Волноводная измерительная линия (ИВЛ).

Конструкция измерительной волноводной линии приведена на рис. 15.

Она состоит из каретки «6 », которая располагается над прямоугольным волноводом и может перемещаться над ним вдоль волновода. Вдоль середины широкой стенки волновода (под кареткой) сделана неизлучающая прорезь для погружения штыря. Каретка снабжена линейкой с нониусом.

В каретку «6 » входят:

1) Штырь «2 » с винтом регулировки погружения штыря в волновод. Глубина погружения определяет величину связи резонатора и волновода.

2) Плунжеры (поршни) «3 » и «5 » предназначены для настройки резонатора «1 » в резонанс с частотой проходящего в волноводе СВЧ сигнала и для согласования диодного выпрямителя с «4 » резонатором.

Рис. 15 Конструкция ИВЛ

 

Существует много других устройств на СВЧ: простые Т – мосты, двойные Т – мосты, устройства на ферритах (гиратры, циркуляторы, фазовращатели, вентили и т.д.), многим из которых нет аналогов в низкочастотной радиотехнике.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Типы волн в фидерных линиях.

2. Волна Н₁₀.

3. Что такое комплексная амплитуда.

4. Что такое «постоянная распространения», фазовая и групповая скорость.

5. Длина волны в волноводе и в свободном пространстве.

6. Структура полей Е и Н в волноводе.

7. Токи на поверхностях волновода. Излучающие и неизлучающие щели.

8. Аттенюаторы, фазовращатели.

9. Конструкции и параметры резонаторов.

10. Устройство и принцип действия направленных ответвителей.

11. Устройство и принцип действия измерительной волноводной линии (ИВЛ).

12. Назначение замедляющих структур.

13. Типы замедляющих структур.

14. Дисперсия и ее виды.

Характеристики и параметры замедляющих структур.

Согласование

Входное сопротивление нагруженной линии. Уравнения для любой линии передачи энергии (волновод, замедляющую структуру, коаксиальную линию и т.д.) можно привести к виду, аналогичному уравнению для двухпроводной линии. В таких системах могут распространяться волны в двух противоположных направлениях (вдоль и против оси z).

Такие системы передачи энергии характеризуются двумя параметрами: волновым сопротивлением w и фазовой скоростью распространения c. Эти параметры могут зависеть от частоты (дисперсия).

 

Рис. 16 Двухпроводная линия

 

Уравнения для токов и напряжений имеют вид:

• Падающая волна
• Отраженная волна

где: β = w / c = 2π / λ; ρ – комплексный коэффициент отражения.

Для удобства отсчет ведут против оси z, отсчитывая расстояние от нагрузки.

Составим уравнения

Составим уравнения в линии

Отношение напряжения к току даст входное сопротивление

При l = 0 имеем равенство Z_вх = Z_н

Отсюда нетрудно найти ρ.

Величины сопротивлений со штрихом называются нормированными сопротивлениями. Они безразмерны и равны комплексному сопротивлению, деленному на волновое сопротивление. Итак, подставляя коэффициент отражения в исходное выражение, получим

где Y ^’ = w Y

Как можно заметить, формулы для входного сопротивления и входной нормированной проводимости аналогичны.

 

Частные случаи.

1. Короткозамкнутая линия.

График зависимости входного сопротивления от длины линии показан ниже.

Рис. 17

 

Из рисунка видно, что входное сопротивление имеет чисто реактивный характер. При этом входное сопротивление становится сначала индуктивным, затем имеет характер сопротивления параллельно контура, затем емкостной характер, потом – сопротивление последовательного контура и т.д.

При чисто реактивной нагрузке мы будем иметь тот же график, но сдвинутый влево при индуктивной нагрузке или вправо – при емкостной.

График зависимости напряжения и тока в линии представлен на рис. 18.

 

Рис. 18.

 

1. Четвертьволновая линия.

Входное сопротивление такой линии равно

Это соотношение справедливо для любой нагрузки. Такую линию часто используют для согласования. Ее часто называют четвертьволновым трансформатором.

 

1. Линия, замкнутая на активное сопротивление.

Ее входное сопротивление и входная проводимость имеют комплексный характер

График зависимости напряжения в линии представлен на рис. 19.

Рис. 19 График зависимости амплитуды напряжения от расстояния до нагрузки

 

График является периодической функцией. Минимумы называются узлами напряжения, а максимумы – пучностями напряжения. Расстояние между соседними минимумами равны половине длины волны в линии (волноводе). В максимумах амплитуды падающей и отраженной волн складываются, а в минимумах – вычитаются. Отношение максимального напряжения в линии к минимальному называется коэффициентом стоячей волны КСВ. Величина, обратная КСВ, называется коэффициентом бегущей волны.

Для чисто активной нагрузки КСВ равен отношению сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению, если сопротивление нагрузки больше волнового. Если же оно меньше, то КСВ равно отношению волнового сопротивления к сопротивлению нагрузки.

Коэффициент отражения ρ связан с КСВ следующим образом

 

Узкополосное согласование.

При отражении волны от нагрузки в нагрузку попадает только часть энергии. Чтобы передать всю энергию используется согласование линии с нагрузкой. При идеальном согласовании КСВ = 1. Обычно считается, что удовлетворительное согласование достигается при КСВ меньшем 1,5 (коэффициент отражения 0,2).

Существуют различные методы согласования. Различают узкополосное согласование и широкополосное согласование. Ниже будут рассмотрены два способа узкополосного согласования.

1. Согласование с помощью четвертьволнового трансформатора. При отсутствии согласования в линии устанавливается волна напряжения, имеющая узлы и пучности. В точках узлов и пучностей входное сопротивление линии имеет чисто активный характер. При этом в пучностях входное сопротивление больше волнового, а в узлах – меньше волнового.

При согласовании выбирается ближайший к нагрузке узел или пучность. Здесь определяется величина активного входного сопротивления линии. Зная КСВ, нетрудно подсчитать это сопротивление. Оно равно произведению волнового сопротивления на КСВ (пучность) или отношению волнового сопротивления к КСВ (узел напряжения).

Рис. 20 Включение четвертьволнового трансформатора в линию

 

В этой точке линию разрывают и вставляют отрезок четвертьволновой линии с другим волновым сопротивлением. Волновое сопротивление четвертьволнового участка подбирают таким, чтобы входное сопротивление с учетом четвертьволнового участка было бы равным волновому сопротивлению линии. Волновое сопротивление отрезка определяется по формуле

Таким образом, в линии обеспечивается режим бегущей волны (отсутствие отраженной волны).

1. Согласование с помощью параллельного шлейфа.

Рис. 21 Согласование с помощью параллельного шлейфа

 

Методика состоит в следующем. Сначала определяется точка (расстояние от нагрузки l_вкл), в которой входная проводимость участка аб равна параллельному соединению проводимости, равной 1 / w, и некоторой реактивной проводимости ib. Затем находится по найденной реактивной проводимости длина шлейфа. Длина подбирается так, чтобы проводимость шлейфа компенсировала входную проводимость ib.

Рис. 22 Согласующие устройства: шлейфовый и основанный на 2Т – мосте.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Что такое «бегущая волна», «отраженная волна», КСВ, КБВ, коэффициент отражения.

2. одное сопротивление длинной линии.

3. Основной принцип согласования на СВЧ.

4. Шлейфовый метод согласования.

5. Согласование с помощью четверть волнового трансформатора.

 

Рекомендуемая литература:

А.Ф.Харвей. Техника сверхвысоких частот. Сов.Радио. М. 1965. (Т.1, 2).

Лебедев Техника и приборы СВЧ.