13.4. Сочленения и изгибы волноводов

СОЕДИНЕНИЕ ВОЛНОВОДОВ РАЗНЫХ РАЗМЕРОВ

Коэффициент отражения от такого стыка (рис. 13.5) удобно рассчитывать, как в коаксиальных линиях, по характеристическим сопротивлениям соединяемых волноводов в соответствии с (8.54).

Рис. 13.5

Однако понятие характеристического сопротивления применимо к полому волноводу лишь условно, так как напряжение и ток в нем, по существу, неопределимы. Считаем, что напряжение волны типа равно разности потенциалов между двумя точками, лежащими посредине верхней и нижней стенок волновода где определяется ф-лой (9.24). Введем: теперь характеристическое сопротивление как отношение квадрата напряжения к передаваемой мощности :

Другие формулы для определения характеристического сопротивления отличаются от (13.8) постоянным коэффициентом, близким к единице. Для расчета коэффициента отражения имеет значение лишь отношение характеристических сопротивлений, которое в соответствии с более точным анализом записывается в виде [35]:

При небольших уступах «а узкой стенке сомножитель в фигурной скобке близок к единице, и выражение (13.9) сводится к (13.8).

На уступах в плоскости сочленения возникают токи и заряды, создающие местные реактивные поля, что приводит к дополнительным отражениям. Эти поля эквивалентны шунтирующим реактивным проводимостям, как показано на рис. 13.1. Расчетные графики для указанных проводимостей можно найти в справочниках [35]. Если на стыке прямоугольных волноводов одновременно увеличиваются (или уменьшаются) оба размера а и то условие резонанса реактивных проводимостей, приводящего к их взаимной компенсации, совпадает с условием равенства характеристических

сопротивлений по (13.8), (13.9). Как общее правило следует принять, что изменение размеров волновода на стьже не должно превышать и что симметричные сочленения предпочтительнее асимметричных.

СОЧЛЕНЕНИЯ ВОЛНОВОДОВ С ОДИНАКОВЫМИ НОМИНАЛЬНЫМИ РАЗМЕРАМИ

Длинные тракты из жестких волноводов для удобства производства и монтажа изготавливаются из отдельных волноводных секций, которые соединяются при помощи фланцев. Конструкция стыка должна иметь хороший электрический контакт по (внутреннему периметру волноводов для пропускания поверхностных токов, величина которых достигает 100 А/см. Сочленение, должно быть механически прочным и, как правило, герметичным.

Контактное соединение достигается с помощью плоских фланцев, изготовленных с высокой точшостью. Для улучшения качества контакта применяют мягкие прокладки: медно-асбестовую, медную, алюминиевую, иногда прокладку покрывают слоем индия, образующим хорошее несварное соединение. Используется также бронзовая рассеченная прокладка с упругими зубцами, разведенными, как пилы (рис. 13.6).

Рис. 13.6

Для герметизации применяют прокладку из специальной резины. Контактное соединение обеспечивает хорошее согласование волноводов: коэффициент отражения во всей частотной полосе. Для этого необходимо выдерживать внутренние размеры волноводов с точностью 0,2%, боковое смещение соединяемых секций не должно превышать 1%, взаимный поворот — 2°. На любом уступе в месте соединения возникают реактивные поля, которые ухудшают согласование. Чтобы обеспечить точное совпадение волноводов, во фланцах предусматривают дополнительные отверстия и шпильки Контактные соединения относительно дороги, а их качество существенно ухудшается после щескольких повторных сборок, поэтому их применяют в неразборных волноводных трактах.

Дроссельное соединение (рис. 13.7) основано (на использовании особенностей структуры поверхностных токов волны

типа На узких стенках токи поперечны и здесь щель между секциями, параллельная токам, не препятствует прохождению волны. На широких стенках токи имеют продольную составляющую, вместо непосредственного электрического контакта дроссельное соединение создает в плоскости Е (параллельной вектору Е в волноводе) отрезок короткозамкнутой ленточной линии -образной формы длиной входное сопротивление которого близко к нулю. Первый его участок длиной образован фланцами двух соединяемых волноводов с зазором а второй представляет кольцевую канавку в правом фланце (иногда эту канавку заменяют двумя прямыми канавками, параллельными широким стенкам волновода, чем достигается постоянство длины вертикального отрезка -образной линии по ее сечению). Электрический контакт между секциями перенесен на расстояние от конца линии, в узел тока, поэтому качество контакта не играет существенной роли; допустйм даже небольшой зазор в этом сечении.

Рис. 13.7

Нагрузкой для волноводной секции с характеристическим сопротивлением является последовательное соединение второго такого же волновода и входных сопротивлений двух ленточных линий (аналогичных несимметричной полосковой, но с равной шириной обоих проводников); характеристическое сопротивление такой линии Очевидно требование иметь минимальное значение в полосе частот, что достигается выбором возможно меньшего зазора следовательно,

Лучший результат получается при использовании линии, составленной из двух четвертьволновых отрезков с разными характеристическими сопротивлениями. Если то что увеличивает в 2—3 раза на тех же частотах входное сопротивление четвертьволнового короткозамкнутого отрезка в сечении контакта Это сопротивление является нагрузкой для первого четвертьволнового отрезка, входное сопротивление которого в плоскости стенок волновода уменьшается. Конкретные расчеты несложно провести с помощью круговой диаграммы сопротивлений (рис. 8.18). Хорошо выполненное дроссельное соединение обеспечивает коэффициент отражения в полосе частот порядка

Дроссельное соединение допускает меньшую то сравнению с контактным точность изготовления волноводов, не столь

чувствительно к взаимным смещениям волноводных секций (хотя при значительных смещениях сложные резонансы в ленточных линиях приводят к резкому увеличению отражения от стыка) и поэтому оно более дешево. Многократная разборка и сборка почти не увеличивает коэффициента отражения от соединения.

Аналогично описанным конструируются контактные и дроссельные соединения для круглых волноводов и коаксиальных линий,

ВОЛНОВОДНЫЕ ИЗГИБЫ И СКРУТКИ

При выполнении фидерных систем приходится изгибать волновод под различными углами. Резкий изгиб, например на 90°, приводит к недопустимо большим отражениям. Простейшим способом уменьшения отражений является создание вместо одной двух плоскостей отражений с интервалом между ними. Этим достигается взаимная компенсация отражений в некоторой полосе частот, которая тем шире, чем меньше коэффициент отражения от каждого сечения. Для -изгиба траектория движения волны заметно смещается от геометрической оси волиовода к внутреннему углу, что приводит к несколько большим оптимальным геометрическим расстояниям между плоскостями отражений. На рис. 13.8а, показан скос внешнего угла для -изгибов.

Рис. 13.8

Несколько лучшие результаты дает двойнойизлом (рис. 13.8в), у которого величина отражений от каждой из плоскостей меньше, чем в первом случае.

Плавные изгибы с радиусом кривизны несколько более громоздки, но обеспечивают хорошее согласование (рис. 13.8 г). Отражения получаются в сечениях где меняется кривизна волновода. Можно показать, что коэффициенты отражений в этих сечениях противоположны по знаку; это связано с тем, что в первом сечении кривизна волновода увеличивается скачком от а во втором уменьшается на ту же величину. Поэтому наилучшее согласование получается при длине волновода между этим» сечениями где что обеспечивает разность хода отраженных волн, кратную А, и их противофазное сложение.

К изгибам применимы методы широкополосного согласования, которые будут изучаться в следующей главе. Коэффициент отражения от излома на угол

где Поэтому, например, разбивка поворота на три излома, у которых коэффициенты отражения меняются по биномиальному закону позволяет получить хорошее согласование в -процентной полосе частот. Аналогичный метод применим к плавному повороту: скачки в изменении кривизны от до и обратно, разбиваются на несколько скачков меньшей величины, выбранных по оптимальному закону.

Для изменения плоскости поляризации применяют скрутку волновода по оси (рис. 13.9). Если при выполнении скрутки волновод не деформируется, удовлетворительные результаты получаются при длине скрутки, большей Как и при изгибе, желательна длина скрутки, кратная полуволне.

Рис. 13.9