13.5. Реактивные элементы

ВОЛНОВОДНЫЕ ДИАФРАГМЫ

Диафрагмой называется тонкая металлическая пластинка в поперечной плоскости волновода, перекрывающая часть его сечения. Диафрагмы являются реактивными элементами, так как почти не вносят дополнительных активных потерь, но создают значительное местное поле за счет возбуждения нераспространяющихся волн. Поэтому они служат в качестзе отражающих элементов для согласования волноводов и волноводных устройств, в фильтрах свч и т. п.

Рассмотрим параметры основных типов диафрагм в прямоугольном волноводе при одномодовом режиме.

Емкостная диафрагма (рис. 13.10) имеет кромки, параллельные широкой стенке волновода.

Рис. 13.10

Дифракция набегающей волны на диафрагме приводит к появлению реактивного поля, в котором преобладает электрическая составляющая. Это объясняется тем, что в сечении диафрагмы высота волновода меньше, чем в его регулярной части, и напряженность электрического поля соответственно выше. Здесь нарушается баланс между электрической и

магнитной энергиями, существующий в бегущей волне; часть электромагнитного ноля волны преобразуется в реактивное электрическое поле диафрагмы. Поэтому на эквивалентной схеме диафрагма представлена емкостной (положительной) реактивной проводимостью. Ее нормированное значение, полученное аналитически:

где расстояние оси диафрагмы от нижней стенки. Для симметричной диафрагмы

Между диафрагмой и широкими стенками волновода необходим хороший электрический контакт, так как продольные токи с этих стенок переходят на диафрагму. При плохом контакте вносятся дополнительные потери. Емкостные диафрагмы применяются сравнительно редко, так как они уменьшают допустимую мощность, передаваемую по волноводу, создавая условия для возникновения пробоя в сечении диафрагмы.

Индуктивная диафрагма (рис. 13.11) имеет щель, параллельную узким стенкам волновода. Падающее на диафрагму электромагнитное поле создает в ней значительные токи, параллельные ее кромкам.

Рис. 13.11

Вследствие этого в реактивном поле преобладает магнитная составляющая, что эквивалентно включению в сечение диафрагмы шунтирующей индуктивности. Качество контакта с боковыми стенками несущественно и уменьшение мощности пробоя незначительно. Поэтому такие диафрагмы получили большее распространение; часто используются несимметричные диафрагмы в виде пластины с одной стороны волновода. Нормированная проводимость эквивалентного диафрагме индуктивного шунта:

где расстояние оси диафрагмы от узкой стенки волновода. Для симметричной диафрагмы и выражение в скобках (13.11) равно единице.

Формулы (13.10) и (13.11) получены теоретически для тонких диафрагм при некоторых упрощающих предположениях (обзор литературы см. в [36]). С увеличением толщины диафрагмы возрастает ее реактивность. В первом приближении толщину диафрагмы учитывают заменой в расчетных формулах на

В [35] приведена серия графиков, позволяющих рассчитать реактивность диафрагм при различной их толщине.

Резонансное окно (рис. 13.12) образуется приналожении емкостной и индуктивной диафрагм, оно эквивалентно параллельному контуру.

Рис. 13.12

На определенной частоте наступает резонанс, т. е. равенство электрической и магнитной реактивных энергий; волна беспрепятственно проходит через окно. Резонансные окна с припаянной диэлектрической пластиной образуют перегородку, необходимую для отделения вакуумной части в приборах свч. Вакуумноплотный спай образуется, например, между коваром и стеклом имеющим малые потери на свч [20].

Размеры окна для резонанса на данной частоте приближенно определяются из условия согласования основной волны; при этом считается, что одновременно достигается равновесие в реактивных шлях высших волн. Будем считать, что окно заполнено диэлектриком Из ф-лы (13.8), приравняв характеристические сопротивления волновода и диафрагмы, получим

Отсюда необходимо, чтобы резонансная частота диафрагмы определяется выражением:

Нагруженная добротность диафрагмы пропорциональна ее нор «ированным проводимостям т. е. отношению реактивной проводимости к активной характеристической проводимости волноводного тракта. С уменьшением отверстия диафрагмы добротность возрастает, не превышая обычно значений порядка так как энергия реактивного электромагнитного поля диафрагмы относительно невелика.

РЕАКТИВНЫЕ ШТЫРИ И СТЕРЖНИ

Одиночный металлический штырь, погруженный в волновод и соединенный с его стенкой (рис. 13.13), создает значительное реактивное поле за счет токов проводимости, наведенных

в нем набегающей волной. Активной мощности он почти не поглощает.

В какой-то мере он эквивалентен линии с волной ТЕМ, замкнутой с одной стороны и разомкнутой с другой. У основания штыря ток и окружающее его магнитное поле максимальны. Электрическое реактивное поле имеет наибольшие значения у конца штыря. Эквивалентная схема штыря представляет собой последовательное включение емкости и индуктивности.

Рис. 13.13

При длине штыря наступает резонанс и его реактивная проводимость (если не учитывать потери) становится бесконечной. Толстые штыри с имеют резонансную длину на 10-30% короче, чем

Штыри с имеют емкостную проводимость, так как в их реактивном поле преобладает электрическая энергия. Штыри с возбуждают преимущественно магнитное поле и эквивалентны шунтирующей индуктивности.

Эквивалентная реактивная проводимость штыря максимальна, когда он находится на оси волновода в максимуме поперечного поля, и при перемещении его в поперечной плоскости изменяется по закону т. е. соответствует изменению мощности волны, возбужденной излучающим штырем в волноводе [ф-ла (9.63)]. Другими словами, она пропорциональна квадрату напряженности электрического поля основной волны в том месте, где находится штырь.

В предельном случае стержень соединяет обе широкие стенки и его индуктивная проводимость

Формулы и графики для расчета реактивных штырей приведены в [23], [36].

СТЕРЖНЕВЫЕ ДИАФРАГМЫ

В волноводных резонаторах и фильтрах широко применяются индуктивные диафрагмы, состоящие из нескольких равноотстоящих металлических стержней в поперечной плоскости волновода (рис. 13.14). Реактивная проводимость диафрагмы увеличивается с ростом числа стержней и их диаметра. Эта проводимость не

равна сумме , вычисленных для одиночного штыря {ф-ла (13.13)], так как сильное взаимодействие между созданными ими полями не позволяет рассматривать стержни диафрагмы независимо. Теоретические формулы — и графики для расчета эквивалентной проводимости стержневых диафрагм имеются в [25] и [35].

Рис. 13.14

Рис. 13.15

В качестве примера один из таких графиков для нормированной проводимости трехстержневой диафрагмы приведен на рис. 13.14.

Во избежание непосредственного взаимодействия между двумя близлежащими диафрагмами необходимо, чтобы реактивное поле диафрагмы быстро уменьшалось по длине волновода. В соответствии с ф-лой (9.67) коэффициент ослабления этого поля пропорционален соответствующей нераспространяющейся волны. Важно поэтому, чтобы диафрагма возбуждала типов волн с малыми индексами относительно низкой критической частотой.

Покажем, что ближайшей возбуждаемой волной для диафрагмы с равноотстоящими стержнями является Действительно, основная волна типа набегающая на диафрагму, создает в ее стержнях электрические токи, разномерные по оси у, величина которых пропорциональна на оси стержня (рис. 13.15). Эти токи являются сторонними для волн высшего порядка. Легко усмотреть из симметрии системы, что волиы типов (если не могут возбуждаться, так как у них электрическое поле знакоперемеяно оси у. Из сравнения эпюр поля ряда волн типа о видно, что одиночный стержень на оси волновода возбудит все волны с нечетными (первая из них типа Валны с четными индексами имеют антисимметричное поле Е и не возбуждаются при любом числе стержней. При двух стержнях первой возбуждается эолна типа при трех— волна типа

КОРОТКОЗАМЫКАЮЩИЕ ПОРШНИ

В том случае, если длину короткозамкнутого отрезка линии или волновода нужно регулировать, на их конце устанавливают поршень. должен отражать всю падающую на него волну. Поршни

применяются для настройки объемных и коаксиальных резонаторов, согласования возбудителей и т. п.

Основные требования к поршню; минимальные потери в контактах, не изменяющиеся при его перемещении; отсутствие искрения в контактах; стабильность работы во времени и при изменении температуры; постоянство положения плоскости отражения волны (плоскости короткого замыкания) относительно поршня.

Простейший контактный поршень в виде поперечной металлической пластины, соответствующей по форме и размерам поперечному сечению волновода, не удовлетворяет поставленным требованиям даже при изготовлении с весьма жесткими допусками.

Лучше работает поршень с упругими контактными лепестками (рис. 13.16 а). Точка контакта перенесена на расстояние от плоскости короткого замыкания в узел тока стоячей волны.

Рис. 13.16

Недостатки этого поршня: непостоянство сопротивления контакта при перемещении поршня, постепенное изнашивание контактных лепестков, искрение при большой мощности.

Чаще применяют дроссельные поршни (рис. 13.166), в которых контакт перенесен на расстояние за плоскость Небольшая часть падающей волны проникает в узкие зазоры между поршнем и наружной стенкой (рассматриваемые как ленточные линии) и отражается от конца лабиринта длиной что обеспечивает ее синфазность с волной, отраженной от самого поршня. Электрический контакт находится в узле тока, и его качество поэтому не очень существенно.

На рис. 13.16в показан бесконтактный поршень в коаксиальной линии, действие которого основано на принципе трансформации сопротивлений. Характеристическое сопротивление линии за сечением Входное сопротивление четвертьволнового участка в сечении К согласно Предположим, что Ом, а диаметр внутреннего проводника Зазор

между стенкой и поршнем образуется тонкой пленкой окисла на поршне, например оксидной пленкой на алюминии толщиной около Тогда, с учетом обоих коаксиальных зазоров, характеристическое сопротивление на участке Ом, сопротивление в сечении и коэффициент отражения на расчетной частоте Пленка окисла выдерживает напряжение порядка поэтому использование такого поршня в контурах триодных генераторов и усилителей свч дает возможность подавать разные постоянные потенциалы на электроды лампы.

Трансформирующий поршень (рис. имеет три участка с разными характеристическими сопротивлениями. Легко рассчитать входное сопротивление такого поршня: Очевидно, малыми должны быть наоборот, желательно сделать большими.

Хорошо выполненные поршни обеспечивают коэффициент отражения более 99% и даже 99,9%. Недостаток всех описанных поршней — зависимость модуля и фазы коэффициента отражения от частоты. Обычно полоса частот, где дроссельные поршни работают удовлетворительно, не превышает 10-20%.