 3.32) заснований на використанні ефекту Фарадея. Його особливість в тому, що дві половини феритового стрижня намагнічуються в зустрічних напрямах. Тому повороти площини поляризації також виявляються зустрічними і взаємно компенсуються, а тимчасова затримка і фазове зрушення зберігаються не залежно від напряму хвилі.

Невзаємний фазообертач з поперечним намагніченням феритової пластини зміщеної відносно осі хвилеводу (рис. 3.33). У нім використовується та обставина, що магнітна проникність фериту m₊ і m_– для хвиль різного напряму різна. Тому різними виявляються і фазові зрушення.

Рис. 3.33 Прямокутний хвилевід з феритовою пластинкою

3. Феритові вентилі. Це пристрої, що забезпечують проходження ЕМХ переважно в одному напрямі.

Поляризаційний вентиль. Відрізняється від циркулятора (рис. 11.30) тим, що має тільки два плечі: 1 і 2. Пряма хвиля з виходу - 2 на вхід - 1 не проходить, оскільки після повороту площини поляризації на 90^о (двічі на 45^о) її електричне поле зорієнтоване уздовж широкої стінки хвилеводу (рис. 3.34)

Рис. 3.34 До пояснення принципу роботи поляризаційного вентиля

Резонансний вентиль (рис. 3.35). У цьому вентилі за рахунок застосування сильного магніта забезпечується феромагнітний резонанс і пов'язане з ним різке збільшення втрат енергії хвилі одного напряму. Напрям м.с.л. цієї хвилі співпадає з напрямом прецессии.

Крім хвилеводів, феритові пристрої можуть бути використані у поєднанні з лініями фідерів або полосковыми.

Рис. 3.35 Облаштування резонансного вентиля

3.3 Об'ємні резонатори

Резонансні відрізки лінії

1. Відрізки двопровідної лінії.

Перехід від коливального контура до резонансного відрізку лінії стає необхідним в діапазоні УКХ резонансна частота контура рівна:

Для її підвищення необхідно зменшувати індуктивність котушки і емність конденсатора . У подальшому з контура вилучається конденсатор і емність утворюється в основному вихідною ємністю елементу, що управляє, яка для роботи на УКХ, має бути рисою.

Зменшення індуктивності призводить до заміни котушки відрізком КЗЛ таким, що коротше за чверть хвилі (чи непарного числа чвертей хвилі) чинить індуктивний опір.

Рис. 3.36 Перехід від коливального контура до відрізку КЗЛ

Налаштування робиться переміщенням короткозамикаючого містка (рис. 3.36). переміщуючи точки підключення ГВЧ або навантаження можна регулювати узгодження. Відрізки двопровідних ліній добре поєднуються з симетричними - двотактними схемами ГВЧ і навантаження. Перехід потрібний на метрових хвилях. Причому великогабаритні котушки потужних ГВЧ перетворюються на ланцюги з розподіленими параметрами і замінюються лініями на довших хвилях (порядку 10м), а малопотужних - на коротших (біля 3м).

У міру підвищення робочої частоти в межах діапазонів МХ і ДМХ зростають втрати в дротах лінії і на випромінювання, знижується добротність відрізку лінії. Тому на ДМХ переходять до використання добротніших коаксіальних резонаторів.

2. Коаксіальні резонатори. (рис. 3.37) є відрізками коаксіальних повітряних ліній, короткозамкнутих або розімкнених, - навантажених на регульовану емність. Структура ЕМП показана на рис. 3.37а. Налаштування робиться або зміною довжини резонатора (зазвичай з боку ГВЧ, рис. 3.37б), або зміною ємкості. Зв'язок з навантаженням може бути ємнісним (через регульовану повітряну емність між внутрішніми дротами резонатора і фідера, рис. 3.37в і г), автотрансформаторним (за рахунок підключення відведення до внутрішнього дроту резонатора, рис. 3.37г) або індуктивним (за допомогою петлі зв'язку, рис. 3.37 д).

Рис. 3.37 Коаксіальний резонатор

Підвищення добротності сприяє повне екранування поля, а також зменшення втрат за рахунок збільшення внутрішньої поверхні резонатора і рисого її опору. Значення добротності досягають декількох тисяч.

Коаксіальні резонатори добре конструктивно поєднуються із спеціальними лампами НВЧ (маячковими і металокерамічними) що мають циліндричні виводи електродів. Цим забезпечується повний контакт з резонатором по усій поверхні виводів.

Об'ємні резонатори

1. Хвилеводні резонатори. У діапазоні СМХ в якості коливальних систем застосовуються замкнуті резонансні відрізки хвилеводів - прямокутні або циліндричні об'ємні резонатори (рис. 3.38).

Коливання в цих резонаторах збуджується також, як і в хвилеводах. На відміну від хвилеводів, в резонаторах встановлюється стояча хвиля не лише в поперечному, але і подовжньому напрямі. Маркіровка хвиль трьохзнакова Н_mnp або Е_mnp. Де m, n, p - число стоячих півхвиль уздовж стінок a, b, і c відповідно в прямокутному резонаторі або уздовж периметра, діаметру і довжини - в циліндричному. На рис. 3.38а і б показані структури полів Е₀₁₀ в циліндричному і Н₁₀₁ в прямокутному резонаторах. Резонатори цього типу відрізняються дуже високою добротністю (до десятків тисяч одиниць), завдяки повному самоэкранированию, великій внутрішній поверхні і відсутності внутрішнього дроту. Утворення такого резонатора можна представити як результат паралельного з'єднання безлічі двопровідних КЗЛ. Як відомо, при такому з'єднанні індуктивність зменшується:

(де - число сполучених відрізків), а резонансна частота підвищується. Резонансну довжину хвилі прямокутного хвилеводу можна розрахувати по формулі:

Рис. 3.38 Пристрій і епюри електричного поля:

а) прямокутного

б) циліндричного резонатора

Приклад: В прямокутному резонаторі з розмірами існує хвиля Н₁₀₁. Яка резонансна довжина хвилі?

Відповідь:

2. Квазістаціонарні резонатори.

Резонатори такого типу утворені на основі елементарного коливального контура або з хвилеводного резонатора шляхом деформації - зближення його стінок в області пучности електричного поля. Характерна особливість таких резонаторів - розділення електричного і магнітного полів в просторі. Перше зосереджене між пластинами, друге - у витку. Цим досягається можливість забезпечити безпосередню взаємодію електронного потоку з електричним полем коливань НВЧ. Така взаємодія використовується в клістронних і магнетронных підсилювачах і генераторах НВЧ для передачі частини кінетичної енергії електронного потоку полю.

У клістронах використовуються тороїдальні резонатори (тор - кільцеподібний виток). Для прольоту електронів пластини конденсатора виконані у вигляді сіток (рис. 3.39а).

У магнетронах використовується резонатори лінійної конструкції (рис. 3.39б) в них взаємодія електронів відбувається з частиною поля такою, що виходить в простір взаємодії за рахунок крайового ефекту.

Рис. 3.39 Квазістаціонарні резонатори:

а) тороїдальний;

б) лінійний