Лекція 10 Порушення хвиль у лініях
Лекція 10. Порушення електромагнітних хвиль у лініях передачі
Електромагнітні хвилі в лініях передачі порушуються сторонніми струмами. Для створення сторонніх струмів у техніці НВЧ використовують спеціальні елементи зв'язку лінії з джерелом (наприклад, генератором). Слід зазначити, що з теоремі взаємності в регулярній лінії елементи зв'язку можна використовувати не тільки для введення енергії, але і для виведення енергії з лінії, наприклад, для зв'язку із зовнішніми навантаженнями. При цьому лінія та елементи зв'язку не повинні містити анізотропні (невзаємні) елементи.
Насправді для збудження електромагнітних хвиль у хвилеводах використовують досить малі проти довжиною хвилі елементи зв'язку. Це елементарний електричний вібратор (використовується термін штир), елементарний магнітний вібратор у вигляді малої рамки (використовується термін петля). Зазвичай такі вібратори конструктивно поєднуються з коаксіальною лінією, що використовується для підведення енергії до вібраторів (рис.4.8).
Мал. 4.8 а) електричний вібратор
б) магнітний вібратор
У тих випадках, коли дві лінії передачі мають загальну металеву стінку, передати частину потужності з однієї лінії до іншої можна за допомогою елемента зв'язку у вигляді щілини, прорізаної в загальній стінці. Щілина, як і петля, є фізичними аналогами елементарного магнітного вібратора.
Суворе електродинамічний розв'язок задачі про порушення хвиль у хвилеводі досить складно і громіздко (див., наприклад, [1]) і тут не наводиться. Для наочності та простоти викладу деяких практичних висновків щодо збудження хвиль у хвилеводах скористаємося виразами потужності сторонніх струмів. Врахуємо, що електричний вібраторописується стороннім електричним струмом, рамка - стороннім магнітним струмом, орієнтованим перпендикулярно до площини рамки.
де
Потужність сторонніх джерел максимальна, коли вектори, що входять у підінтегральні скалярні твори, колінеарні, і потужність сторонніх джерел дорівнює нулю, якщо вектори в скалярних творах взаємно перпендикулярні. З цього випливає, що при збудженні хвиль в лінії електричний вібратор зі струмом потрібно поміщати в пучність електричного поля паралельно лініям вектора хвилі, що збуджується. Рамку зі струмом слід поміщати в пучність магнітного поля, маючи її площину перпендикулярно вектору Н хвилі, що збуджується. Використовуючи ці правила і знаючи структуру поля хвилі, що порушується, що розповсюджується по хвилеводу, можна побудувати конструкцію збудливого пристрою або пристрої зв'язку хвилеводу із зовнішнім навантаженням.
Збудження за допомогою електричного вібратора. Конструкція пристрою для збудження хвиліН10 у прямокутному хвилеводі показана на рис. 4.9 де зовнішній провідник коаксіальної лінії з'єднаний зі стінкою хвилеводу.
По коаксіальній лінії поширюється хвиля типуТ, що переносить енергію сигналу від генератора. Ця хвиля викликає струм в електричному вібраторі, внаслідок чого хвилеводі збуджується електромагнітне поле. Орієнтовна структура електричних силових ліній поля поблизу вібратора показана на рис. 4.9. Поблизу вібратора (як і будь-якої неоднорідності) збуджуються хвилі вищих типів і поле є суперпозицієюЕ- іН- хвиль. При розташуванні вібратора в середині широкої стінки в хвилеводі збуджуватимуться тільки ті хвилі, у яких в середині поперечного перерізуприх=а/2 є пучність електричного поля, тобто. хвиліН10,Н30,H11,Е11 і т.д. Не збуджуватимуться хвилі з парним першим індексом (H20.H41,E21 і т.д.), що мають нульову амплітуду електричного поля прих=а/2. Якщо вибрати поперечні розміри хвилеводу з умови однохвильового режиму роботи
Для збудження хвилі основного типу у смужковій лінії використовують перехід від коаксіальної лінії до смужкової лінії. Схема переходу до симетричної смужкової лінії показана на рис.4.18 і називається сосною.
Мал. 4.18 ЗбудженняТхвилі в симетричній смужковій лінії
Внутрішній діаметр зовнішнього провідника коаксіальної лінії вибирають рівним товщині діелектрика b. Для розширення лінії узгодження співвісної конструкції використовується плавний перехід від внутрішнього провідника коаксіальної лінії до смужки симетричної лінії. Хвильові опори ліній, що зчленовуються, роблять однаковими.
Схема переходу до несиметричної смужкової лінії показана на рис.4.19 і називається перпендикулярною. Внутрішній діаметр зовнішнього провідника коаксіальної лінії вибирають рівним подвоєної товщини діелектрика 2h. Узгодження перпендикулярної конструкції забезпечується підбором металевого стрижня 2R1, що вводиться в полоскову лінію, діаметра отвору D в екрані лінії, а також підбором довжини узгоджувального шлейфу
lшл, розімкнутого на кінці. Хвильові опори ліній, що зчленовуються, роблять однаковими.
Мал. 4.19 Порушення несиметричної смужкової лінії