Большая техническая энциклопедия
2 4 7
D L N
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
ЧА ЧЕ ЧИ ЧУ

Частично заполненный волновод

 
Волновое сопротивление частично заполненного волновода отличается от волнового сопротивления незаполненного. Согласуются волноводы сравнительно просто: заострением концов ферритовой вставки.
Поскольку рассматриваемая структура частично заполненного волновода представляет интерес при использовании на повышенных уровнях мощности, представляется целесообразным рассчитать распределение потока мощности по поперечному сечению.
Нужно отметить, что экранированные частично заполненные волноводы давно привлекают внимание исследователей и инженеров, однако к настоящему времени достаточно подробно изучен лишь один из видов таких волноводов - прямоугольные волноводы с диэлектрическими слоями, параллельными одной из координатных осей. При этом вопросы дисперсии, структуры полей и построения функциональных узлов на их основе в литературе практически не затрагивались. Фундаментальное изложение теории экранированных волноводов с ферритами и вопросов построения на их основе различных линейных устройств СВЧ дано в работах А. Л. Микаэляна, однако открытые гиромагнитные волноводы и многослойные экранированные волноводы в них не рассмотрены.
В настоящее время желающие использовать частично заполненные волноводы должны проделать трудоемкие вычисления, и если книга избавит от этой нелегкой работы и будет способствовать широкому применению частично заполненных диэлектрическими материалами прямоугольных волноводов, - авторы будут считать свою задачу выполненной.
С ростом заполнения широкополосные свойства частично заполненного волновода в отношении положения плоскости круговой поляризации СВЧ магнитного поля улучшаются. В данном случае под широкополосными свойствами понимается относительно малая зависимость положения плоскости круговой поляризации от частоты.
Будучи глубоко убежденными в том, что частично заполненные волноводы в ближайшее время найдут широкое применение в различных областях paflnoTexHtf - ки, авторы в предлагаемой книге систематизировали, дополнили недостающими данными и рассчитали вновь такие характеристики прямоугольных частично заполненных волноводов, как постоянная распространения, критические длины волн основного и первого высшего типов колебаний, характеристическое сопротивление, пропускная способность, коэффициенты затухания, обусловленные потерями в металлических стенках и диэлектрике, положение плоскостей круговой поляризации СВЧ магнитного поля и распределение потока мощности по поперечному сечению. Все перечисленные характеристики рассчитаны с помощью ЭВМ М-20 с точностью, вполне достаточной для подавляющего большинства практических приложений.
В этом, заключается одно из преимуществ частично заполненного волновода с центральной симметричной дилектриче-ской пластиной.
Для расчета тепловых нагрузок, испытываемых диэлектрической пластиной частично заполненного волновода, необходимо знать распределение потока мощности по поперечному сечению.
Действительно, затухание, обусловленное потерями в металлических стенках частично заполненных волноводов, возрастает, и рост его зависит от величины заполнения, диэлектрической проницаемости заполняющего диэлектрика и размеров волновода.
Наиболее распространенные типы волноводно-диэлектри-ческих структур. При вычислении затухания, обусловленного потерями в металлических стенках частично заполненных волноводов, необходимо знать активную составляющую поверхностного сопротивления. В табл. 1.7 приведены значения активной составляющей поверхностного сопротивления для большинства металлов, из которых могут быть изготовлены стенки волноводов.
При больших толщинах и больших значениях диэлектрической проницаемости пропускная способность частично заполненного волновода на порядок и более превышает пропускную способность незаполненного. Однако практическая реализация этой повышенной пропускной способности связана с преодолением ряда технологических трудностей. Например, необходимо устранить воздушный зазор между диэлектрической пластиной и стенкой волновода. Зазор, толщина которого велика по сравнению со средней длиной свободного пробега электрона в воздухе, достаточен для возникновения электрического пробоя. А так как длина свободного пробега электрона в воздухе при атмосферном давлении составляет величину порядка 10 - 5 см [12], то ясно, что для исключения зазора необходимо подвергнуть непосредственно диэлектрический материал термической диффузии, химической металлизации или ультразвуковому лужению.
В предыдущем параграфе получены все выражения, необходимые для определения предельной мощности передаваемой по частично заполненному волноводу. Такое предположение хорошо согласуется с экспериментальными данными при малых и умеренных заполнениях, что на практике наиболее употребительно, и несправедливо при заполнениях, близких к полному.
А, - длина волны в свободном пространстве; Хд - длина волны в частично заполненном волноводе; pz - постоянная распространения; А, В, С, D - постоянные коэффициенты; L - / 1 / 2 / з; со - круговая частота; ц 0 - абсолютная магнитная проницаемость вакуума.
Как следует из этих таблиц при малых значениях диэлектрической проницаемости материала затухание, обусловленное потерями в металлических стенках частично заполненного волновода, сравнимо с затуханием, обусловленным потерями в металлических стенках незаполненного волновода. Более того, при малых заполнениях волноводов материалами с малыми значениями диэлектрических проницаемостей наблюдаются случаи, когда коэффициент затухания для частично заполненного волновода меньше коэффициента затухания для незаполненного волновода. Это происходит из-за снижения частоты отсечки в частично заполненном волноводе при заполнении диэлектрическим материалом, и как следствие этого, из-за уменьшения поперечных токов в металлических стенках. С ростом диэлектрической проницаемости заполняющего волновод материала затухание из-за потерь в металлических стенках увеличивается, превышая затухание для незаполненного волновода. Напротив, при заполнении волновода материалами с большими значениями диэлектрических проницаемостей наблюдается заметный рост затухания, обусловленного потерями в металлических стенках, причем уровень затухания в значительной степени определяется заполнением, а не значением а / К, исключая самые малые значения а / А, где большая величина затухания вызвана близостью отсечки типа колебаний.

С ростом величины заполнения и диэлектрической проницаемости уменьшаются значения а / К, при которых возможно распространение основной волны в частично заполненном волноводе.
Известно, что затухание, обусловленное потерями в металлических стенках незаполненных волноводов, возрастает при уменьшении их высоты, такой же эффект наблюдается в частично заполненных волноводах. Поскольку частично заполненные волноводы пониженной высоты часто используются на практике, то в табл. 11.21 - 11.25 приведены значения коэффициентов затухания в частично заполненных волноводах при отношении ширины волновода к его высоте, равном 10, для указанных ранее пяти значений диэлектрической проницаемости заполняющего диэлектрика.
Расчеты и сравнение таблиц показывают, что при больших значениях отношения ширины волновода к высоте рост затухания, обусловленного потерями в металлических стенках в частично заполненном волноводе, относительно незаполненного определяется диэлектрической проницаемостью заполняющего диэлектрика.
Следует заметить, что прогресс в разработке новых диэлектрических материалов с малыми потерями на СВЧ приведет к уменьшению этого вида затухания и позволит улучшить характеристики частично заполненных волноводов.
Будучи глубоко убежденными в том, что частично заполненные волноводы в ближайшее время найдут широкое применение в различных областях paflnoTexHtf - ки, авторы в предлагаемой книге систематизировали, дополнили недостающими данными и рассчитали вновь такие характеристики прямоугольных частично заполненных волноводов, как постоянная распространения, критические длины волн основного и первого высшего типов колебаний, характеристическое сопротивление, пропускная способность, коэффициенты затухания, обусловленные потерями в металлических стенках и диэлектрике, положение плоскостей круговой поляризации СВЧ магнитного поля и распределение потока мощности по поперечному сечению. Все перечисленные характеристики рассчитаны с помощью ЭВМ М-20 с точностью, вполне достаточной для подавляющего большинства практических приложений.
Коэффициент связи S для перехода с поперечным сечением по схеме. Здесь следует отметить, что метод интегральных уравнений относительно поля на наклонной границе раздела диэлектрических сред § 1.2, равно как и метод квазиполного обращения оператора ( § 1.3), не требует, как мы увидим в дальнейшем ( § 3.5, 3.6), предварительного знания системы собственных функций частично заполненного волновода.
Известно, что затухание, обусловленное потерями в металлических стенках незаполненных волноводов, возрастает при уменьшении их высоты, такой же эффект наблюдается в частично заполненных волноводах. Поскольку частично заполненные волноводы пониженной высоты часто используются на практике, то в табл. 11.21 - 11.25 приведены значения коэффициентов затухания в частично заполненных волноводах при отношении ширины волновода к его высоте, равном 10, для указанных ранее пяти значений диэлектрической проницаемости заполняющего диэлектрика.
Ряд характеристик частично заполненных прямоугольных волноводов, например положение областей круговой поляризации СВЧ магнитного лоля, приводится впервые. Все характеристики частично заполненных волноводов рассчитаны в более широких пределах изменения геометрии и диэлектрической проницаемости, чем это сделано в имеющейся литературе. Это обстоятельство дает возможность избежать случайных ошибок при единичных вычислениях и сводит к минимуму трудоемкость инженерных расчетов.
Кроме затухания из-за потерь в металлических стенках в частично заполненных волноводах есть еще затухание, обусловленное потерями в диэлектрике, заполняющем волновод. Практический интерес представляют такие частично заполненные волноводы, в которых оба вида потерь, вызываемых этими причинами, малы и не влияют на поперечную структуру распространяющихся волн. Это позволяет находить независимо их коэффициенты затухания.
Из таблиц видно, что в отличие от потерь в металлических стенках потери в заполняющем диэлектрике с ростом частоты увеличиваются. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании устройств на частично заполненных волноводах, выбирая размеры волновода, обеспечивающие минимальную сумму потерь в диэлектрике и металлических стенках.
Отмеченный эффект, по-видимому, можно использовать для широкополосного согласования волноводов с коаксиальными или с полосковыми линиями передачи, которые, как правило, низкоомны. Кроме того, наличие указанного минимума создает условия, при которых характеристические сопротивления частично заполненных волноводов с различными заполнениями могут оказаться равными. Однако в общем случае для согласования рассматриваемых структур волновода необходимо кроме равенства характеристических сопротивлений устранение реактивностей в месте стыка согласуемых линий передачи.
С ростом заполнения - пропускная способность при постоянном значении а / К уменьшается, достигает определенного минимума и снова возрастает лри приближении заполнения к полному. Минимум, наблюдаемый при различных заполнениях в зависимости от диэлектрической проницаемости, соответствует наименьшей пропускной способности частично заполненного волновода данной структуры. Эта минимальная пропускная способность почти не зависит от величины диэлектрической проницаемости и примерное 1 7 - 2 0 раза превышает пропускную способность незаполненного волновода, определенную три этом же значении а / К.
Зависимость отношения критических длин волн Лц от заполнения t / a при различных е. Характерной особенностью кривых, изображенных на рис. IV.2, являются участки, параллельные оси абсцисс. При заполнениях, соответствующих - плоской части кривой отношения а / ЛКр2, проявляется устойчивость данной структуры частично заполненного волновода к возбуждению первого ( высшего типа колебаний.

Как следует из этих таблиц при малых значениях диэлектрической проницаемости материала затухание, обусловленное потерями в металлических стенках частично заполненного волновода, сравнимо с затуханием, обусловленным потерями в металлических стенках незаполненного волновода. Более того, при малых заполнениях волноводов материалами с малыми значениями диэлектрических проницаемостей наблюдаются случаи, когда коэффициент затухания для частично заполненного волновода меньше коэффициента затухания для незаполненного волновода. Это происходит из-за снижения частоты отсечки в частично заполненном волноводе при заполнении диэлектрическим материалом, и как следствие этого, из-за уменьшения поперечных токов в металлических стенках. С ростом диэлектрической проницаемости заполняющего волновод материала затухание из-за потерь в металлических стенках увеличивается, превышая затухание для незаполненного волновода. Напротив, при заполнении волновода материалами с большими значениями диэлектрических проницаемостей наблюдается заметный рост затухания, обусловленного потерями в металлических стенках, причем уровень затухания в значительной степени определяется заполнением, а не значением а / К, исключая самые малые значения а / А, где большая величина затухания вызвана близостью отсечки типа колебаний.
Известно, что затухание, обусловленное потерями в металлических стенках незаполненных волноводов, возрастает при уменьшении их высоты, такой же эффект наблюдается в частично заполненных волноводах. Поскольку частично заполненные волноводы пониженной высоты часто используются на практике, то в табл. 11.21 - 11.25 приведены значения коэффициентов затухания в частично заполненных волноводах при отношении ширины волновода к его высоте, равном 10, для указанных ранее пяти значений диэлектрической проницаемости заполняющего диэлектрика.
Как следует из этих таблиц при малых значениях диэлектрической проницаемости материала затухание, обусловленное потерями в металлических стенках частично заполненного волновода, сравнимо с затуханием, обусловленным потерями в металлических стенках незаполненного волновода. Более того, при малых заполнениях волноводов материалами с малыми значениями диэлектрических проницаемостей наблюдаются случаи, когда коэффициент затухания для частично заполненного волновода меньше коэффициента затухания для незаполненного волновода. Это происходит из-за снижения частоты отсечки в частично заполненном волноводе при заполнении диэлектрическим материалом, и как следствие этого, из-за уменьшения поперечных токов в металлических стенках. С ростом диэлектрической проницаемости заполняющего волновод материала затухание из-за потерь в металлических стенках увеличивается, превышая затухание для незаполненного волновода. Напротив, при заполнении волновода материалами с большими значениями диэлектрических проницаемостей наблюдается заметный рост затухания, обусловленного потерями в металлических стенках, причем уровень затухания в значительной степени определяется заполнением, а не значением а / К, исключая самые малые значения а / А, где большая величина затухания вызвана близостью отсечки типа колебаний.
Из этих таблиц видно, что с уменьшением высоты частично заполненного волновода затухание, обусловленное потерями в металлических стенках, возрастает.
При дальнейшем увеличении толщины заполняющих волновод пластин наблюдается быстрый рост пропускной способности. Такая зависимость пропускной способности, или, что то же самое, электрической прочности, от толщины диэлектрической пластины объясняется тем, что при малых заполнениях часть энергии концентрируется диэлектрической пластиной, но толщина ее недостаточна для того, чтобы область больших значений составляющей напряженности электрического поля оказалась внутри диэлектрической пластины. При дальнейшем увеличении толщины диэлектрической пластины область больших значений составляющей напряженности электрического поля окажется внутри пластины, и с этого момента электрическая прочность частично заполненного волновода будет возрастать.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11