Медленные волны и их использование в устройствах СВЧ.

 

Медленные электромагнитные волны - волны, фазовая скорость распространения которых меньше скорости света в вакууме (или поверхностная волна, фазовая скорость которой меньше скорости Т-волны). Важное значение медленных волн обусловливается возможностью эффективного взаимодействия с ними заряжённых частиц. Это взаимодействие

используется в ряде приборов (как, например, клистрон, лампа с бегущей волной, многокамерный магнетрон, усилитель с двумя пучками, магнетронный усилитель и др.) для возбуждения и усиления электромагнитных колебаний сверхвысоких частот.

Несмотря на большое разнообразие такого рода приборов, физические процессы, происходящие в них, имеют много общего и могут быть разъясненя при рассмотрении общей задачи о взаимодействии заряжённых частиц с медленной волной. Важную роль в этом взаимодействии играет эффект Черенкова, состоящий в том, что заряжённая частица, равномерно движущаяся в системе, в которой могут распространяться медленные волны, сами способны излучать такие волны, если только её скорость превосходит некоторое критическое значение. При этом излучение имеет место независимо от того, движется ли частица в диэлектрике или в вакууме; в последнем случае нужно только, чтобы искусственно, например, специальным расположением металлических перегородок с отверстиями на пути распространения волны, были созданы такие условия, при которых фазовая скорость волны меньше скорости света в вакууме.

Если с медленным волнам взаимодействует не отдельная частица, а немодулированный пучок заряжённых частиц с достаточно мало плотностью, причём скорость пучка превосходит

критическое значение скорости в эффекте Черенкова, то состояние пучка становится неустойчивым и имеющиеся в нём флуктуации плотности распространяются в виде волн плотности заряда с нарастающей амплитудой. Такой же характер имеют возбуждающиеся при этом медленные электромагнитные волны. Неустойчивость пучка и возникновение волн с нарастающей амплитудой играют существенную роль в механизме возбуждения и

усиления колебаний сверхвысоких частот во всех приборах, где используется взаимодействие электронного пучка с медленными волнами (например, в таких типичных приборах, как лампа с бегущей волной, многокамерный магнетрон и магнетронный усилитель).

 

Волноводы.

Волноводы – полые проводящие металлические трубы произвольного, но постоянного сечения.

Являются закрытыми линиями передачи направленных электромагнитных волн.

Если поле изменяется по синусоидальному закону, то волна распространяется без изменения формы и с постоянной скоростью.

Волновод применяется для передачи электромагнитной энергии на сантиметровых (2..30 ГГц) и на миллиметровых (30..300 ГГц) волнах. Открытые линии на таких частотах непригодны из-за интенсивного излучения энергии во внешнее пространство.

Существуют 2 класса конфигурации полей, отличных от ТЕМ (поперечных) волн: если продольная составляющая поля электрическая, то волна имеет тип Е (или ТМ); если магнитная – тип Н (или ТЕ).

Все поперечные составляющие определяются через продольные. Числа m и n показывают, сколько полуволн укладываются по широкой и узкой стенкам волновода соответственно.

Для Е-волн m и n не равны нулю, для Н-волн m или n могут быть равны нулю.

Особенность волновода – соизмеримость его попереченого сечения с длиной волны, для передачи которой он предназначен.

Согласование волновода с нагрузкой.

Объемные резонаторы.

Объёмный резона́ тор — устройство, основанное на явлении резонанса, в котором вследствие граничных условий возможно существование на определенных длинах волн добротных колебаний в виде бегущей или стоячей волны.

В соответствии с уравнениями Максвелла переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, и наоборот. Между электрическим и магнитным полями происходит непрерывный обмен энергией. Если каким-либо образом ограничить некоторый объём пространства отражающими стенками, препятствующими потере энергии из этого объёма за счет излучения, то в этом объёме на некоторых длинах волн, определяемых размерами устройства можно возбудить электромагнитные колебания. Если полый резонатор образован металлическими стенками, то он также часто называется закрытым резонатором. Объёмные СВЧ резонаторы могут быть также заполнены диэлектриком. Существуют также открытые диэлектрические резонаторы, без металлических стенок, в которых волна отражается от границ диэлектрика за счет эффекта полного внутреннего отражения — резонаторы с модами «шепчущей галереи». В связи с тем, что электрические и магнитные поля почти не выходят за пределы границ объёмного резонатора, их добротность чрезвычайно высока (10000 и более).

59. Линии передач

60. Полосковые линии

Полосковая линия — линия передачи СВЧ, представляет собой радиоволновод для передачи электромагнитных волн в воздушной или иной диэлектрической среде вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин.

Типы полосковых линий передачи:

· Симметричные

· Несимметричные

Симметричная полосковая линия состоит из тонкого металлического проводника прямоугольной формы, находящегося в однородном диэлектрике, который расположен между двух заземленных металлических пластин.

Основные параметры полосковой волны:

· Волновое сопротивление

· Коэффициент затухания на единицу длины

 

61. Коаксиальные линии

Коаксиальная линия передачи (часто используется термин «коаксиальный кабель») представляет собой два металлических проводника цилиндрической формы, расположенных один внутри другого так, что их оси совпадают. Пространство между ними заполнено изолирующим диэлектриком. Внешний проводник окружен непроводящей оболочкой, обеспечивающей защиту от воздействия окружающей среды. Основными достоинствами коаксиальной линии являются следующие:

• отсутствие потерь на вихревые токи и джоулево тепло в окружающих металлических частях;
• минимальное мешающее влияние коаксиальной линии на соседние цепи и малая подверженность помехам извне;
• возможность передачи широкого спектра частот сигналов.

К недостаткам можно отнести малую защищенность от помех в области нижних частот (до 60 кГц).

Электромагнитное поле в коаксиальной линии заключено в пространстве между центральным и внешним проводниками. При передаче по коаксиальному кабелю высокочастотной энергии по проводникам текут переменные токи, которые благодаря скин-эффекту сосредоточены в тонком слое металла (единицы микрометров), причем толщина этого слоя уменьшается с ростом частоты сигнала. Ток, возбуждаемый источником сигнала, протекает по внутренней поверхности оплетки. Токи, создаваемые внешними источниками (помехи), протекают по наружной поверхности оплетки.

Параметрами, характеризующими геометрию коаксиального кабеля, являются:

· диаметр центрального проводника;

· внутренний диаметр оболочки (оплетки);

· наружный диаметр защитной термопластовой оболочки.

 

Коаксиальная линия состоит из четырех основных элементов:

1. Центральный проводник

2. Внутренний диэлектрик

3. Экран,

4. Оболочка.

1.Центральный проводник:
Центральный проводник кабеля предназначен для передачи сигнала из одной точки в другую. Его делают из материалов, хорошо проводящих электрический сигнал. Обычно используется медь, которая подходит для этих целей по своим электрическим, механическим и стоимостным параметрам.

2. Внутренний диэлектрик
Внутренний диэлектрик, называемый также внутренней изоляцией кабеля, выполняет в коаксиальных кабелях важную роль. Прежде всего, это материал, который изолирует центральный проводник от экрана.

3.Экран
Экран выполняет две важных роли. Он работает как второй проводник, подключенный к общему заземляющему проводу оборудования. В то же время он экранирует центральный проводник от посторонних излучений. Это экран из фольги, плетеный экран и комбинации из фольги и оплетки.
Оплетка – экран, который изготавливается из множества тонких проводников, сплетенных в виде сетки, охватывающей центральный проводник с внутренним диэлектриком. Оплетка обычно обладает меньшим сопротивлением, чем фольга и обладает лучшей устойчивостью к постороннему электромагнитному полю и электромагнитным наводкам.
Фольга – может обеспечить до 100% экранировки в сочетании с оплеткой.

4. Оболочка
Необходимая защита внутренних компонентов кабеля обеспечивает внешняя оболочка. Оболочка защищает кабель от климатического, химического, и воздействия солнечного света.

Основные параметры коаксиальной линии:

1.Волновое сопротивление Z_в, [Ом]
Волновое сопротивление – это сопротивление, которое встречает бегущая по линии от генератора к нагрузке электромагнитная волна, причем включенная в конце линии нагрузка имеет чисто активное сопротивление, равное этому же волновому сопротивлению.

2.Погонная ёмкость С, [Ф/м]
Важным параметром коаксиальной линии является ее так называемая погонная емкость С₀, т.е. емкость цилиндрического конденсатора, приходящаяся на единицу его длины.

3. Погонная индуктивность L, [Гн/м]
Другим электрическим параметром коаксиальной линии является ее погонная индуктивность Lо, которая представляет собой сумму индуктивностей наружного и центрального проводников, приходящихся на единицу длины линии.

4.Коэффициент затухания a, [дБ/м]:
Коэффициент затухания нормируется обычно на стандартных частотах при температуре окружающей среды 20°С и указывается в технических условиях или спецификациях
Малый коэффициент затухания обеспечивается прежде всего высокими электрическими свойствами материалов и конструктивным исполнение кабеля – трубчатые проводники и изоляция. В таких кабелях изоляция состоит на 85–90% из воздуха.
Теоретически коэффициент затухания можно рассчитать по следующей формуле:

α – затухание, дБ/100 м,
ε ₀ – относительная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля
d – диаметр внутреннего проводника кабеля, [мм]
D – диаметр внешнего проводника кабеля, [мм]
σ ₁ – проводимость внутреннего проводника, [Мсим/м]
σ ₂ – проводимость внешнего проводника, [Мсим/м]
tg δ – тангенс угла потерь изоляции
f – частота, [МГц]
На практике коэффициент затухания рассчитывают измеряя мощность сигнала на входе и выходе волновода по формуле:

α - затухание сигнала, [дБ/100 м]
Р_вх -мощность сигнала на входе в волновод, [Вт]
Р_вых- мощность сигнала после прохода по волноводу, [Вт].

5. Скорость распространения волны в волноводе v, [м/с].
В частотном диапазоне, для которого предназначены коаксиальные кабели, в кабеле распространяется поперечная электромагнитная волна. Скорость ее распространения определяется из соотношения:

6. Коэффициент укорочения длины волны.
Величина, показывающая, во сколько раз длина волны в волноводе, заполненным диэлектриком с ε > 1, меньше длины волны в воздухе, называется коэффициентом укорочения длины волны:

7. Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой:

Применение коаксиальных линий:

Коаксиальные кабели, предназначенные для работы в СВЧ диапазоне, называются еще радиочастотными кабелями. Они применяются не только в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазоне волн, но и на длинных, средних и коротких волнах радиовещательного диапазона, а также во многих низкочастотных устройствах.

62. Направленные ответвители

 

 

63. мосты

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. II. Лицензионный договор о предоставлении права на использование.
2. А. Программирование работы гирлянды, работающей в режиме бегущей волны
3. Аккумуляторы. Техническое использование и обслуживание
4. Амортизационные отчисления и их использование на предприятии
5. Биотесты и биоиндикаторы. Использование приемов биотестирования в системе экологического мониторинга.
6. Болезни лесных насекомых и использование их возбудителей для биологической защиты леса
7. Верстка страницы с использованием таблицы.
8. ВЗГЛЯДЫ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ПЕДАГОГОВ И ПСИХОЛОГОВ НА ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСКУССТВА КАК СРЕДСТВА РАЗВИТИЯ ДЕТЕЙ И КОРРЕКЦИИ ИМЕЮЩИХСЯ У НИХ НАРУШЕНИЙ
9. Виды, использование и регенерация
10. Волны изобретений и нововведений
11. Волны шумят. Ветер злится. — Волны шумят, и ветер злится.
12. Выбор предметов, при изучении которых возможно использование материалов выпускной квалификационной работы