ГЛАВА 3. ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПЕЙ И УЗЛЫ

3.1. ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПЕЙ

3.1.1. Неоднородности

Если в волновод введена неоднородность, то первичное поле близ нее искажается [196]. Новое поле разлагается на падающую волну, две рассеянные волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, и ряд быстро затухающих колебаний высших видов. Благодаря запасу энергии в этих высших видах колебаний неоднородность ведет себя как реактивная проводимость или как реактивное сопротивление. Неоднородность эквивалентна емкости или индуктивности в зависимости от того, превышает ли энергия, запасенная электрическим полем, ту энергию, которая запасена магнитным полем. В случае равенства этих энергий возникает резонанс. Рассеяние симметрично, если электрические поля в двух рассеянных волнах имеют одну и ту же величину и направление, антисимметрично, когда волны противофазны, но равны их амплитуды, и несимметрично, если не равны фазы и амплитуды или те и другие.

Влияние неоднородности в волноводе может быть учтено с помощью эквивалентной схемы [9, 96, 107, 194, 195] из сосредоточенных постоянных. Это можно выполнить на любой фиксированной частоте, но, вообще говоря, с изменением частоты параметры эквивалентной схемы будут меняться. Эквивалентная схема зависит также от того, какие плоскости в волноводе выбраны в качестве плоскостей отсчета (референсных плоскостей).

Если продольные размеры неоднородности малы по сравнению с длиной волны, то можно использовать эквивалентную схему в виде параллельно присоединенной реактивности, включенной непосредственно в месте расположения неоднородности. В том случае,

когда толщина неоднородности конечна [26] и отсчетная плоскость выбрана в центре неоднородности, эквивалентная схема будет более сложной Т- или П-образной цепью, которая по мере стремления толщины неоднородности к нулю приближается к простой параллельной реактивности. Эквивалентная схема изменяется и в том случае, когда две неоднородности настолько близки друг к другу, что становится возможным взаимодействие между возникающими высшими видами колебаний.

Рис. 3.1. Неоднородности в круглом волноводе с колебаниями вида Реактивная проводимость диафрагмы равна .

Тонкая поперечная металлическая пластинка, частично перекрывающая волновод, называется диафрагмой. Эквивалентная схема ее состоит [73, 99, 144, 178] из реактивной проводимости, шунтирующей волновод в месте расположения пластинки. Зависимость реактивной проводимости от частоты, ее абсолютная величина и знак определяются размером и расположением отверстия, толщиной пластинки [23] и видом волны, распространяющейся в волноводе.

На рис. 3. 1 приведены примеры диафрагм в круглом волноводе, в котором распространяется волна

Видно, что круглый диск (рис. 3.1, а) ведет себя как емкость, а круглая диафрагма (рис. 3.1, б) как индуктивность. Резонансные частоты таких диафрагм гораздо выше рабочей частоты, однако можно выбрать комбинацию их и получить кольцевую диафрагму (рис. 3.1, в), которая является параллельным резонансным контуром. Такая диафрагма будет пропускать мощность на частоте резонанса, но отражать ее на частотах по обе стороны от резонансной. Кольцо, показанное на рис. 3.1, г, ведет себя [47] как последовательный резонансный контур. Эта диафрагма полностью отражает энергию на резонансной частоте, но пропускает ее на частотах по обе стороны от резонансной.

Если в волноводе распространяются и высшие виды волн, то весьма существенно, чтобы неоднородностям была придана форма, не возбуждающая незатухающих высших видов; это означает, что степень симметрии неоднородности должна быть на порядок выше степени симметрии любого распространяющегося высшего вида колебаний. Например, трех- или четырехплечая звезда пригодна для

работы с колебаниями вида так как основной вид колебаний обладает лишь дипольной симметрией. Для колебаний вида была вычислена [43] реактивная проводимость тонкой кольцевом диафрагмы и проведено сравнение ее величины с экспериментальными результатами на частоте Установлено, что кольцо в таком волноводе действует как параллельная емкость. В волноводе с колебаниями вида кольцевая диафрагма ведет себя подобно шунтирующей индуктивности [151], в то время как в коаксиальной линии с колебаниями вида ТЕМ неоднородности на внутреннем или на внешнем проводниках являются шунтирующей емкостью.

Рис. 3. 2. Неоднородности в прямоугольном волноводе с колебаниями вида

Были выведены формулы для различных диафрагм в прямоугольном волноводе с колебаниями вида [94, 96, 109, 110, 111]. Данные для емкостных диафрагм [41] приведены на рис. 3.2, а и б как для симметричных, так и для несимметричных конструкций. Указанные формулы включают только главный член, поскольку если частота хоть в какой-то мере отличается от предельной, то члены более высокого порядка пренебрежимо малы. Емкостные диафрагмы уменьшают допустимую мощность, передаваемую по волноводу, а в местах соединения со стенками волновода протекают продольные токи, поэтому такие диафрагмы применяются редко.

На рис. 3.2, в и г показаны несимметричная [84] и симметричная индуктивные диафрагмы. Подобные диафрагмы часто используются для целей согласования, особенно в форме простой несимметричной вставки. Комбинация двух вышеупомянутых диафрагм образует резонансную структуру рис. 3.2, д; приведенная формула дает размеры для диафрагмы, расположенной в центре.

Круглый металлический штырь, находящийся перпендикулярно электрическому полю, эквивалентен емкостной проводимости,

шунтирующей волновод, в то время как такой же штырь, помещенный параллельно электрическому полю, ведет себя как шунтирующая индуктивная проводимость. Штырь может быть расположен в поперечном сечении волновода симметрично [61] или несимметрично, как показано на рис. 3.2, е. Короткий штырь, частично выступающий в волновод, эквивалентен емкости; при некоторой длине стержня наблюдаются резонансные явления, характерные для параллельно включенного последовательного контура. Резонансная длина приблизительно равна четверти длины волны в свободном пространстве.

Неоднородности могут быть также выполнены в форме анизотропных зондов [64] и сфер [24]. Емкостные, индуктивные или резонансные соединения можно конструировать из отрезков волноводов с плоскими фланцами, взаимно смещенных в поперечном направлении [160]. Эквивалентные таких соединений близки к эквивалентным схемам асимметричных диафрагм.