BВЕДЕНИE

ВОЛНОВОДЫ И ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

Волноводы и объемные резонаторы относятся к основным элемен­там устройств СВЧ. Для передачи энергии с помощью электромагнит­ных волн от источника к потребителю используются различные типы направляющих систем или линий передачи. Направляющие системы пред­ставляют собой совокупность направляющих элементов - металличес­ких, диэлектрических или полупроводниковых поверхностей, трубок, стержней и т.д. Применение того или иного типа направляющих систем зависит е основном от диапазона волн и уровня передаваемой мощ­ности.

Одним из основных типов направляющих систем в сантиметровом диапазоне еолн являются полые металлические волноводы, или просто волноводы. Волноводы представляют собой металлические трубы, внут­ри которых и происходит распространение электромагнитных волн. Волноводы относятся к классу закрытых направляющих систем, так как из-за поверхностного эффекта поле распространяющихся волн не про­никает через стенки волновода во внешнее пространство.

Преимуществом волноводов по сравнению с другими типами направ­ляющих систем является отсутствие излучения во внешнее пространст­во, достаточно высокий уровень предельной передаваемой мощности и малый коэффициент затухания. С ростом частоты параметры волново­дов ухудшаются. В миллиметровом диапазоне параметры одномодовых волноводов (коэффициент затухания, передаваемая мощность), как пра­вило, уже не соответствуют предъявляемым требованиям. В дециметро­вом диапазоне поперечные габариты волноводов достаточно велики, и их применение оправдано при передаче значительных мощностей или для получения высокого КПД протяженного тракта. К наиболее распро­страненным видам волноводов относятся прямоугольные волноводы - металлические трубы с прямоугольной формой поперечного сечения.

В качестве колебательной системы низкочастотной радиотехники (до диапазона УКВ) обычно применяется колебательный контур, состоя­щий из индуктивности L , емкости С и активного сопротивления R.

Каждый колебательный контур характеризуется резонансной частотой колебаний и добротностью:



где характеристическое сопротивление контура.

Для увеличения резонансной частоты контура необходимо умень­шать индуктивность L и емкость С контура. Уменьшение С ограничено емкостью монтажных элементов, которая составляет на СВЧ единицы пикофарад. Поэтому для увеличения резонансной частоты приходится существенно уменьшать L . При повышении частоты увеличивается R , так как возрастают тепловые потери вследствие сильного поверхност­ного эффекта. Указанные изменения L и R приводят к резкому сниже­нию добротности контура, что является основной причиной примене­ния на СВЧ других колебательных систем.

Основным типом колебательных систем для сантиметровых волн являются объемные резонаторы, обладающие высокими резонансными частотами и большой добротностью. Существует большое количество различных типов резонаторов, отличающихся друг от друга формой ме­таллической поверхности. Резонатор, рассматриваемый в настоящей работе, имеет форму параллелепипеда и называется прямоугольным ре­зонатором.

Объемный резонатор является колебательной системой, которая существенно отличается от обычного колебательного контура. В част­ности, объемный резонатор имеет бесконечное множество резонансных частот я соответствующих типов колебаний. Наинизшая резонансная частота и связанная с ней структура электромагнитного поля называ­ются основными. Известно, что в обычном колебательном контуре электрическое поле сосредоточено главным образом в конденсаторе, магнитное поле – в катушке индуктивности. Расчет колебательного контура сводится к применению теории электрических цепей. В объемном резонаторе электрическое и магнитное поля не разделены. Пара­метры такой колебательной системы являются распределенными в прост­ранстве и описываются не уравнениями теории цепей, а уравнениями электродинамики при соответствующих граничных условиях на стенках. Однако исследование электромагнитных процессов в прямоугольных ре­зонаторах можно упростить, рассматривая указанный резонатор как от­резок прямоугольного волновода, "закороченный" на концах проводящи­ми плоскими экранами. При таком подходе данная задача допускает применение арсенала средств, используемых при решении задач о рас­пространении волн в волноводах.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Требуется разработать математическую модель полого волно­вода или объемного резонатора, которая, будучи реализованной в виде алгоритма и соответствующей компьютерной программы, позво­лит существенно сократить сроки разработки устройства и заменить дорогостоящий натурный эксперимент численным экспериментом на компьютере. Используя разработанную математическую модель, необ­ходимо выполнить серию численных экспериментов по исследовании электродинамических характеристик устройства.

Объектом исследований настоящей работы являются прямоуголь­ные волновод и резонатор. Для возбуждения электромагнитного поля в волноводы и резонаторы вводят специальные устройства. Подобные устройства называются возбуждающими. В большинстве случаев это различные модификации электрического вибратора (хотя используются и другие конструкции, например отверстия связи в общей стенке двух линий передачи, одной из которых является волновод) или резонато­ра и линии передачи.

Так как перенос энергии по волноводу желательно осуществлять одним типом волны, а в резонаторе возбуждать один тип колебаний, то возбуждающее устройство должно создавать структуры электричес­кого и магнитного полей, близкие к структуре поля волны в волново­де или возбуждаемого колебания в резонаторе. Электрический вибра­тор и его модификации должны располагаться так, чтобы электричес­кий ток был близок по направлению к электрическим силовым линиям. Это обусловлено тем, что силовые линии электрического поля около вибратора направлены почти так же, как и ток, а магнитные силовые линии ортогональны к ним. Таким же свойством обладают и силовые линии магнитного поля, возбуждаемого в волноводе и резонаторе.

В данной работе рассматривается модификация электрического вибратора е виде прямолинейного ленточного проводника, проходящего через отверстие в одной из стенок волновода или резонатора и имею­щего гальванический контакт с противоположной стенкой. Плоскость ленточного проводника совпадает с плоскостью х'о'у' поперечного сечения прямоугольного волновода или резонатора (рис. I.I, где a,b - размеры поперечного сечения волновода или резонатора). Подобное возбуждающее устрой­ство, называемое далее ленточным зондом или просто зондом, индуци­рует электромагнитное поле, электрические силовые линии которого параллельны оси ленточного проводника.

Требования, предъявляемые к возбуждающим устройствам волно­водов, состоят в следующем:

  1. Возбуждающее устройство должно обеспечивать эффективное возбуждение желаемого типа волны я затруднять возбуждение других типов волн.

  2. Коэффициент отражения на входе возбуждающего устройства должен быть минимальным.

  3. Возбуждающее устройство должно обеспечивать передачу тре­буемой мощности.

Выполнение перечисленных требований достигается за счет вы­бора положения зонда в плоскости поперечного сечения и относитель­но проводящей стенки или границ раздела диэлектриков, заполняющих волновод.

К устройствам возбуждения резонаторов предъявляются следую­щие требования:

  1. Возбуждающее устройство должно обеспечивать эффективное возбуждение требуемого типа колебаний и затруднять возбуждение других типов колебаний.

  2. Электрическая прочность возбуждающего устройства должна соответствовать прикладываемым напряжениям.

  3. Расположение возбуждающего устройства в резонаторе должно обеспечивать требуемую величину добротности и допустимую напряжен­ность электрического поля в резонаторе, исключающую пробой диэлектрического заполнения.

Решение задачи о возбуждении волновода и резонатора может быть построено на базе единой физической модели резонатора с полу­прозрачными поперечными стенками (рис. 1.2), для которых известны коэффициенты отражения и прохождения собственных волн волновода (см. Приложение). Если положить коэффициенты отражения R=-1, т.е. считать, что поперечные стенки являются идеально проводящими, то данная модель трансформируется в прямоугольный резонатор (рас. 1.3). В том случае, когда коэффициент отражения одной из сте­нок считать равным нулю (R= 0), а второй R=-1, то рассматри­ваемая модель превращается в полубесконечный волновод, возбуждае­мый ленточным зондом (рис. 1.4).

Если же равны нулю оба коэффициента отражения (R = 0), то ис­ходная модель переходит в модель бесконечного волновода с соответ­ствующим возбуждением (рис. 1.5). Модели в виде полубесконечного или бесконечного волновода используются при исследовании конечных отрезков волноводов реальных устройств СВЧ, когда отражения от нагрузок волноводов пренебрежимо малы.

Полупрозрачная стенка может соответствовать плоской границе раздела диэлектрических заполнений волновода (рис. 1.6) с различ­ными диэлектрическими проницаемостями.

Если одна из поперечных стенок - идеально проводящая (R=-1), а другая - полупрозрачная и образована границей раздела диэлектри­ков с отношением диэлектрических проницаемоcтей Ea1/Ea2>>1, то исходная физическая модель описывает возбуждение полубесконечного волновода через объемный резонатор (ом. рис. 1.6), который в этом случае играет роль узкополоcного фильтра: на резонансной частоте в волноводе, связанном с резонатором, происходит возбуждение элект­ромагнитных волн, а на других частотах амплитуда возбуждаемых воля существенно уменьшается.


Случайные файлы

Файл
50450.rtf
175818.rtf
30158-1.rtf
29374.rtf
150521.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.