Новый способ передачи СВЧ-сигнала по плазменному волноводу. Свч волновод
Волновод микроволновой печи | yourmicrowell.ru
Для того, что бы детально разобраться во всей сложности процессов происходящих в волноводе, этой статьи, конечно, будет мало. Но для первого знакомства с волноводом, я думаю, вполне достаточно.
Волновод микроволновой печи, по своей сути – является полой металлической трубой с прямоугольным сечением. Вход волновода расположен за пределами камеры печи и оснащен фланцем для крепления магнетрона (Рисунок 1). Второй конец волновода выходит внутрь камеры и закрыт специальной крышкой (Рисунок 2). Не смотря на внешнюю простоту, на самом деле, волновод представляет собой очень точно рассчитанный компонент микроволновой печи.
Рисунок 1
Рисунок 2
Любую систему, даже в той же микроволновке можно разделить на составные части, это: генератор – линия связи – потребитель. К примеру, возьмем двигатель вентилятора. В этом случае, в качестве генератора выступает питающая сеть. В качестве линии связи — провода, а в качестве потребителя – двигатель. В случае с СВЧ мы имеем: генератор – магнетрон, линия связи – волновод и потребитель – камера печи. Причины применения именно волновода в качестве линии связи, кроются в природе распространения токов высокой частоты. Токи низких частот прекрасно текут по всему сечению проводника, но с увеличением частоты картина меняется. В линиях связи начинают возникать потери энергии. Например, токи частот метрового диапазона, для снижения потерь, вместо проводов целесообразно передавать по коаксиальному кабелю в медной оплетке и с полиэтиленовым наполнителем. А, СВЧ токи, вообще протекают только по поверхности проводника, причем по очень тонкому слою, и здесь, довольно большая площадь волновода играет положительную роль, обеспечивая малые токовые потери. Кроме того, волновод, является резонансным устройством. Благодаря расчету его геометрических размеров, в нем могут возбуждаться волны только определенной частоты. Магнетрон, во время работы, помимо микроволн основной – нужной частоты, излучает целый спектр побочных частот – гармоник, в большинстве своем являющихся паразитными. Волновод, применяемый в микроволновых печах – является прямоугольным волноводом закороченным с одной стороны металлической стенкой. Расстояние от торца колпачка антенны магнетрона до этой стенки должно равняться приблизительно четверти длины основной волны (Рисунок 3). Это позволяет возбуждать в нем микроволны той частоты, которая необходима. Волны побочных — паразитных частот, благодаря многократному отражению от стенок волновода, или взаимоуничтожаются, или затухают, не доходя до выхода. Известно, что все резонансные устройства, в том числе и магнетрон, способны не только излучать волны, но и принимать их. Если заставить магнетрон излучать весь спектр колебаний прямо в камеру печи, минуя волновод, то благодаря не равномерности нагрузки в камере, какая то часть спектра после переотражения от ее стенок, обязательно вернется назад к магнетрону, что опять же приведет к потере мощности и перегреву магнетрона. Наличие волновода, позволяет согласовать генератор с нагрузкой и тем самым исключить это явление. Но, при включении микроволновки с пустой камерой, не спасет и наличие волновода. Микроволновая энергия, не поглощенная продуктами будет принята магнетроном, что отрицательно скажется на его здоровье.
Рисунок 3
На основании выше изложенного, можно сделать вывод, что волновод в микроволновой печи нужен для согласования магнетрона с рабочей камерой, а так же для селекции микроволн излучаемых магнетроном.
А, теперь пару слов о практической стороне этого вопроса.
При замене магнетрона будьте внимательны, следите за тем, чтобы длина антенны магнетрона – донора, была такой же, как у того, что был установлен ранее. Соблюдайте расстояние от колпачка магнетрона, до стенки волновода. В противном случае, в такой микроволновке вы ничего не разогреете, кроме того, можете загубить новый магнетрон.
Для нормальной работы печи, волновод должен быть электрически герметичен, кроме выхода конечно, иначе возникнут утечки высокочастотной энергии, что приведет к возрастанию потерь в волноводе и падению выходной мощности. Если в результате электрического пробоя стенки волновода прогорели до дыр, то такой волновод работать уже не будет.
Так как токи СВЧ распространяются по поверхности проводника, внутренняя поверхность волновода должна быть идеально гладкой, без царапин, кратеров и наростов. Дефекты поверхности волновода – являются серьезным препятствием для токов СВЧ. Для предотвращения попадания фрагментов продуктов на внутреннюю поверхность волновода во время работы печи, его выход в камере закрыт специальной крышкой. Крышка волновода, должна быть изготовлена из термостойкого и прозрачного для микроволн материала. Для этого, как правило, применяется слюда. В печах, не оснащенных грилем, может применяться специальный пластик.
Тому, у кого есть желание узнать больше, могу рекомендовать книгу С. Г. Сапунова «Ремонт микроволновых печей». Книгу можно скачать здесь. Формат DJVU, размер файла 4,1Мб.
yourmicrowell.ru
Глава 3 глава 3. Изготовление волноводных устройств свч
Волноводные устройства СВЧ разнообразны по своему назначению и конструктивному оформлению. Однако в их конструкции можно выделить общие по конструктивно-технологическим признакам элементы и детали, например отверстия связи, установочные отверстия в стенках волноводов, поглощающие сопротивления, волноводные диафрагмы и т. д. Для изготовления таких элементов и деталей, входящих в различные устройства СВЧ, будут использоваться одинаковые технологические процессы.
На примере конкретных устройств СВЧ рассмотрим изготовление типичных элементов и деталей, входящих в их конструкцию.
§ 3.1. Изготовление согласованных нагрузок и фиксированных поглощающих аттенюаторов
Волноводные согласованные нагрузки бывают поверхностные и объемные. Конструктивно их выполняют в виде отрезка волноводной трубы, коротко- замкнутого на одном конце и снабженного соединительным фланцем на другом. Внутри трубы помещают поглощающее сопротивление в виде пластин с заостренными концами или клина с одним или двумя скосами.
В поверхностных согласованных нагрузках для волноводов прямоугольного поперечного сечения, возбуждаемых волной типа Нои в качестве поглощающего сопротивления используются тонкие клинообразные диэлектрические пластины, покрытые поглощающим слоем (рис. 3.1, а). Пластины располагаются параллельно
электрическим силовым линиям поля, а значит, и узким стенкам волновода. Клинообразная форма пластин обеспечивает поглощение мощности в широкой полосе частот с минимальным значением КСВ и, кроме того, равномерный нагрев сопротивления. Это особенно важно, поскольку неравномерное выделение тепла по длине сопротивления вызывает деформацию пластин. Иногда для противодействия изгибу, короблению пластин и сокращению их длины при сохранении требуемого
значения рассеиваемой мощности и КСВ используют две склеенные пластины, одна из которых короче другой (рис. 3.1,6).
Согласованные нагрузки с поверхностными сопротивлениями применяются для рассеивания небольших уровней мощности (до 5—8 вт).
Варианты конструкций этих нагрузок даны на рис. 3.2. Согласованная нагрузка (рис. 3.2, а) выполнена в виде короткозамкнутого отрезка волноводной трубы 1 с фланцем на конце. Противоположный конец волноводной трубы закрыт металлической заглушкой 9. В пазах параллельно узким стенкам волноводной трубы установлены диэлектрические пластины с поглощающим покрытием, поверхностное сопротивление которых имеет величину около 1000 ом/см2.
Точное положение поглощающих пластин подбирается при настройке tf фиксируется стопорными винтами 7 и контргайками .8. На входе нагрузки перед средней пластиной по оси широкой стенки установлен регулировочный винт, выполняющий роль реактивного штыря для согласования волновых сопротивлений и получения заданных значений КСВ.
Конструкция согласованной нагрузки (рис. 3.2 б) отличается от предыдущей выполнением крепления и формой поглощающих пластин, также отсутствием настроечных элементов. Поглощающие пластины входят в пазы заглушки 9 и крепятся к ней штифтами. Параллельность пластин обеспечивает планка 11, в пазы которой вводятся пластины. Положение заглушки фиксируется опорными винтами.
studfiles.net
Волновод — Традиция
Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Эта статья о волноводах в самом общем смысле. Для обычных металлических труб волноводов, см. Волновод (электромагнетизм). Для оптических волноводов, см. Волновод (оптика).[1] Полые металлические волноводы прямоугольного сечения с соединительными фланцами.[2] Изогнутый отрезок металлического волновода прямоугольного сечения с соединительными фланцами.[3] Волновод. Раздел гибких волноводов с волноводным фланцем - разъемом для соединения секций волновода, как фланец трубы - волновода, будучи полой металлической трубой для СВЧ энергии.[4] Электрическое поле внутри x-band (внутренняя область электромагнитного спектра) полого металлического волновода.[5]Волновод — полая или заполненная диэлектриком со светопрозраными оптическими материалами металлическая труба, в которой осуществляется направленное движение электромагнитного поля. В волноводе практически отсутствуют потери излучения. Потери проводимости в металле из-за отсутствия по сравнению с коаксиалом внутреннего провода, в волноводе меньше, чем в коаксиальной линии: волновод заполненный воздухом, имеет малые диэлектрические потери.
Принцип работы[править]
Волны распространяются во всех направлениях в открытом космосе в виде сферических волн en:Wave_equation#Spherical_waves. Сила волны падает с расстоянием R от источника, как квадрат расстояния (закон обратных квадратов en:Inverse-square_law). Волноводе рамках волны распространяются в одном измерении, так что, при идеальных условиях, волна не теряет мощности при распространении. Проводники, как правило, используется в волноводах имеют малую глубину кожи и, следовательно, большое сопротивление поверхности. Вследствие полного отражения у стен, волны приурочены к интерьеру волновода. Распространения внутри волновода, следовательно, можно охарактеризовать примерно как "зигзаг" между стенами. Это описание точно для электромагнитных волн в полых металлическая трубах прямоугольного или круглого сечения.
Первая система руководящих волн была предложен J. J. Thomson в 1893 году, и впервые была экспериментально проверена Оливер Лодж в 1894 году. Первый математический анализ электромагнитных волн в металлическом цилиндре была выполнена Лорд Рэлей в 1897 году.[3] [N. W. McLachlan, Теория и приложения функций Матье, р. 8 (1947) (переиздание издательством Dover: Нью-Йорк, 1964).] Для звуковых волн, Лорд Рэлей опубликовал полный математический анализ режима распространения в своей фундаментальной работе “Теория звука”.[6]
Исследование диэлектрических волноводов (например, оптические волокна, см. ниже) началась еще в 1920-е годы, несколько человек, наиболее известными из которых являются Рэлей, Зоммерфельд и Дебай.[7] Оптическое волокно начало получать особое внимание в 1960-е годы из-за его важности для отрасли связи.
В военном радаре СВЧ-излучение передаётся к рефлектору с помощью волновода. Система радиочастотных волноводов ускорителя Арагонской Национальной лаборатории.Конкретные примеры:
- Оптические волокна передают свет и сигналы на большие расстояния и с большим уровенем сигнала.
- В СВЧ волновод передает мощность магнетрона, где волны образуются, для варочной камеры.
- В радарах, волновод передает радиочастотную энергию и энергию от антенны, где Импеданс en:Electrical_impedanceдолжен быть подобран для эффективной передачи энергии (см. ниже).
- Волноводы под называним stripline могут быть созданы на печатной плате, и используются для передачи СВЧ сигналов на доске. Этот тип волновода очень дешев в изготовлении и имеет небольшие размеры, которые соответствуют внутренним печатным платам.
- Волноводы используются в научных инструментов для измерения оптических, акустических и упругих свойств материалов и объектов. Волновод может быть введен в контакт с образцом (как в медицинском ультразвуковм исследование (УЗИ), в этом случае волновод обеспечивает и сохраняет мощность. Для тестирования волны или образец волновод должен быть размещен внутри волновода (как с диэлектрической проницаемостью измерения)[8], так что мелкие объекты могут быть проверены и точность лучше.
Электромагнитные волноводы[править]
Оптические волноводы[править]
Акустические волноводы[править]
Акустический волновод — это физическая структура, которая направляет звуковые волны. Воздуховод для распространения звука также ведет себя как линия передачи. Воздуховод содержит некоторые среды, такие как воздух, что поддерживает распространения звука.
traditio.wiki
«ФИАН предложил новый способ передачи СВЧ-сигнала по плазменному волноводу» в блоге «Наука»
Плазменный канал для передачи энергии на расстояние, о котором когда-то говорил знаменитый инженер Никола Тесла, уже не фантастика. Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН научились создавать плазменные СВЧ-волноводы прямо вдоль своего рабочего коридора. А новый способ транспортировки СВЧ-сигнала в скользящем режиме, разработанный специалистами ФИАН, позволит достичь рекордной дальности — не менее 1 км.Криптон-фторовый лазерный усилитель и оптика для формирования ультрафиолетового кольцевого пучка, используемые для создания плазменного СВЧ-волновода. Создание протяженных плазменных структур стало возможным после обнаружения в конце прошлого века нитевидных плазменных следов от мощных ультракоротких лазерных импульсов. Такие плазменные нити или филаменты образуются за счет самофокусировки высокоинтенсивного излучения и ионизации газовой среды (например, атмосферного воздуха), а сам процесс их образования называется филаментацией. Используя этот эффект для лазерного пучка кольцевого сечения (его получают с помощью специальных конических линз — аксиконов или адаптивной оптики), можно из филаментов создать полый цилиндрический плазменный волновод. Если диаметр такого волновода сравним с длиной волны передаваемого СВЧ-излучения, то он будет подобен традиционному металлическому волноводу объемных мод, где распространение сигналов обеспечивается высокой проводимостью стенок. Однако проводимость плазмы намного меньше металлической и СВЧ волны затухают в таком плазменном волноводе всего через несколько метров. Решение проблемы дальности может быть найдено на основе идеи сотрудника ФИАН Гургена Аскарьяна, ещё в 60-х годах прошлого века предложившего создать с помощью ультрафиолетового лазера волновод, в котором СВЧ-излучение отражается от плазменных стенок при скользящих углах падения. Правда, достаточно мощных УФ лазеров для воплощения идеи в то время еще не существовало.
"Эффект полного внутреннего отражения работает, например, в оптических волокнах, когда лазерный импульс без потерь проходит многие десятки, а то и сотни километров благодаря тому, что показатель преломления внешней части волокна несколько меньше, чем в его центре. В плазменном волноводе показатель преломления не ионизованного воздуха в центре немного больше, чем в окружающей плазме. И здесь также есть предельный угол, при котором СВЧ излучение отражается от стенок, не выходя из волновода, хотя какие-то потери за счет поглощения в плазме все же существуют", — рассказывает руководитель работы, ведущий научный сотрудник ФИАН кандидат физико-математических наук Владимир Зворыкин.
"Для получения волновода в экспериментах, — продолжает Владимир Зворыкин, — мы использовали ультрафиолетовое излучение нашего криптон-фторового лазера ГАРПУН. Это мощная лазерная система с энергией излучения около 100 Дж и длительностью импульса 100 нс на длине волны 248 нм. Это излучение хорошо ионизует воздух, так как у него большая энергия квантов — около 5 эВ. В результате, нам впервые удалось продемонстрировать захват и распространение СВЧ излучения с длиной волны 8.5 мм в скользящем плазменном волноводе на расстояние в несколько десятков метров".
Однако несколько десятков метров — далеко не предел. Как выяснил старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Игорь Сметанин, выполнивший подробное теоретическое рассмотрение, для того, чтобы в скользящем плазменном волноводе передавать СВЧ излучение на 1-2 километра, необходимо выполнять два условия — во-первых, поддерживать определенную концентрацию электронов — не менее 1012-1013 см-3, и, во-вторых, выдерживать диаметр волновода как минимум в десять раз больше длины волны передаваемого СВЧ излучения.
Для того, чтобы уменьшить энергетические затраты на формирование столь протяженного плазменного волновода в атмосферном воздухе, было предложено использовать цуг («пакет») ультракоротких УФ лазерных импульсов.
"Для того, чтобы получить большую концентрацию электронов, — объясняет другой участник работы, младший научный сотрудник ФИАН Алексей Левченко, - необходимо повышать интенсивность лазерного излучения. Мы пошли путем сокращения длительности лазерного импульса. Чтобы поддерживать долгоживущий плазменный волновод, учитывая ограниченное время жизни свободного электрона в воздухе, период следования импульсов в цуге должен быть меньше 10 нс".
Для поставленной таким образом задачи криптон-фторовые лазеры подходят идеально — короткое время восстановления усиления в их активной среде позволяет получать цуги импульсов с периодом следования порядка 2 нс. К тому же, кроме «наработки» новых фотоэлектронов, с помощью цуга импульсов можно накапливать электроны, отрывая их от электроотрицательных молекул кислорода.
Использование плазменных СВЧ-волноводов и рупоров может существенно повысить точность и дальность действия радиолокационных устройств. Из других практических применений можно упомянуть активные системы молниезащиты, основанные на возможности управления молниевым разрядом путем создания в атмосфере протяженных проводящих плазменных каналов.
Работа выполнена при финансовой поддержке ООО «Новые энергетические технологии»
sdelanounas.ru
СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН | Энциклопедия Кругосвет
Содержание статьиСВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН, частотный диапазон электромагнитного излучения (100ё300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.
Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.
В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров. Сходство СВЧ-излучения со светом и повышенная плотность переносимой им информации оказались очень полезны для радиолокационной и других областей техники.
ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ
Радиолокация.
Волны дециметрово-сантиметрового диапазона оставались предметом чисто научного любопытства до начала Второй мировой войны, когда возникла настоятельная необходимость в новом и эффективном электронном средстве раннего обнаружения. Только тогда начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации, хотя принципиальная ее возможность была продемонстрирована еще в 1923 в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Суть радиолокации в том, что в пространство испускаются короткие, интенсивные импульсы СВЧ-излучения, а затем регистрируется часть этого излучения, вернувшаяся от искомого удаленного объекта – морского судна или самолета. См. также РАДИОЛОКАЦИЯ.
Связь.
Радиоволны СВЧ-диапазона широко применяются в технике связи. Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами ок. 50 км. Параболические или рупорные антенны, смонтированные на башнях, принимают и передают дальше СВЧ-сигналы. На каждой станции перед ретрансляцией сигнал усиливается электронным усилителем. Поскольку СВЧ-излучение допускает узконаправленные прием и передачу, для передачи не требуется больших затрат электроэнергии.
Хотя система башен, антенн, приемников и передатчиков может показаться весьма дорогостоящей, в конечном счете все это с лихвой окупается благодаря большой информационной емкости СВЧ-каналов связи. Города Соединенных Штатов соединены между собой сложной сетью более чем из 4000 ретрансляционных СВЧ-звеньев, образующих систему связи, которая простирается от одного океанского побережья до другого. Каналы этой сети способны пропускать тысячи телефонных разговоров и многочисленные телевизионные программы одновременно.
Спутники связи.
Система ретрансляционных радиобашен, необходимая для передачи СВЧ-излучения на большие расстояния, может быть построена, конечно, только на суше. Для межконтинентальной же связи требуется иной способ ретрансляции. Здесь на помощь приходят связные искусственные спутники Земли; выведенные на геостационарную орбиту, они могут выполнять функции ретрансляционных станций СВЧ-связи.
Электронное устройство, называемое активно-ретрансляционным ИСЗ, принимает, усиливает и ретранслирует СВЧ-сигналы, передаваемые наземными станциями. Первые экспериментальные ИСЗ такого типа («Телстар», «Релэй» и «Синком») успешно осуществляли уже в начале 1960-х годов ретрансляцию телевизионного вещания с одного континента на другой. На основе этого опыта были разработаны коммерческие спутники межконтинентальной и внутренней связи. Спутники последней межконтинентальной серии «Интелсат» были выведены в различные точки геостационарной орбиты таким образом, что зоны их охвата, перекрываясь, обеспечивают обслуживание абонентов во всем мире. Каждый спутник серии «Интелсат» последних модификаций предоставляет клиентам тысячи каналов высококачественной связи для одновременной передачи телефонных, телевизионных, факсимильных сигналов и цифровых данных.
Термообработка пищевых продуктов.
СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Такие устройства применяются на самолетных бортовых кухнях, в железнодорожных вагонах-ресторанах и торговых автоматах, где требуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.
Научные исследования.
СВЧ-излучение сыграло важную роль в исследованиях электронных свойств твердых тел. Когда такое тело оказывается в магнитном поле, свободные электроны в нем начинают вращаться вокруг магнитных силовых линий в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Частота вращения, называемая циклотронной, прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна эффективной массе электрона. (Эффективная масса определяет ускорение электрона под воздействием какой-либо силы в кристалле. Она отличается от массы свободного электрона, которой определяется ускорение электрона под действием какой-либо силы в вакууме. Различие обусловлено наличием сил притяжения и отталкивания, с которыми действуют на электрон в кристалле окружающие атомы и другие электроны.) Если на твердое тело, находящееся в магнитном поле, падает излучение СВЧ-диапазона, то это излучение сильно поглощается, когда его частота равна циклотронной частоте электрона. Данное явление называется циклотронным резонансом; оно позволяет измерить эффективную массу электрона. Такие измерения дали много ценной информации об электронных свойствах полупроводников, металлов и металлоидов.
Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства. Астрономы многое узнали о нашей Галактике, исследуя излучение с длиной волны 21 см, испускаемое газообразным водородом в межзвездном пространстве. Теперь можно измерять скорость и определять направление движения рукавов Галактики, а также расположение и плотность областей газообразного водорода в космосе.
ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ
Быстрый прогресс в области СВЧ-техники в значительной мере связан с изобретением специальных электровакуумных приборов – магнетрона и клистрона, способных генерировать большие количества СВЧ-энергии. Генератор на обычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазоне оказывается весьма неэффективным.
Двумя главными недостатками триода как СВЧ-генератора являются конечное время пролета электрона и межэлектродная емкость. Первый связан с тем, что электрону требуется некоторое (хотя и малое) время, чтобы пролететь между электродами вакуумной лампы. За это время СВЧ-поле успевает изменить свое направление на обратное, так что и электрон вынужден повернуть обратно, не долетев до другого электрода. В результате электроны без всякой пользы колеблются внутри лампы, не отдавая свою энергию в колебательный контур внешней цепи.
Магнетрон.
В магнетроне, изобретенном в Великобритании перед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения – принцип объемного резонатора. Подобно тому как у органной трубы данного размера имеются собственные акустические резонансные частоты, так и у объемного резонатора имеются собственные электромагнитные резонансы. Стенки резонатора действуют как индуктивность, а пространство между ними – как емкость некой резонансной цепи. Таким образом, объемный резонатор подобен параллельному резонансному контуру низкочастотного генератора с отдельными конденсатором и катушкой индуктивности. Размеры объемного резонатора выбираются, конечно, так, чтобы данному сочетанию емкости и индуктивности соответствовала нужная резонансная сверхвысокая частота.
В магнетроне (рис. 1) предусмотрено несколько объемных резонаторов, симметрично расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещают между полюсами сильного магнита. При этом электроны, испускаемые катодом, под действием магнитного поля вынуждены двигаться по круговым траекториям. Их скорость такова, что они в строго определенное время пересекают на периферии открытые пазы резонаторов. При этом они отдают свою кинетическую энергию, возбуждая колебания в резонаторах. Затем электроны возвращаются на катод, и процесс повторяется. Благодаря такому устройству время пролета и межэлектродные емкости не мешают генерации СВЧ-энергии.
Магнетроны могут быть сделаны большого размера, и тогда они дают мощные импульсы СВЧ-энергии. Но у магнетрона имеются свои недостатки. Например, резонаторы для очень высоких частот становятся столь малыми, что их трудно изготавливать, а сам такой магнетрон из-за своих малых размеров не может быть достаточно мощным. Кроме того, для магнетрона нужен тяжелый магнит, причем требуемая масса магнита возрастает с увеличением мощности прибора. Поэтому для самолетных бортовых установок мощные магнетроны не подходят.
Клистрон.
Для этого электровакуумного прибора, основанного на несколько ином принципе, не требуется внешнее магнитное поле. В клистроне (рис. 2) электроны движутся по прямой от катода к отражательной пластине, а затем обратно. При этом они пересекают открытый зазор объемного резонатора в форме бублика. Управляющая сетка и сетки резонатора группируют электроны в отдельные «сгустки», так что электроны пересекают зазор резонатора только в определенные моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передается резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются мощные электромагнитные колебания. Этот процесс можно сравнить с ритмичным раскачиванием первоначально неподвижных качелей.
Первые клистроны были довольно маломощными приборами, но позднее они побили все рекорды магнетронов как СВЧ-генераторов большой мощности. Были созданы клистроны, выдававшие до 10 млн. ватт мощности в импульсе и до 100 тыс. ватт в непрерывном режиме. Система клистронов исследовательского линейного ускорителя частиц выдает 50 млн. ватт СВЧ-мощности в импульсе.
Клистроны могут работать на частотах до 120 млрд. герц; однако при этом их выходная мощность, как правило, не превышает одного ватта. Разрабатываются варианты конструкции клистрона, рассчитанного на большие выходные мощности в миллиметровом диапазоне.
Клистроны могут также служить усилителями СВЧ-сигналов. Для этого нужно входной сигнал подавать на сетки объемного резонатора, и тогда плотность электронных сгустков будет изменяться в соответствии с этим сигналом.
Лампа бегущей волны (ЛБВ).
Еще один электровакуумный прибор для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ-диапазона – лампа бегущей волны. Она представляет собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку. Внутри трубки имеется замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный луч, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне.
Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как скорость электронов в луче значительно меньше. Однако, поскольку СВЧ-сигнал вынужден идти по спирали, скорость его продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча. Поэтому бегущая волна достаточно долго взаимодействует с электронами и усиливается, поглощая их энергию.
Если на лампу не подается внешний сигнал, то усиливается случайный электрический шум на некоторой резонансной частоте и ЛБВ бегущей волны работает как СВЧ-генератор, а не усилитель.
Выходная мощность ЛБВ значительно меньше, чем у магнетронов и клистронов на той же частоте. Однако ЛБВ допускают настройку в необычайно широком частотном диапазоне и могут служить очень чувствительными малошумящими усилителями. Такое сочетание свойств делает ЛБВ очень ценным прибором СВЧ-техники.
Плоские вакуумные триоды.
Хотя клистроны и магнетроны более предпочтительны как СВЧ-генераторы, благодаря усовершенствованиям в какой-то мере восстановлена важная роль вакуумных триодов, особенно в качестве усилителей на частотах до 3 млрд. герц.
Трудности, связанные с временем пролета, устранены благодаря очень малым расстояниям между электродами. Нежелательные межэлектродные емкости сведены к минимуму, поскольку электроды сделаны сетчатыми, а все внешние соединения выполняются на больших кольцах, находящихся вне лампы. Как и принято в СВЧ-технике, применен объемный резонатор. Резонатор плотно охватывает лампу, и кольцевые соединители обеспечивают контакт по всей окружности резонатора.
Генератор на диоде Ганна.
Такой полупроводниковый СВЧ-генератор был предложен в 1963 Дж.Ганном, сотрудником Уотсоновского научно-исследовательского центра корпорации ИБМ. В настоящее время подобные приборы дают мощности лишь порядка милливатт на частотах не более 24 млрд. герц. Но в этих пределах он имеет несомненные преимущества перед маломощными клистронами.
Поскольку диод Ганна представляет собой монокристалл арсенида галлия, он в принципе более стабилен и долговечен, нежели клистрон, в котором должен быть нагреваемый катод для создания потока электронов и необходим высокий вакуум. Кроме того, диод Ганна работает при сравнительно низком напряжении питания, тогда как для питания клистрона нужны громоздкие и дорогостоящие источники питания с напряжением от 1000 до 5000 В.
СХЕМНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Коаксиальные кабели и волноводы.
Для передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона не через эфир, а по металлическим проводникам нужны специальные методы и проводники особой формы. Обычные провода, по которым передается электричество, пригодные для передачи низкочастотных радиосигналов, неэффективны на сверхвысоких частотах.
Любой отрезок провода имеет емкость и индуктивность. Эти т.н. распределенные параметры приобретают очень важное значение в СВЧ-технике. Сочетание емкости проводника с его собственной индуктивностью на сверхвысоких частотах играет роль резонансного контура, почти полностью блокирующего передачу. Поскольку в проводных линиях передачи невозможно устранить влияние распределенных параметров, приходится обращаться к другим принципам передачи СВЧ-волн. Эти принципы воплощены в коаксиальных кабелях и волноводах.
Коаксиальный кабель состоит из внутреннего провода и охватывающего его цилиндрического наружного проводника. Промежуток между ними заполнен пластиковым диэлектриком, например тефлоном или полиэтиленом. С первого взгляда это может показаться похожим на пару обычных проводов, но на сверхвысоких частотах их функция иная. СВЧ-сигнал, введенный с одного конца кабеля, на самом деле распространяется не по металлу проводников, а по заполненному изолирующим материалом промежутку между ними.
Коаксиальные кабели хорошо передают СВЧ-сигналы частотой до нескольких миллиардов герц, но на более высоких частотах их эффективность снижается, и они непригодны для передачи больших мощностей.
Обычные каналы для передачи волн СВЧ-диапазона имеют форму волноводов. Волновод – это тщательно обработанная металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяется СВЧ-сигнал. Упрощенно говоря, волновод направляет волну, заставляя ее то и дело отражаться от стенок. Но на самом деле распространение волны по волноводу есть распространение колебаний электрического и магнитного полей волны, как и в свободном пространстве. Такое распространение в волноводе возможно лишь при условии, что его размеры находятся в определенном соотношении с частотой передаваемого сигнала. Поэтому волновод точно рассчитывается, так же точно обрабатывается и предназначается только для узкого интервала частот. Другие частоты он передает плохо либо вообще не передает. Типичное распределение электрического и магнитного полей внутри волновода показано на рис. 3.
Чем выше частота волны, тем меньше размеры соответствующего ей прямоугольного волновода; в конце концов эти размеры оказываются столь малы, что чрезмерно усложняется его изготовление и снижается передаваемая им предельная мощность. Поэтому были начаты разработки круговых волноводов (кругового поперечного сечения), которые могут иметь достаточно большие размеры даже на высоких частотах СВЧ-диапазона. Применение кругового волновода сдерживается некоторыми трудностями. Например, такой волновод должен быть прямым, иначе его эффективность снижается. Прямоугольные же волноводы легко изгибать, им можно придавать нужную криволинейную форму, и это никак не сказывается на распространении сигнала. Радиолокационные и другие СВЧ-установки обычно выглядят как запутанные лабиринты из волноводных трактов, соединяющих разные компоненты и передающих сигнал от одного прибора другому в пределах системы.
Твердотельные компоненты.
Твердотельные компоненты, например полупроводниковые и ферритовые, играют важную роль в СВЧ-технике. Так, для детектирования, переключения, выпрямления, частотного преобразования и усиления СВЧ-сигналов применяются германиевые и кремниевые диоды.
Для усиления применяются также специальные диоды – варикапы (с управляемой емкостью) – в схеме, называемой параметрическим усилителем. Широко распространенные усилители такого рода служат для усиления крайне малых сигналов, так как они почти не вносят собственные шумы и искажения.
Твердотельным СВЧ-усилителем с низким уровнем шума является и рубиновый мазер. Такой мазер, действие которого основано на квантовомеханических принципах, усиливает СВЧ-сигнал за счет переходов между уровнями внутренней энергии атомов в кристалле рубина. Рубин (или другой подходящий материал мазера) погружается в жидкий гелий, так что усилитель работает при чрезвычайно низких температурах (лишь на несколько градусов превышающих температуру абсолютного нуля). Поэтому уровень тепловых шумов в схеме очень низок, благодаря чему мазер пригоден для радиоастрономических, сверхчувствительных радиолокационных и других измерений, в которых нужно обнаруживать и усиливать крайне слабые СВЧ-сигналы. См. также КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ.
Для изготовления СВЧ-переключателей, фильтров и циркуляторов широко применяются ферритовые материалы, такие, как оксид магния-железа и железо-иттриевый гранат. Ферритовые устройства управляются посредством магнитных полей, причем для управления потоком мощного СВЧ-сигнала достаточно слабого магнитного поля. Ферритовые переключатели имеют то преимущество перед механическими, что в них нет движущихся частей, подверженных износу, а переключение осуществляется весьма быстро. На рис. 4 представлено типичное ферритовое устройство – циркулятор. Действуя подобно кольцевой транспортной развязке, циркулятор обеспечивает следование сигнала только по определенным трактам, соединяющим различные компоненты. Циркуляторы и другие ферритовые переключающие устройства применяются при подключении нескольких компонентов СВЧ-системы к одной и той же антенне. На рис. 4 циркулятор не пропускает передаваемый сигнал на приемник, а принимаемый сигнал – на передатчик.
В СВЧ-технике находит применение и туннельный диод – сравнительно новый полупроводниковый прибор, работающий на частотах до 10 млрд. герц. Он используется в генераторах, усилителях, частотных преобразователях и переключателях. Его рабочие мощности невелики, но это первый полупроводниковый прибор, способный эффективно работать на столь высоких частотах. См. также ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ.
Антенны.
СВЧ-антенны отличаются большим разнообразием необычных форм. Размер антенны приблизительно пропорционален длине волны сигнала, а поэтому для СВЧ-диапазона вполне приемлемы конструкции, которые были бы слишком громоздки на более низких частотах.
В конструкциях многих антенн учитываются те свойства СВЧ-излучения, которые сближают его со светом. Типичными примерами могут служить рупорные антенны, параболические отражатели, металлические и диэлектрические линзы. Применяются также винтовые и спиральные антенны, часто изготавливаемые в виде печатных схем.
Группы щелевых волноводов можно расположить так, чтобы получилась нужная диаграмма направленности для излучаемой энергии. Часто применяются также диполи типа хорошо известных телевизионных антенн, устанавливаемых на крышах. В таких антеннах нередко имеются одинаковые элементы, расположенные с интервалами, равными длине волны, и повышающие направленность за счет интерференции.
СВЧ-антенны обычно проектируют так, чтобы они были предельно направленными, поскольку во многих СВЧ-системах очень важно, чтобы энергия передавалась и принималась в точно заданном направлении. Направленность антенны возрастает с увеличением ее диаметра. Но можно уменьшить антенну, сохранив ее направленность, если перейти на более высокие рабочие частоты.
Многие «зеркальные» антенны с параболическим или сферическим металлическим отражателем спроектированы специально для приема крайне слабых сигналов, приходящих, например, от межпланетных космических аппаратов или от далеких галактик. В Аресибо (Пуэрто-Рико) действует один из крупнейших радиотелескопов с металлическим отражателем в виде сферического сегмента, диаметр которого равен 300 м. Антенна имеет неподвижное («меридианное») основание; ее приемный радиолуч перемещается по небосводу благодаря вращению Земли. Самая большая (76 м) полностью подвижная антенна расположена в Джодрелл-Бенке (Великобритания).
Новое в области антенн – антенна с электронным управлением направленностью; такую антенну не нужно механически поворачивать. Она состоит из многочисленных элементов – вибраторов, которые можно электронными средствами по-разному соединять между собой и тем самым обеспечивать чувствительность «антенной решетки» в любом нужном направлении. См. также АНТЕННЫ.
www.krugosvet.ru
Новый способ передачи СВЧ-сигнала по плазменному волноводу
Плазменный канал для передачи энергии на расстояние, о котором когда-то говорил знаменитый инженер Никола Тесла, — уже не фантастика. Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН научились создавать плазменные СВЧ-волноводы прямо вдоль своего рабочего коридора.
Благодаря новому способу транспортировки СВЧ-сигнала в скользящем режиме, разработанному специалистами ФИАНа, можно достичь рекордной дальности — не менее 1 км. Создание протяженных плазменных структур стало возможным после обнаружения в конце прошлого века нитевидных плазменных следов от мощных ультракоротких лазерных импульсов. Такие плазменные нити (филаменты) образуются за счет самофокусировки высокоинтенсивного излучения и ионизации газовой среды (например, атмосферного воздуха), а сам процесс их образования называется филаментацией. Используя этот эффект для лазерного пучка кольцевого сечения (его получают с помощью специальных конических линз — аксиконов или адаптивной оптики), можно из филаментов создать полый цилиндрический плазменный волновод. Если диаметр такого волновода сравним с длиной волны передаваемого СВЧ-излучения, то он будет подобен традиционному металлическому волноводу объемных мод, где распространение сигналов обеспечивается высокой проводимостью стенок. Однако проводимость плазмы намного меньше, и СВЧ волны затухают в плазменном волноводе всего через несколько метров. Решение проблемы дальности может быть найдено на основе идеи сотрудника ФИАН Гургена Аскарьяна, ещё в 1960-х годах предложившего создать с помощью ультрафиолетового лазера волновод, в котором СВЧ-излучение отражается от плазменных стенок при скользящих углах падения. Правда, достаточно мощных УФ лазеров для воплощения идеи в то время не существовало.
«Эффект полного внутреннего отражения работает, например, в оптических волокнах, когда лазерный импульс без потерь проходит многие десятки, а то и сотни километров благодаря тому, что показатель преломления внешней части волокна несколько меньше, чем в его центре. В плазменном волноводе показатель преломления не ионизованного воздуха в центре немного больше, чем в окружающей плазме. И здесь также есть предельный угол, при котором СВЧ излучение отражается от стенок, не выходя из волновода, хотя какие-то потери из-за поглощения в плазме все же существуют», — рассказывает руководитель работы, ведущий научный сотрудник ФИАН кандидат физико-математических наук Владимир Зворыкин. Для получения волновода в экспериментах ученые использовали ультрафиолетовое излучение криптон-фторового лазера ГАРПУН. Это мощная лазерная система с энергией излучения около 100 Дж и длительностью импульса 100 нс на длине волны 248 нм. Это излучение хорошо ионизует воздух, так как у него большая энергия квантов — около 5 эВ. В результате впервые удалось продемонстрировать захват и распространение СВЧ излучения с длиной волны 8,5 мм в скользящем плазменном волноводе на расстояние в несколько десятков метров.
Однако несколько десятков метров — далеко не предел. Как выяснил старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Игорь Сметанин, выполнивший подробное теоретическое изыскание, для того, чтобы в скользящем плазменном волноводе передавать СВЧ излучение на 1-2 км, необходимо выполнять два условия. Во-первых, поддерживать определенную концентрацию электронов — не менее 1012-1013 см-3, и, во-вторых, выдерживать диаметр волновода как минимум в десять раз больше длины волны передаваемого СВЧ излучения. Чтобы уменьшить энергетические затраты на формирование столь протяженного плазменного волновода в атмосферном воздухе, было предложено использовать цуг («пакет») ультракоротких УФ лазерных импульсов. А чтобы получить большую концентрацию электронов, необходимо повышать интенсивность лазерного излучения. «Мы пошли путем сокращения длительности лазерного импульса. Учитывая ограниченное время жизни свободного электрона в воздухе, для поддержки долгоживущего плазменного волновода период следования импульсов в цуге должен быть меньше 10 нс.
В решении поставленной таким образом задачи криптон-фторовые лазеры подходят идеально — благодаря короткому времени восстановления усиления в их активной среде получаются цуги импульсов с периодом следования порядка 2 нс. Кроме «наработки» новых фотоэлектронов, с помощью цуга импульсов можно накапливать электроны, отрывая их от электроотрицательных молекул кислорода.
Использование плазменных СВЧ-волноводов и рупоров может существенно повысить точность и дальность действия радиолокационных устройств. Из других практических применений можно упомянуть активные системы защиты от молний, основанные на возможности управления молниевым разрядом путем создания в атмосфере протяженных проводящих плазменных каналов.
На фото: криптон-фторовый лазерный усилитель и оптика для формирования ультрафиолетового кольцевого пучка, использующиеся для создания плазменного СВЧ-волновода.
Наука и жизнь // Иллюстрации‹
›
www.nkj.ru
| В первой части статьи были рассмотрены особенности распространения радиоволн в волноводах. Настоящая статья знакомит читателей с деталями устройства волноводов, со способами возбуждения в них электромагнитных волн, отбора энергии из волноводов и с некоторыми их практическими применениями. ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ И ОТБОР ЭНЕРГИИ ИЗ НИХ Способ ввода электромагнитной энергии в волновод зависит от типа волны, которую хотят получить в нем. Пусть, например, в волноводе должна распространяться волна типа Н10. Электрическое поле такой волны всегда перпендикулярно широким стенкам волновода, причем в средней части сечения напряженность поля наибольшая. Для возбуждения волны Н10 в волновод помещают маленькую штыревую антенну, расположенную так, как показано на рис. 1, а. Такая антенна излучает волну, электрическое поле которой совпадает по направлению с электрическим полем волны Ню. Регулируя высоту штыря и его расстояние от закрытого конца волновода (для чего заднюю стенку делают подвижной — в виде поршня), можно подобрать условия, при которых значительная часть подводимой к штырю энергии излучается в волновод в виде волны указанного типа.  Если в прямоугольном волноводе необходимо возбудить волны типа Н20 или Н30, у которых электрические поля расположены, как показано на рис. 1,б и 1,в, штыри располагают согласно рис. 1,г и 1,д. Колебания в этих штырях должны быть сдвинуты по фазе на 180°, иначе волны нужного типа в волноводе не образуются. Для сдвига фаз служат отрезки коаксиальной линии длиной в полволны; волна, проходящая через такой отрезок, запаздывает на половину периода, т. е. получается сдвиг фаз в 180°.Если в прямоугольном волноводе хотят возбудить Е-волну, у которой электрические силовые линии вытянуты вдоль волновода, штырь помещают на его задней стенке. Место штыря для возбуждения волны Е11 показано на рис. 2.  Иногда для этой цели в волновод вводят маленькие петли, так называемые магнитные антенны (рис. 3), расположенные так, чтобы магнитные силовые линии волны пронизывали их сечение. Для отбора электромагнитной энергии из волновода пользуются такими же, соответствующим образом расположенными, штыревыми антеннами или петлями.  Рассмотрим еще один способ отбора энергии из волновода. Если в стенке волновода сделать отверстие так, что линии тока, протекающего по внутренним стенкам волновода, будут искажаться этим отверстием, на его краях возникают переменные электрические заряды и оно излучает электромагнитные волны.Заметное излучение щель будет давать при условии, если она пересекает направление, в котором текут токи в стенках волновода. Следовательно, щель в волноводе может играть роль антенны. Теория такой щелевой антенны разработана советским ученым Я. Н. Фельдом. Если же щель будет прорезана вдоль линий тока, т.е. не будет их существенно искажать, она почти не будет излучать энергии и не окажет заметного влияния на распространение волны в волноводе. Этим свойством щели, прорезанной вдоль волновода, пользуются для измерения интенсивности волны, распространяющейся в нем. В такую щель вводят маленький штырь, соединенный с кристаллическим детектором и прибором, измеряющим выпрямленный детектором ток. Перемещая штырь вдоль волновода, по величине тока, выпрямленного детектором, можно определить интенсивность волны в различных сечениях волновода. Если интенсивность везде одинакова, это значит, что стоячие волны в волноводе отсутствуют и вся энергия переносится бегущей волной. Если же наблюдаются периодические изменения показаний прибора, это свидетельствует о том, что часть энергии колеблется между отдельными сечениями волновода — наряду с бегущей имеет место и стоячая волна. Сечения, где показания прибора максимальны, соответствуют пучностям электрического поля стоячей волны; там же, где они минимальны, расположены узлы электрического поля (соответственно пучности магнитного поля). По величине отношения максимумов к минимумам судят о соотношении между интенсивностями бегущей и стоячей волны, или о так называемой «бегучести». СОГЛАСОВАНИЕ В ВОЛНОВОДАХ Стоячие волны в волноводе образуются вследствие частичного или полного отражения бегущей волны. Отражения возникают в том случае, когда на пути волны встречаются препятствия или резкие нарушения однородности волновода, например, резкое изменение его сечения. Штыревая антенна, помещенная на пути волны, также вызывает частичное отражение. Чтобы получить в волноводе чистую бегущую электромагнитную волну, в него можно поместить искусственные препятствия, например, заслонки (диафрагмы), штыри и т. п. Перемещая эти препятствия в волноводе и меняя их размеры, можно добиться взаимного погашения волн, отраженных от всех препятствий и неоднородностей. Когда осуществлена компенсация отражений, говорят, что в волноводе достигнуто согласование. Поэтому искусственные препятствия называются согласующими устройствами. Задача согласования возникает, в частности, когда в волновод помещен кристаллический детектор служащий преобразователем частоты, т. е. для получения колебаний промежуточной частоты в приемнике супергетеродинного типа или для превращения колебаний СВЧ в постоянный ток (детектирование). Чтобы вся или, по крайней мере, большая часть падающей на кристалл энергии поглощалась им, необходимо устранить отражение от детектора. Когда при помощи согласующих устройств добиваются этого, говорят, что детектор согласован с волноводом. Помимо согласования в самом волноводе, бывает необходимо также согласовать помещенные в нем элементы (штыри, петли и т. п.) с питающими коаксиальными линиями. В противном случае в последних возникают стоячие волны. Например, изображенный на рис. 1,а поршень служит для того, чтобы излученная из штыря энергия не попадала опять в линию: при правильном положении поршня отраженная от него волна оказывается в фазе с волной, распространяющейся от штыря вдоль волновода, и вся излученная штырем энергия уходит в волновод. СОЕДИНЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ Два отрезка волновода соединяются друг с другом с помощью фланцев (рис. 4). Так как в месте соединения невозможно обеспечить идеальный контакт, то здесь могут возникнуть отражения волн. Чтобы избежать этого, в одном из фланцев протачивают канавку глубиной около λ/4, отстоящую от широких стенок волновода также на λ/4. Такая канавка играет роль четвертьволнового отрезка двухпроводной линии, замкнутого накоротко на дальнем конце. Так как у плоскости фланцев ее сопротивление равно бесконечности, на широкой стенке волновода в месте стыка его отрезков также образуется короткое замыкание, что значительно ослабляет неоднородность.  Чтобы разветвить распространяющуюся в волноводе энергию, применяют тройники. Если волновод имеет ответвление от узкой стенки (рис. 5, а), то тройник называется «параллельным», а если ответвление сделано от широкой стенки (рис. 5,б), тройник носит название «последовательного». Названия эти связаны с тем, что при распространении волны типа Н10 присоединенный к узкой стенке отрезок волновода играет роль шунтирующего шлейфа, в то время как такой же отрезок, присоединенный к широкой стенке, играет роль сопротивления (индуктивного или емкостного), включенного в передающую линию последовательно. Такие отрезки наряду с диафрагмами и штырями используются в качестве согласующих устройств.  Широкое применение в технике сантиметровых волн находят также двойные тройники (рис. 6). Рассмотрим некоторые их свойства.Плечи двойного тройника выполняются из отрезков волновода одинакового сечения, причем их высота и ширина подбираются так, чтобы в них могла распространяться лишь волна типа Н10 заданного диапазона частот. Любая волна другого типа (Е11, H01 и все другие) должна быть длиннее критической.  Предположим, что волна типа Н10 возбуждается в плече А. В плечо Б она проникнуть не может, так как в начале этого плеча электрическое поле направлено параллельно его широкой стенке, а для возбуждения волны единственно возможного типа — Н10 — необходимо поле, перпендикулярное этой стенке. Плечи В и Г по условию совершенно одинаковы и если они согласованы (Для согласования в тройник помещают соответствующим образом расположенные диафрагмы и штыри.) с плечом А, то энергия, распространяющаяся в этом плече, «завернет» в плечи В и Г (разделится между ними), т.е. и в этих плечах будут распространяться волны Н10.Подобная же картина будет иметь место, если волна Н10 возбуждена в плече Б. Энергия этой волны не проникнет в плечо А, а разделится между плечами В и Г («завернет» в эти плечи). Однако физическая картина в последнем случае существенно отличается от предыдущего. В первом случае волна заворачивает из плеча А, не меняя своей поляризации, т. е. направление электрического поля как в плече А, так и в В и Г остается вертикальным (рис. 6,а). Во втором же случае волна из плеча Б заворачивает в плечи В и Г, изменяя свою поляризацию: направление электрического поля в плече Б горизонтально, а в В и Г — вертикально (рис. 6,б). Это различие приводит к тому, что в первом случае волны после разветвления распространяются в плечах В и Г в фазе, а во втором — в противофазе. Что произойдет с волнами, попавшими в плечи В и Г? Если в концах этих плеч имеются согласованные с ними нагрузки, отражений от концов не будет. Если же, дойдя до конца плеч, волны отразятся, то, вернувшись к тройнику, каждая из них разделится на две части: на волну, заворачивающую в плечо А и заворачивающую в плечо Б. Если длина плеч В и Г и условия отражения от их концов одинаковы, а первоначально волна возбуждалась, скажем, в плече А, то волны из В и Г вернутся в плечо А в фазе, сложатся, и в плече А возникнет стоячая волна. В плечо же Б волны попадут в противофазе, погасят друг друга и энергия в плечо Б не пройдет. Если первоначально волна возбуждалась в плече Б, то в нем возникает стоячая волна, а в плечо А энергия не пройдет. Если плечи В и Г нагружены на разные сопротивления, условия отражения от их концов будут неодинаковы и при возбуждении волны в плече А в плечо Б попадает волна, амплитуда которой определяется разностями амплитуд и фаз волн, отраженных от концов плеч В и Г. Поэтому по показаниям индикатора, находящегося в плече Б, можно судить о различии нагрузочных сопротивлений плеч В и Г. Таким образом, двойной тройник может работать в качестве измерительного мостика сопротивлений. При равенстве сопротивлений мостик будет сбалансирован и в плечо Б энергия не поступит. ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ В технике СВЧ и, в частности, в радиолокационной аппаратуре волноводы находят разнообразные применения. Помимо использования как хороших устройств для канализации энергии, волноводы могут служить в качестве фильтров низших частот: подбирая размеры их сечений, можно отфильтровать нежелательные частоты. Помещенные в волноводы материалы с достаточно большим электрическим сопротивлением (например, графит) вызывают сильное поглощение волн. Этим пользуются для устройства ослабителей интенсивности волн (аттенюаторов). Изменяя размеры и положение поглощающих элементов, добиваются плавной регулировки передаваемой мощности и отсутствия отражений в волноводах. Если сечение волновода уменьшить так, что частота колебаний окажется ниже критической, волна, просачивающаяся через сужение, будет быстро затухать. Изменением длины суженного отрезка можно регулировать ослабление волны и получить так называемые предельные аттенюаторы. Прорезая в волноводе излучающие щели, получают направленные щелевые антенны. Совместное излучение из нескольких должным образом вырезанных щелей создает остронаправленные пучки сантиметровых волн. Для получения энергии, распространяющейся в волноводе, или для того, чтобы энергия из окружающего пространства попала в волновод, применяется и другой тип антенн. Действие их основано на следующем явлении. Если один конец волновода сделать открытым, через него в окружающее пространство будет излучаться небольшая часть энергии; большая часть энергии отразится от этого конца, как от резкой неоднородности. Если же сечение волновода плавно увеличивать по направлению к открытому концу (придать ему форму раструба), то отражение будет меньше и большая часть подводимой энергии будет излучаться. При правильном выборе формы раструба можно добиться того, что вся подводимая энергия будет излучаться направленным пучком. Мы получим рупорный электромагнитный излучатель (рис. 7,а), согласованный с пространством. Такие рупоры в комбинации с параболическими зеркалами с успехом применяет на волнах сантиметрового диапазона для получения направленных пучков радиоволн (рис. 7,6).  Замкнутые отрезки волновода применяются на СВЧ в качестве колебательных контуров. Если замыкающие проводящие стенки расположены на расстоянии, кратном длине волны, возбуждаемой в волноводе, то в нем возникают интенсивные стоячие волны. Вследствие того, что потери в стенках волновода весьма малы, такие замкнутые отрезки волновода обладают очень высокой добротностью — порядка десятков тысяч, т. е. очень хорошими резонансными свойствами. Они представляют собой один из типов так называемых объемных электромагнитных резонаторов, впервые предложенных советским ученым М. С. Нейманом.Наконец, используя свойства двойных тройников, можно осуществить различные устройства для измерений на СВЧ и высокочастотные коммутаторы. В качестве примера рассмотрим применение таких тройников в антенном переключателе современной радиолокационной станции, работающей в сантиметровом диапазоне волн.  Так как передатчик и приемник такой станции работают с общей антенной, то необходимо обеспечить защиту чувствительного приемника, от попадания на его вход мощных импульсов, вырабатываемых передатчиком. Эту задачу успешно выполняет система, состоящая из двух двойных тройников (рис. 8). Мощные импульсы от передатчика поступают в плечо А тройника № 1, к плечу Б которого присоединена антенна. Энергия импульса в тройнике разделяется между плечами В и Г, в которые волна попадает в противофазе. В этих плечах установлены разрядники, в которых при попадании на них мощных импульсов вспыхивает электрическая дуга. Сопротивление дуги мало и оба импульса отражаются от зажженных разрядников, как от короткого замыкания. Один из разрядников помещен от тройника № 1 на четверть волны дальше, чем другой, поэтому после отражения оба импульса приходят в плечо Б в фазе и излучаются антенной. Небольшая часть энергии импульсов, просочившаяся через разрядники, подходит к тройнику № 2 в противофазе и поэтому попадает только в плечо Д, где и гасится помещенным там поглотителем.Когда же слабый импульс из антенны, работающей на прием, попадает в плечо Б, а затем в плечи В и Г разрядники не зажигаются и практически не влияют на распространение энергии в волноводах. Импульсы, попадая в тройник № 2 в фазе, заворачивают в плечо Е к приемнику. Автор: А. Саломонович Источник публикации: ж. Радио, 1952, №3, с. 16 - 19 |
cner.ucoz.net
