2.5. УПЛОТНЕНИЕ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ

2.5.1. Волноводные системы

Передающие линии СВЧ должны быть герметизированы, для того чтобы предохранить систему от грязи, влаги, а в тропическом климате — от плесени и насекомых, т. е. от всего того, что приводит к увеличению затухания и к снижению допустимой мощности.

Герметизация дает возможность поддерживать нужное рабочее внутреннее давление, что позволяет избежать пробоя или коронного разряда. Она обеспечивает также работу различных устройств в условиях низкого давления или высокого вакуума.

Простейшее уплотнение или уплотняющее окно состоит из нерезонансной тонкой полоски из диэлектрического материала. Для хорошей механической прочности в волноводах часто используется слюда [112]. Применяются также тонкие полистироловые и тефлоновые пленки. Влияние, обусловленное неоднородностью в осевом направлении, сводится к минимуму благодаря тому, что пленка вставляется между плоским и дроссельным фланцами. Если волновод на дальнем конце от уплотняющего окна нагружен на согласованную нагрузку, То нормированное полное сопротивление со стороны диэлектрика будет [146]

где относятся к материалу уплотняющего окна. Уплотняющее окно действует подобно последовательному емкостному сопротивлению, которое очень мало изменяется с изменением рабочей длины волны. В другом типе нерезонансного уплотняющего окна [13] используется волновое сопротивление волновода с колебаниями типа ТМ, заполненного диэлектриком:

Если построить зависимость для различных величин то окажется, что любые две кривые пересекаются. Отсюда следует, что волновые сопротивления двух волноводов одинакового поперечного сечения, которые заполнены различными диэлектриками и в которых распространяются одинаковые колебания типа ТМ, могут быть сделаны при некоторой длине волны одинаковыми. Это условие выдерживается, если один волновод заполнен воздухом, когда

Такие плоские диэлектрические уплотняющие окна, применяемые в волноводах с колебаниями вида ТМ, могут быть использованы вместе с соответствующими переходами для волноводов с колебаниями вида ТЕ.

Повышенная механическая прочность достигается при наличии полуволновой вставки из диэлектрика с малыми потерями. Более широкая рабочая полоса получается со вставкой Т-образной формы длиной Центральная диэлектрическая секция целиком заполняет волновод и обеспечивает герметизацию, а четвертьволновые ступеньки обеспечивают согласование между волноводом,

заполненным диэлектриком, и волноводом с воздушным заполнением. Для работы на частоте было сконструировано керамическое ступенчатое уплотняющее окно [85]. Для получения уплотнения при высоком давлении и одновременно для согласования были применены два конических монокристалла сапфира с малыми выступающими концами [103]. КСВН в полосе —2% относительно частоты 24 Ггц оказался меньше 1,05, уплотняющее окно успешно выдерживало разницу давлений в 104 атм.

Достаточно хорошее уплотнение состоит из полоски диэлектрика с малыми потерями соответствующей толщины, укрепленной в резонансном держателе. Держатель связан с сосредоточенной параллельной реактивной проводимостью, которая устраняет рассогласование, вызываемое диэлектрической пластиной. В прямоугольном волноводе держатель может быть выполнен в виде металлической пластины с надлежащим образом выбранными размерами входного окна круглой или прямоугольной формы. Обычно в качестве диэлектрика берется один из видов стекла с малыми потерями, которое может быть легко спаяно с металлом, хотя также применяются и различные виды керамики [64, 127, 144]. Как правило, дроссельные соединения монтируются с одной стороны пластины, и КСВН в этом случае в полосе частот может быть лучше чем 1,05. Было разработано несколько конструкций резонансных окон [47, 55], в том числе и широкополосные конструкции [74, 78, 266]. Путем включения параллельной реактивной проводимости на фиксированном расстоянии с одной стороны от резонансного окна были получены очень широкополосные характеристики [31, 32]. Используя керамику из форстеритовой (forsterite) смеси, получили КСВН меньше чем 1,08 в полосе частот Многие конструкции предназначены для работы на высоких уровнях мощности [104]; следует принимать специальные меры против возбуждения колебаний высших видов, которые стремятся возникнуть вблизи резонансного окна.

Для того чтобы увеличить допустимую мощность, давление внутри волноводов часто повышают до и более. Волноводная прямоугольная труба плохо выдерживает перепады давления; вызываемые искажения в типичном случае показаны на рис. 2.22 в утрированном виде. Прогиб стенок можно рассчитать в предположении, что стенка ведет себя как равномерно нагруженная балка, закрепленная на одном конце; момент инерции волновода длиной (1 дюйм) равен Если разность давлений, прогиб центра определяется суммой прогибов, обусловленных давлением на стенку и изгибающим моментом на углах. Вэджил [177] определяет этот полный прогиб как

Если подставить вместо а в формулу (2.37), то получится прогиб по узкой стенке. Если разность давлений слишком велика,

напряжение в стенках превышает предел упругости, и в результате появляется остаточная деформация.

Эта внешняя деформация приводит к небольшому изменению волнового сопротивления волновода, ноне вызывает заметного рассогласования, так как деформация значительно уменьшается вблизи соединительных фланцев, где, конечно, ее влияние было бы наиболее ощутимым. Однако эта деформация вызывает изгибающий момент, который приводит к прогибу вовнутрь по узким стенкам. Это означает, что резонансный размер и, следовательно, длина волны в волноводе изменяются, что может приводить к значительным искажениям, когда в данной передающей Линии важны фазовые соотношения.

Рис. 2.22. Деформация волновода от избыточного внутреннего давления. Изгибающий момент М вызывает деформацию на узких стейках, направленную вовнутрь волновода.

Неопубликованная экспериментальная работа Джеймса (W. J. James) подтверждает, что величина изменения фазы определяется этой теорией искажения. Так как часто волновод после пайки отжигается, то даже небольшие перепады давления влияют на работу узла. Для волноводов с поперечными сечениями и типичными предельными величинами давления являются соответственно Уравнение (2.37) дает ключ к уменьшению этого искажения. Модуль упругости может быть увеличен, если применять такие материалы, как нержавеющая сталь, причем для сохранения хорошей проводимости изнутри делается покрытие из серебра или меди. Жесткость волновода может быть искусственно увеличена внешними скобками, хотя найдено, что эти скобки должны быть расположены очень близко друг к другу, чтобы искажение не увеличивалось больше установленных пределов. Может быть увеличена толщина стенки волновода; так, для волновода с поперечным сечением увеличение толщины стенки от

2,03 до значительно уменьшает искажение.

Совершенно другой подход состоит в том, что прямоугольный волновод окружается кожухом, внутри которого поддерживается давление такой же величины как и в волноводе. Разность давлений прикладывается теперь к кожуху, форма которого наиболее

пригодна для предотвращения искажения и, конечно, не оказывает никакого электрического влияния на волноводную систему. Стенка волновода может быть изготовлена из двух тонких металлических полосок, между которыми помещается сердечник, выполненный в виде сот; жесткость в этом случае увеличивается примерно в 20 раз. Механические деформации могут также появляться и в акустических полях большой напряженности, в результате передаваемый сигнал будет модулироваться по фазе. Этот микрофонный эффект проявляется вплоть до звуковых частот; эксперименты [224] показывают, что он может быть уменьшен, если подобрать соответствующим образом толщину стенки или покрыть все внешние поверхности поглощающим материалом.