Глава 6

Элементы и узлы волноводных СВЧ

трактов

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ И УЗЛАХ ВОЛНОВОДНЫХ ТРАКТОВ

Все выводы предыдущей главы относились к так называемым регулярным линиям передачи, названным так потому, что их поперечное сечение оставалось неизменным в продольном направлении, а заполняющая среда обладала постоянными электромагнитными свойствам.и.

В реальных условиях регулярность линии передачи нарушается сочленениями, изгибами, поворотами, диэлектрическими опорными шайбами, гибкими секциями, различного рода штырями и диафрагмами, а также другими подобными элементами, которые являются конструктивно неделимыми составными частями узлов СВЧ тракта. ,

На примере упрощенной принципиальной схемы СВЧ тракта радиолокационной станции (рис. 6.1) проиллюстрируем Конкретную реализацию отдельных ©лементов и узлов СВЧ.

-л 90°

D II -t-B4HjHf-a

И 11 D I D

лврвдатчина

11 В II D I о II }\ II О I D II ИЬ/Патент

Рис. 6.1. УПрощенная привцншальная схема СВЧ тракта радиолокащионной

стаяцин

Передаваемый импульсный сигнал от передатчика через цир-кулятор 4, развязывающий приемник и передатчик, поступает в антенну. Сопротивление 5 используется при настройке передатчика ,как эквивалент антенны. Принимаемый сигнал из антенны через этот же циркулятор поступает в приемник. Часть передаваемого сигнала ответвляется направленным ответвителем 3 для контроля и измерения его параметров. Приемник защищен от попадания мощного импульса передатчика диодным выключателем 6. Передатчик и приемник соединяются с трактом через со-

гласующие устройства 1, 7, обеспечивающие излучение антенной полной энергии передатчика, а также передачу в .приемник всей энергии, принятой антенной. В тракте СВЧ сигнал проходит через большое количество соединительных элементов 11, 14, переходов 2, 10, 12, через уголки 8, скрутки 13, изгибы 9, устанавливаемые для минимизации объема, занимаемого аппаратурой, а также обеспечивающие ее технологичность и ремонтопригодность.

Основываясь на приведенном примере, под СВЧ трактом условимся понимать совокупность СВЧ устройств, сочлененных опре-деленным образом. Под узлом СВЧ условимся .понимать устройство, выполняющее одну или несколько радиотехнических функций и имеющее законченное .конструктивное и схемное выполнение.

В задачу .проектирования узлов и элементов СВЧ трактов входит разработка конструкций, обладающих в условиях внешних воздействий заданными электрическими, механическими и другими свойствами [1].

6.2. ПОНЯТИЕ ОБ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМАХ НЕРЕГУЛЯРНОСТЕЙ

Исследование структуры поля в волноводе при наличии нерегулярности представляет собой сложную в математическом отношении задачу. Однако наибольший интерес представляет не структура поля вблизи нерегулярности, а влияние нерегулярности на режим работы линии передачи.

Электромагнитное поле с нарушенной регулярностью отличается от поля бегущей волны. Оно может быть представлено в виде суммы полей (рис. 6.2) паДающей волны Рпад, отраженной

о о-[

CZH>

1 г.

Рис. 6.2. Нерегуляр-иость Рис. 6.3. Зкви1в.алштны.е схемы .нерегулярностей в в .регулярном волноводе волноводе:

воде а - для сосредоточенной нер€гуляр.ности; б -для

ра1апределениой нерегулярности

волны Ротр ТОГО же типа, что и падающая волна, и проходящей волны Рпад, а также волн высшего типа Рв и Р в, возникающих вблизи нерегулярности и образующих так называемое местное поле, создающее запас реактивной энергии. Напряженность местного поля убывает по мере удаления от нерегулярности, поскольку критические длины составляющих его волн малы, и на расстоянии, сравнимом с длиной волны, его влиянием можно пре-

небречь. Однако на самой нерегулярности амплитуда напряженности местного поля сравнима с амплитудой падающей волны.

Влияние нерегулярного участка тракта на процессы передачи и отражения волн основного типа может быть отображено схемой замещения (эквивалентной схемой), составленной из сосредоточенных элементов - индуктивностей, емкостей, резисторов, а волновод при этом заменяется эквивалентной ему длинной линией. Но в данном случае имеется в виду не проведение внешних аналогий, а нахождение общих соотношений, присущих как волноводам, так и длинным линиям.

1Вид эквивалетной схемы и значения составляющих ее элементов зависят от частоты сигнала, характера нерегулярного участка, а также от выбора плоскости его представления, т. е. места включения эквивалентной схемы в линию передачи. Если длина нерегулярного участка вдоль волновода мала ,по сравнению с длиной волны, то отсчетная плоскость устанавливается посередине участка. При малой длине нерегулярного участка, когда можно пренебречь распространением волн на его длине, эквивалентная схема имеет вид последовательного либо шунтирующего емкостного или индуктивного сопротивления (рис. 6.3,а). При большой длине нерегулярного участка эквивалентная схема в большинстве случаев может быть представлена в виде П- или Т-образной цепи (рис. 6.3, б).

Представление нерегулярности в виде эквивалентной схемы справедливо в узком интервале частот для удаленных друг от друга нерегулярностей, которые не связаны друг с другом местными полями. При составлении эквивалентных схем близко расположенных нерегулярностей необходимо учитывать их взаимное влияние.

Входящие в эквивалентные схемы реактивности определяются с помощью электродинамических расчетов. Однако сложность решения подобных задач приводит к необходимости в ряде практических случаев пользоваться экспериментальными данными, имеющимися в литературе в виде графиков и эмпирических формул [8].

6.3. РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛНОВОДНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Роль реактивностей в волноводных линиях передачи могут выполнять следующие элементы.

Штыри в волноводе. Короткий металлический штырь в одной из широких стенок волновода (рис. 6.4,а), направленный вдоль линий электрического поля, увеличивает местное электрическое поле и действует как эквивалентная емкость. Нормированное значение проводимости Ь штыря зависит от его длины /, радиуса г и места расположения на широкой стенке 1\ [4]:

ab ln(2Zi -)sin2p/ -P(2/i-r)(2-l-cos2p/) 80