10.6.2. Практические варианты

На практике возникает необходимость в рассмотрении более сложных задач, чем задачи с простой спиралью [194]. Например, было рассмотрено [120] влияние диэлектрика в случае спиральной опоры для коаксиальной линии, однако большинство работ [181, 220, 227, 275, 286, 311] посвящено определению влияния непрерывной оболочки на характеристики металлической спирали. В обстоятельном исследовании Тьена [300] показано, что фазовая скорость и импеданс связи уменьшаются за счет коэффициента диэлектрической нагрузки. Этот коэффициент обычно имеет значения от 0,2 до 0,8 и может быть увеличен, если спираль закрепляется посредством трубок или уголков так, что основная масса диэлектрика удаляется от поверхности спирали.

Анализ модели в виде анизотропной цилиндрической поверхности показывает [299], что при определенных условиях небольшое количество диэлектрика может уменьшить дисперсию спирали. Экспериментальные данные о затухании в свободных спиралях и в спиралях с различными типами диэлектрических опор приведены в работе [234]. Исследования проводились в диапазоне частот для спиралей с диаметрами см при отношениях длины провода к длине спирали от 13 до 23. Было найдено, что затухание в спирали зависит от материала и линейно возрастает с увеличением частоты, причем зависимость имеет тупой максимум при отношении диаметра провода к шагу спирали, равному В табл. 10.1 даны значения коэффициентов затухания на частоте для спиралей с шагом 16 витков/см, внешним радиусом 0,375 см и внутренним радиусом диаметр провода был равен 0,028 см. Из приведенных результатов

видно, что опоры в виде ребристых трубок или подобные им лишь незначительно увеличивают затухание в спирали.

Таблица 10.1 Коэффициент затухания в спиралях с опорами

Были изучены и более сложные среды, такие, как поглощающие пленки [193, 336] и полупроводники [289]. Представляют интерес также ферриты [44, 276], поскольку потери в них могут быть невзаимными по направлению. Было рассмотрено распространение волн вдоль спирали, окруженной ферритовой оболочкой, которая при круговом намагничивании обладает невзаимными свойствами [298]; рассмотрение проводилось на плоской модели.

Изучены свойства спирали с внутренним коаксиальным проводником, хотя внешний металлический экран [11, 180, 248, 270, 277, 335] оказывает более существенное влияние, поскольку он препятствует излучению из спирали. В тех случаях, когда поля быстро затухают в радиальном направлении, влияние внешнего экрана невелико, если только он не расположен слишком близко к спирали или частота не слишком низка. Для видов волн, у которых распределение поля имеет осциллирующий характер [292], аналогичный распределению в передающей линии с емкостными нагрузками (рис. 10.4). Для таких «исключительных» областей плоскости картина полей похожа на возмущенные ТЕ и ТМ волны в коаксиальной линии и круглом волноводе [27, 28].

Система из нескольких сдвинутых вдоль оси коаксиальных спиралей с одинаковым шагом и радиусом образует многозаходную спираль [153, 284]. Кривые на рис. 10.27, 6 будут справедливы и для этого случая, если значения... на оси абсцисс и на оси ординат умножить на где число проводников. В зависимости от значения N некоторые из пространственных гармоник будут отсутствовать.

Много исследований посвящено бифилярной спирали [103, 104, 184, 209]. На низких частотах в ней возможна волна особого типа, которая аналогична волне ТЕМ в двухпроводной линии. В любой поперечной плоскости высокочастотные токи на обоих проводниках могут быть либо в фазе, либо в противофазе. В первом случае будут отсутствовать нечетные гармоники и на рис. 10.27, 6 не будет ветви и части ветви идущей вдоль границы

запрещенной области. Ветвь и оставшаяся часть ветви соединяется вместе, проходя через исчезнувшую запрещенную область. В случае противоположной фазы исчезнут четные пространственные гармоники. В обоих случаях можно уменьшить мощность, переносимую нежелательными гармониками, и повысить импеданс взаимодействия нужных волн [333]. Бифилярная спираль была особо тщательно изучена 331 в режиме обратной волны; при противофазных колебаниях бифилярная спираль имеет значительно больший импеданс связи [301], чем простая спираль. Имеются расчеты многозаходных спиралей для N = 4 и N = 8 [43].

Рис. 10.28. Спирали со встречной намоткой: а — двойная ленточная спираль; б - видоизмененная структура; в — частотные характеристики спиралей с и различными значениями (см. [31]).

При увеличении шага и диаметра простой спирали импеданс связи основной волны уменьшается [300, 301], а импеданс пространственной гармоники возрастает. На практике такой эффект нежелателен, но его можно устранить, если использовать встречно намотанную спираль [56], которая, как показано на рис. 10.28, а, имеет две ленты, намотанные в противоположных направлениях. Другой метод, состоящий в пространственном изгибании спирали, как показано на рис. 10.28, б, удобен простотой конструкции. Оба способа применимы как для простой, так и для многозаходной спиралей. В таких спиралях могут распространяться два вида волн, обозначаемые как симметричный и несимметричный. Их можно рассматривать как результат комбинации волн в одиночной спирали с различными фазами. В первом случае волны одиночных спиралей складываются в фазе, а во втором — в противофазе. В волне симметричного типа, которая только и будет рассматриваться в дальнейшем, продольные составляющие электрического поля складываются, а полное продольное магнитное поле и связанная с ним запасенная энергия равны нулю. Таким образом, так как часть ТЕ в основной волне отсутствует, то в ТЕ части полного поля должна содержаться большая часть энергии пространственных

гармоник высшего порядка. Отсюда вытекает, что продольные компоненты электрического поля высших пространственных гармоник будут малы, и, следовательно, будет мал импеданс взаимодействия обратных волн. Выражения для полей будут содержать экспоненциальный множитель вида

причем

что аналогично системе пространственных гармоник для простой спирали, если опустить На рис. 10.28, в дан график зависимости от Р для двух образцов двойных спиралей с параметрами соответственно и 10. Запрещенные области здесь те же, что и для одиночной спирали, но кривая для имеет две ветви, кривая для пять ветвей, из которых на рисунке показаны лишь три. Измерения, проведенные для спирали со встречной намоткой [31, 225], показали, что ее импеданс связи для основной волны приблизительно в два раза больше, а для пространственной гармоники в 20 раз меньше, чем импеданс простой спирали. Рассчет дисперсионных характеристик показал, что дисперсия фазовых скоростей у первой спирали оказывается большей, чем у второй.

Были разработаны многочисленные практические конструкции спиралей [87, 101] для применения в диапазоне сверхвысоких частот. Как типичный пример можно привести тот факт, что спираль из медного провода диаметром с шагом намотки и ее диаметром будет иметь продольную скорость 0,1 с, затухание импеданс связи около 500 ом. Для возможности практического применения спиралей требуется измерение [221] их основных параметров, а также конструирование широкополосных переходных устройств для связи с коаксиальными линиями и волноводами. В экспериментах [334] с такими устройствами для получения надежного подвижного короткого замыкания применяется ртуть. Для связи с коаксиальной линией [203, 340] спираль соединяется с внутренним проводником, а внешний проводник несколько перекрывает спираль, экранируя ее. Следует также учитывать отражения, вызываемые изменениями шага спирали [238]. Спираль в виде ломаной линии [151] имеет свойства, аналогичные свойствам спирали с круглым сечением.

В любом сечении можно осуществить связь со спиралью [73, 136], если вокруг нее намотать дополнительную концентрическую спираль. Сильная связь получается, если спирали обладают почти одинаковыми скоростями распространения волн в несвязанном состоянии и намотаны в противоположных направлениях. Эти переходы напоминают направленные ответвители, и в них также можно применять либо плавно спадающее, либо ступенчатое распределение связи; полная передача мощности происходит на участке спирали,

равном примерно одной длине волны в спирали Связанные спирали не нмекм непосредственного соединения, и поэтому входная или выходная цепь может располагаться вне устройства, содержащего основную спираль. наличии диэлектрика или электронного пучка условия связи видоизменяются [323], поэтому были разработаны треугольные и полукруглые специальные спирали [14]. Типичный спиральный ответвитель на частотах имеет отношение диаметров спиралей 2,7, входной порядка 1,3 и направленностьпорядка 4 дб ]. Поскольку такое большое отношение диаметров спиралей затрудняет согласование, была предложена и испытана [215] конструкция с третьей спиралью, которая расположена между двумя основными и имеет по отношению к ним обратную намотку.

Спиральную структуру можно также получить путем изгибания прямоугольного волновода [135]. Для анализа [325, 326, 366] такого устройства была рассмотрена задача о волноводе, изогнутом по окружности, причем предполагалось, что точки, различающиеся на угол не совпадают, а принадлежат различным виткам спирали. В том случае, когда широкая стенка волновода была перпендикулярна оси спирали, считалось, что в нем распространяется волна вида если же в таком положении находилась узкая стенка, то говорилось о распространении волн вида Такая структура при отношении радиусов порядка обладает сильной дисперсией 162]. Лучшие результаты получаются, если между витками имеется связь, как, например, в предельном случае коаксиальной линии со спиральными канавками на одном или обоих проводниках. Свойства такой структуры сходны со свойствами линии, нагруженной ребрами, если учесть, что распространение происходит как в осевом, так и в азимутальном направлениях. Дальнейшая модификация структуры может состоять в удалении центрального проводника, в результате чего получается открытый спиральный волновод, имеющий низкую предельную частоту.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)