13.6. Неотражающие устройства

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Имеются устройства, которые преобразуют определенным образом параметры проходящей волны, обладая в то же время малым коэффициентом отражения; последнее весьма существенно, так как обеспечивает сохранение режима бегущей волны в линии или волноводе. Во многих из них используется пластина с малой площадью поперечного сечения по сравнению с сечением волновода (рис. 13.17), что снижает коэффициент отражения Дополнительно отражения уменьшают, заостряя концы пластины (рис. 13.18а), выполняя их в виде ласточкиного хвоста (рис. 13.186), либо снабжая их четвертьволновыми ступеньками (рис. С этой же целью поддерживающие диэлектрические стержни (ДС) располагают на расстоянии друг от друга. Благодаря малым отражениям работу этих устройств, можно проанализировать с помощью метода возмущений (параграф 13.2).

Рис. 13.17

К числу неотражающих устройств относится диэлектрический фазовращатель. Функцией фазовращателя является создание

регулируемой разности фаз волны между его входом и выходом.

Рассмотрим фазовращатель, состоящий из продольной диэлектрической пластины с малыми потерями (фторопласт, кварц), расположенной параллельно линиям электрического поля в волноводе (рис. 13.17) и уменьшающей фазовую скорость волны.

Рис. 13.18

Используем основную формулу метода возмущений (13.7), считая потери в пластине и стенках волновода несущественными; тогда фазовые коэффициенты — в возмущенном и невозмущеином волноводах). Если то под интегралом в (13.7) остается лишь первое слагаемое. Единственная при волне типа электрическая составляющая поля параллельна границе «пластина — воздух» и поэтому не меняется при переходе через границу. Полагая, что эта составляющая не меняется также внесении пластины, определим ее из ф-л (9.24), (9.29). для нормированной по мощности волны

Подстановка этого соотношения в ф-лу (13.7) и интегрирование с учетом приводит к формуле для разности фазовых коэффициентов:

где Как и следовало ожидать, пластина вызывает наибольшее замедление волны находясь посередине волновода. Фазовый сдвиг в описанном фазовращателе зависит, прежде всего, от положения пластинки но меняется также с частотой, так как в (13.14) входит множитель На длине фаза изменяется на угол

ПОГЛОЩАЮЩИЙ АТТЕНЮАТОР

Аттенюатор служит для уменьшения мощности волны в опреде ленном отношении. В поглощающем аттенюаторе избыток мощности поглощается и превращается в тепло. Это свойство отличает его от запредельного аттенюатора (параграф 9.9), в котором непрошедшая часть волны отражается.

Для создания поглощения в тракте применяется пластина из поглощающего материала с комплексной диэлектрической проницаемостью Тогда (неизменные потери в стенках волновода не учитываем). По ф-ле (13.7) находим:

Мнимая часть этого выражения вычислена в (13.14), Определим теперь коэффициент затухания:

Ослабление волны в аттенюаторе В переменном аттенюаторе ослабление должно регулироваться. В аттенюаторе с боковым движением пластинки, как показано на рис. 13.17, изменяется В ножевом аттенюаторе пластину вводят внутрь волновода через продольную щель на оси широкой стенки, здесь меняется высота вводимой пластины, т. е. Недостатком обеих конструкций является изменение фазового сдвига при регулировке величины затухания.

ОКОНЕЧНЫЕ НАГРУЗКИ

Для полного поглощения распространяющейся по волноводу волны служат оконечные нагрузки. Нагрузкой может (служить аттенюатор, закороченный с одного конца (рис. 13.19а). Суммарное затухание волны на пути до замкнутого конца и обратно равно его величина может быть выбрана любой. Важно также максимально уменьшить отражение от входа в нагрузку.

Рис. 13.19

На рис. 13.196 показана прецизионная нагрузка с использованием металлизированных стеклянных пластин, которая, дает коэффициент отражения менее

0,1% в -процентной полосе частот (при Пластины вводятся постепенно от стенок к оси волновода; кроме того, предусмотрен четвертьволновый сдвиг между их концами.

Поперечная пластина (рис. 13.19в) с тонкой металлической пленкой и точным значением поверхностного сопротивления равным волновому

сопротивлению основной волны позволяет получить коэффициент отражения порядка 5%.

Для поглощения мощности высокого уровня используются аттенюаторы и нагрузки из металлокерамики, в состав которых входит тонкий порошок железа. Хороший теплоотвод обеспечивается аттенюаторами в виде волноводных секций с высоким поверхностным сопротивлением стенок. Для улучшения охлаждения наружные стенки волновода делаются ребристыми, окрашиваются в черный цвет. Используется также принудительное охлаждение струей воздуха или циркулирующей водой.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Четвертьволновая пластина. Продольная диэлектрическая пластина с малыми потерями в круглом волноводе с волной типа Ни (рис. 13.20) создает фазовый сдвиг для волны, поляризованной параллельно плоскости пластины по сравнению с волной, поляризованной перпендикулярной ей

Его величину можно рассчитать, пользуясь методом возмущений. Если опережает на четверть длины волны, то и пластина называется четвертьволновой. Рассмотрим действие такой пластины на волну с произвольной поляризацией, которую (на входе поляризатора) представим в виде суммы

Рис. 13.20

На его выходе, помимо одинакового для обеих волн фазового сдвига, который здесь не выписывается, следует учесть опережающую на 90° фазу волны Тогда

Рассмотрим важнейшие частные случаи:

1. На входе четвертьволновой пластины волна линейно поляризована по оси пластина повернута к этой оси на угол Следовательно, Согласно на выходе поляризатора

Пусть тогда на выходе получается волна с правой круговой поляризацией (см. параграф 3.8). Если то представляет собой волну с левой круговой, поляризацией. При других значениях

на выходе получается волна с эллиптической поляризацией, вырождающейся в линейную при и 90°.

2. На входе пластины волна с правой круговой поляризацией тогда по ф-ле (13.17) волна на выходе Евых оказывается линейно поляризованной под углом 45° к плоскости пластины (по оси у при на рис. 13.20). Волна с левой круговой поляризацией на выходе оказывается поляризованной под углом к плоскости пластины (по оси Таким образом, четвертьволновая пластина служит преобразователем вида поляризации волны в волноводе.

Полуволновая пластина имеет в два раза большую длину чем четвертьволновая, так что в результате волна опережает волну на Вместо для волны на выходе запишем:

Легко установить важнейшие свойства такой пластины:

1. Волна, которая на входе поляризатора поляризована по кругу, меняет на его выходе направление вращения на обратное и, кроме постоянного фазового сдвига, получает дополнительный сдвиг на зависящий от положения пластины.

2 Волна с линейной поляризацией поворачивается на выходе пластины на угол где угол поворота плоскости пластины относительно оси х.

Прецизионный фазовращатель состоит из трех поляризующих пластин (рис. 13.21а), помещенных в круглый волновод.

Рис. 13.21

Фаза волны на его выходе точно соответствует углу поворота оси центральной полуволновой пластины. Неподвижные четвертьволновые пластины повернуты на угол к оси х, вдоль которой поляризованы входящая и выходящая волны. Рассмотрим работу этого фазовращателя, не учитывая постоянного фазового сдвига, определяемого его полной длиной. На его вход подается волна Волна на выходе четвертьволновой пластины [см. следствие имеет левую круговую поляризацию. Здесь орты и соответственно параллельны и перпендикулярны плоскостям четвертьволновых пластин Запишем эту же волну в координатах, связанных с подвижной полуволновой пластиной В, т. е. через орты повернутые относительно первоначальных на угол Поворот к новым координатам совершается против направления вращения волны, поэтому в новых координатах фаза волны с круговой поляризацией больше, чем в старых, на величину, равную углу поворота: Полуволновая пластина в соответствии с ф-лами (13.16) и (13.18) преобразует волну с левой круговой поляризацией в волну с правой поляризацией, меняя знак перед слагаемым, содержащим на обратный: Далее следует перейти к координатам, связанным с пластиной С, повернутой относительно пластины В на угол против направления вращения волны (оно сменилось на обратное). Этот переход снова приводит такому же приращению фазы Волна проходит четвертьволновую пластину соответствии с ф-лами (13.16), (13.17) преобразуется к виду: Она становится линейно поляризованной вдоль первоначальной оси х и приобретает регулируемый фазовый сдвиг, равный двойному углу поворота пластины В. Такой фазовращатель является эталонным, не требующим градуировки.