ОСОБЕННОСТИ ДИАПАЗОНА СВЧ

Как стало ясно из примера рис. 0.1, в дальнейшем придется иметь дело преимущественно с трансформирующими свойствами четырехполюсников (рис. 0.1,б).

Сущность любой теории состоит в том, что с ее помощью сложные проблемы подразделяются на более простые. В частности, при изучении сложной схемы обычно предпринимаются попытки к тому, чтобы разделить ее на более простые элементы. На длинных волнах такое разделение производится до тех пор, пока не останется несколько активных, индуктивных или емкостных сопротивлений, останется может быть также несколько простых трансформаторов и в некоторых редких случаях еще и однородный кабель. Схема игредставляет собой, таким образом, систему, которая состоит из ряда отдельных элементов, каждый из которых может быть изучен в отдельности.

Рис. 0.2. Высокочастотное тонкослойное сопротивление, представляющее собой на сверхвысоких частотах сложный в электрическом отношении элемент.

Работу любой схемы можно рассмотреть с помощью законов Ома и Кирхгофа. Таким образом, например, можно было бы без особого труда рассчитать полученное в результате трансформации сопротивление в примере рис. 0.1.

Значительно сложнее дело обстоит в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн.

Каждый сантиметр проводника в этом случае шредставляет собой одновременно индуктивность и емкость и сложнейшим образом связан с соседними проводниками.

Так, например, на высоких частотах часто применяется сопротивление в виде тонкого слоя поглощающего материала, нанесенного на диэлектрик (рис. 0.2). На более длинных волнах в электрическом отношении оно однозначно характеризуется величиной сопротивления. Если к нему приложить какое-то напряжение то зная величину сопротивления, можно определить протекающийпо нему ток На сантиметровых же волнах, длина которых соизмерима с размерами самого сопротивления, в электрическом отношении оно представляет собой довольно неопределенный элемент.

Конфигурация электрических и магнитных линий поля в окрестности этого сопротивления в значительной степени определяется расположением соседних проводников. Подобного же рода явление может быть и на длинных

волнах, но, Так как Там эти силовые линии соответствуют очень небольшим емкостным и индуктивным сопротивлениям, это влияние оказывается незначительным. На очень же высоких частотах емкостные и индуктивные сопротивления вследствие очень большого значения круговой частоты становятся существенными. Поэтому электрические свойства сопротивления (рис. 0.2) в значительной степени зависят от расположения окружающих его проводников.

Охарактеризовать такое сопротивление в электрическом отношении в отдельности так же трудно, как на длинных волнах трудно охарактеризовать какую-то часть катушки или конденсатора. Электрические свойства этой части в большинстве случаев вообще не могут быть определены с помощью каких-либо величин, например сопротивлений, и поэтому в принципе они не могут быть измерены. Такого рода разделение не является уже больше упрощением, а, наоборот, усложняет задачу. Из этого примера видно, что к разделению схемы при работе на дециметровых и сантиметровых волнах следует подходить очень осторожно.

Рис. 0.3. Высокочастотное тонкослойное сопротивление (рис. 0.2), расположенное в коаксиальной линии, Это сопротивление, отнесенное к плоскости поперечного сечения А, на сверхвысоких частотах представляет собой двухполюсник с легко определяемыми свойствами.

Наоборот, тонкослойное сопротивление (рис. 0.2), расположенное в устройстве, показанном на рис. 0.3 или рис. 0,4, может быть определено простыми соотношениями. На рис. 0.3 это соцротивление является частью внутреннего проводника короткозамкнутой однородной линии. На рис. 0.5 показаны электрические (сплошные) и магнитные (пунктирные) силовые линии в поперечном сечении А, расположенном достаточно далеко от сопротивления.

Электромагнитное поле в этой плоскости можно однозначно охарактеризовать с помощью напряжения, приложенного между внутренним и внешним проводниками, и тока, протекающего параллельно оси линии. Данное утверждение останется справедливым, если линию по этому сечению разделить и подсоединить к другой линии того же поперечного сечения. Поперечное сечение А на сантиметровых волнах является допустимой поверхностью раздела. Тонкослойное сопротивление вместе с отрезками

линии до точки А в электрическом отношении можно однозначно охарактеризовать величиной сопротивления. Такое устройство представляет собой двухполюсник.

На рис. 0.4 сопротивление включено в отрезок однородной линии. Оно представляет собой часть внутреннего проводника и служит в качестве связующего элемента. В поперечном сечении А, достаточно удаленном от сопротивления, электромагнитное поле также можно однозначно охарактеризовать величиной тока и напряжения. То же самое относится и к сечению В. Поэтому всю схему в электрическом отношении следует рассматривать как четырехполюсник, при этом нельзя расчленять ее на двухполюсники.

Рис. 0.4. Тонкослойное сопротивление, расположенное между двумя поперечными сечениями являющееся четырехполюсником, свойства которого могут быть полностью определены.

Как было показано на примере тонкослойного сопротивления, устройство дециметровых или сантиметровых волн согласно теории цепей может быть разделено только тогда, когда на поверхностях раздела электромагнитное поле можно однозначно охарактеризовать с помощью тока и напряжения или двух других эквивалентных величин. Схему его часто нельзя подразделить на отдельные сопротивления. Она может быть сравнительно сложной.

Однако в ней всегда имеются места, в которых электромагнитное поле может быть однозначно охарактеризовано напряжением и током или двумя другими эквивалентными величинами. В дальнейшем именно такие места мы и будем иметь в виду, когда будет идти речь о плоскостях раздела. Если расчленить схему в этих точках, то получим отдельные элементы, вполне доступные для изучения.

Эти элементы могут быть двухполюсниками, чаще четырехполюсниками, а также шести- и -полюсниками с Все они могут быть полностью охарактеризованы в электрическом отношении и исследованы экспериментально [1].

Рис. 0.5. Силовые линии поля в поперечном сечении коаксиальной линии, расположенном на достаточном удалении от источника отражений. Только такие поперечные сечения можно выбрать в качестве граничных.

На рис. 0.6 приведено несколько примеров четырех- и шестиполюспиков такого рода.

Пусть плоскости на однородных

участках линии настолько удалены от источников отражений что практически там имеется невозмущенное поле однородной линии (рис. 0.5), а напряжение и ток однозначно, т. е. независимо от того, в какую схему включен данный элемент, характеризуют электромагнитное поле. На рис. 0.6,г диод имеет настолько малые геометрические размеры электродов (пространственную протяженность), что силовые линии поля в нем проходят так же, как и на длинных волнах, а электромагнитное поле в этом случае однозначно характеризуется напряжением и током. Емкость такого диода может быть рассчитана или измерена на низкой частоте.

Если к соответствующим клеммам шести- или -полюсника при подключить постоянные сопротивления, то этим способом можно свести его к четырехполюснику, лишь незначительно усложнив схему.

Рис. 0.6. Схематическое изображение высокочастотных элементов: а, в, г - четырехполюсники, ограниченные сечениями Предполагается, что геометрические размеры электродов диода настолько малы» что распределение поля в пространстве между ними является квазистатическим, благодаря чему в качестве разделительной плоскости можно взять плоскость шестиполюсник (ограничен сеченнями

На длинных волнах в практике большей частью оказывается вполне достаточным пользоваться законами Ома и Кирхгофа и лишь очень редко приходится прибегать к теории четырехполюсников. Но на очень коротких волнах теория четырехполюсников выдвигается на передний план. Четырехполюсник становится основным элементом

схемы и в большинстве случаев не подлежит дальнейшему разделению.

Задача теории цепей состоит в определении тех или иных свойств четырехполюсников, необходимых для конструирования различных устройств. Поскольку часто эта задача не поддается математическому решению, или решение ее связано с большими трудностями и в результате может быть «получен лишь приближенный результат, прибегают к эксперименту, т. е. путем различного рода измерений получают необходимые данные. Это требует разработки ряда методов измерений.

Наряду с методами измерений очень важно разработать такие методы расчета, которые позволили бы по измеренным величинам определять поведение четырехполюсника в любой схеме.

На практике выбор типа четырехполюсника производится с учетом свойств соответствующих элементов схемы (ослабителей, отрезков различного рода линий, изгибов, фланцев и т. д.). Эти свойства, как и другие необходимые характеристики, определяются раз и навсегда из расчета или путем измерений. В послевоенной литературе можно найти большое количество сведений о четырехполюсниках и методах их исследования [2-5].

На сверхвысоких частотах очень хорошо показал себя метод изучения четырехполюсников [6], несколько отличный от применяемого обычно на длинных волнах. Особенно ценными являются графические методы [6—10], основанные на круговой геометрии. Здесь, как и в других областях техники, графические расчеты способствуют быстрому решению сложных и трудоемких задач. Точность их обычно бывает достаточной для большинства практических случаев, но там, где это необходимо, они могут быть дополнены несложными расчетами.

В гл. 1 рассматриваются общие положения кругогеометрической теории четырехполюсников, которая распространяется на все практически и теоретически возможные типы четырехполюсников. Некоторые характерные примеры применения этих общих положений теории приведены в § 18. В последующих главах рассматриваются конкретные, наиболее часто встречающиеся на практике элементы схем.