Поступившая на вход плеча 1 волна Ню амплитудой Ej, достигнув начала щели /, возбудит в области связи волноводов волны различных типов, в том числе и волны Ню и н20.

Размеры волновода в области щели (Г) позволяют распространяться как волнам Ню, так и н20. Все другие типы волн являются затухающими. Распределение полей таково, что со стороны плеча 1 обе волны находятся в фазе, а со стороны плеча 3 - в про-тивофазе, т. ё. волна в плече 3 распространяться не будет.

В области связи волны Ню и н20 одинаковой амплитуды распространяются с разными фазовыми скоростями и на длине щели / претерпевают различную фазовую задержку.

Преобразование волн в начале области связи и обратное преобразование в конце этой области сопровождаются отражениями.. Для компенсации этих отражений в центре щели помещают согласующий элемент (как правило, подстроечный винт).

Для обеспечения нормальной работы щелевого моста необходимо устранить возможность Возникновения и распространения в области связи волн высших типов. Ближайшим высшим типом по значению критической длины волны является волна Н30, для которой а.крзо=2Г/3 может оказаться в рабочем диапазоне частот. Чтобы такой опасности не возникало, ширину общего волновода I делают несколько меньше чем 2а, с таким расчетом, чтобы значение хкрзо было меньше минимальной рабочей длины волны. Для этого в конструкции щелевого моста предусматривают специальные вставки в области щели, а также плавные либо ступенчатые скосы.

Хорошо согласованный волноводный щелевой мост позволяет получать развязку плеч более 20 дБ в полосе частот 15-20% fo при неравномерности распределения мощности, не превышающей 0,3-0,5 дБ и /Сет < 1,15- 1,3.

Матрица рассеяния щелевого моста с учетом геометрической симметрии и равного деления мощности {Szi=S{2=\l 2; 8ц=: =823-IIV2), отсутствия отражения (Sii = 522.= 533=544=0), без-конечно большой развязки плеч (5з1 = 542=0) и взаимности .имеет вид:....... . , .

О i О Г

i о 1 о

0 10 1 10 10

(7.25)

Обобщенные данные теоретических и экспериментальных исследований по щелевым мостам, имеющиеся в [24], позволяют рекомендовать простые соотношения для определения размеров t и Г:

Z= (1,32 - 1,38) Я,др, (7 26)

1 = 0,71.

Диаметр емкостного винта обычно равен (0,18-0,26) Г. Для повышения электрической прочности щелевого моста торец винта

выполняется в виде полусферы. При этом пробивная прочность составляет 20-50% от пробивной прочности регулярного волновода.

7.9. ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

Объемным резонатором называется колебательная электромагнитная система, представляющая собой область, ограниченную металлической поверхностью либо поверхностью, соприкасающуюся с менее плотной электромагнитной средой. В соответствии с данным определением возможны два вида объемных резонаторов: полый металлический и диэлектрический.

В технике СВЧ резонаторы используются в качестве колебательных систем электронных приборов, в фильтрах различного назначения, Б измерительной технике и т. д.

При сущестЁовании электромагнитного поля во внутренней полости резонатора происходит непрерывный обмен между электрической и магнитной составляющими этого поля, подобно тому, как в колебательном контуре происходит обмен энергией между электрическим полем, сосредоточенным в конденсаторе, и магнитным полем, сосредоточенным в индуктивности. Если допустить отсутствие тепловых потерь в резонаторе, то обмен энергией будет протекать бесконечно, т. е. установится незатухающий колебательный процесс. Строгая теория, описывающая электромагнитные колебания в резонаторе, основывается на решении трехмерного векторного волнового уравнения (см. § 2.5):

с учетом того, что на внутренней поверхности стенок резонатора выполняются граничные условия Е =0. Известно, что при упомянутых граничных условиях волновое уравнение имеет бесчисленное множество решений, каждому из которых соответствует своя структура электромагнитного поля и определенное значение резонансной частоты fp, т. е. объемные резонаторы могут резонировать на бесконечном множестве дискретных частот.

То колебание, которому при данных размерах резонатора соответствует минимальная частота, называется низшим типом колебаний. Если резонансные частоты двух или более видов колебаний с различной структурой полей совпадут, то такие колебания называются вырожденными.

Полная эквивалентная схема резонатора с учетом многоволнового режима работы может быть представлена в виде бесконечного числа связанных резонансных контуров. На практике используются резонаторы, возбуждаемые на одном определенном типе колебаний. В этом случае эквивалентная схема представляет собой обычный параллельный резонансный контур, характеризующийся эквивалентным активным сопротивлением R, эквивалентной емкостью С, эквивалентной индуктивностью L. Однако целесообразно

рассматривать такие эквивалентные параметры резонатора, которые могут быть непосредственно измерены. В качестве основных параметров, определяющих свойства резонаторов, приняты следующие [26]:

резонансная частота (fp) - частота, на которой при прочих равных условиях амплитуда колебаний достигает наибольщей величины;

добротность (Q) - величина, характеризующая щирину полосы резонансной характеристики на уровне половинной мощности:

Q = /p/2A/, (7.27)

где 2А/ - полоса пропускания резонатора.

Разделение видов колебаний характеризуется частотным интервалом между резонансной частотой рабочего и ближайшего наиболее интенсивного нерабочего вида колебаний.

Коэффициент связи (Ксв) характеризует отношение мощности, передаваемой резонатором во внешнюю цепь (Рн), к мощности, теряемой в резонаторе на резонансной частоте- {Рро)

K, = PjPvo- (7.28)

Резонансные частоты объемных резонаторов. Возбудим произвольный резонатор с объемом У на одной из резонансных частот и отключим источник энергии. Если потери энергии в резонаторе отсутствуют, то на резонансной частоте запасенная энергия электрического и магнитного Wm полей равны. В связи с этим из (2.22) и (2.23) с учетом первого уравнения Максвелла (2.10) следует, что собственная частота колебаний резонатора может быть определена выражением

< = --,---. (7.29)

EaV-a HmdV

Анализ этого уравнения показывает, что резонансная частота зависит от размеров резонатора, от параметров заполняющей среды и структуры электромагнитного поля. Таким образом, перестройку резонансной частоты резонатора можно осуществить изменением длины резонатора, изменением его объема (путем введения внутрь полости металлического тела) либо изменением параметров среды (путем введения диэлектрического тела).

Собственная добротность резонаторов. Для расчета собственной добротности резонатора воспользуемся энергетическим определением, согласно которому

Qo = 2п WJW o.iT) = соо Гз/Рот, (7.30)

где - энергия, запасенная в резонаторе, пот(т) - энергия, теряемая в резонаторе за один период колебаний; т=2п/Т - резонансная круговая частота резонатора, Р от - мощность потерь Б резонаторе.