.

Параметры радиоволноводов и режимы ЭМВ в них

Сравнительная характеристика различных типов волноводов осуществляется с помощью совокупности параметров. Электрические параметры волноводов распределяют на первичные и вторичные.

Первичные параметры определяются:

  • конструкцией;
  • размерами;
  • применяемыми материалами.

К первичным параметрам относятся:

  • погонная емкость С0 (Ф/м);
  • прогонная индуктивность L0 (Гн/м);
  • прогонная проводимость изоляции G0 (Сим/м);
  • прогонное сопротивление R0 (Ом/м).

Все эти параметры относятся к одному метру длины радиоволновода.

Вторичные параметры характеризуют передачу электромагнитных волн и выражаются через первичные параметры. К вторичным параметрам относятся:

  • волновое сопротивление r ;
  • коэффициент затухания b ;
  • коэффициент полезного действия КПД;
  • критическая длина волны l кр;
  • геометрические размеры.

Величина потерь энергии характеризуется коэффициентом затухания b, измеряемом в логарифмических единицах на метр длины волновода.  Распределение потерь для 1,2 - с увеличением частоты можно объяснить влиянием поверхностного эффекта. Толщина поверхностного слоя, в котором текут СВЧ токи, с увеличением частоты уменьшается, а следовательно, растет сопротивление, оказываемое этим слоем протеканию тока, что влечет за собой рост потерь на нагрев. При уменьшении частоты для 2,3 и приближение ее к критической, потери растут за счет увеличения числа отраженных плоских волн от стенок волновода, при этом часть энергии теряется. Снижение потерь с ростом частоты, для волн Н01 в круглом волноводе, можно связать с наличием только кольцевых токов в стенках волновода.

Эти токи создаются продольной составляющей магнитного поля, величина которой с повышением частоты уменьшается по сравнению с поперечной составляющей. При этом волна Н01 как бы отрывается от стенок волновода и приближается по своим свойствам к поперечной.

Эффективность передачи мощности сигнала СВЧ в волноводе от его входа к его выходу принято характеризовать коэффициентом полезного действия: Данная формула справедлива, если считать, что выход генератора согласован с входом волновода и выход волновода согласован с входом нагрузки, т. е. в волноводе (фидере) нет отражений за счет рассогласования.

К важным параметрам волновода необходимо отнести геометрические размеры. Правильным выбором размеров обеспечивается работа волновода в нужном диапазоне частот только на одном - основном типе волн. Работа одним типом волн оптимальна вследствие того, что невозможно избежать отражения от нагрузки одновременно для нескольких типов волн. Для волновода прямоугольного сечения обычно размер широкой стенки волновода выбирают 0.7 l . Размер узкой стенки выбирают (0.4-0.5) В настоящее время для различных диапазонов волн выпускаются стандартные волноводы. Для волноводов круглого сечения радиус берется равным: где lср. - средняя длина рабочей волны. К волноводам применимо понятие критической длины волны lкр.

Критической длиной волны называется также максимальная длина волны электромагнитных колебаний, измеренная в свободном пространстве, а не в волноводе, при которой прекращается распространение волны данного типа в волноводе. Существует общая зависимость между длиной волны в волноводе, длиной волны в свободном пространстве и критической длиной волны, справедливая для волноводов с любой формой поперечного сечения.

При приближении рабочей длины волны к критической, как нетрудно заметить из этой формулы, длина волны в волноводе все более резко возрастает. С другой стороны, длина распространяющейся по волноводу волны в всегда больше длины в свободном пространстве. Если же l /lкр >1, то данный тип волны распространяться не может, и для этого типа волны говорят, что волновод является "запредельным". Размеры полосковых линий выбираются так же в основном из условий невозможности распространения в них высших типов волн. Размеры коаксиальных линий выбираются из таких же соображений и в зависимости от волнового сопротивления. Соотношение между диаметром внешнего(D) проводника и внутреннего проводника (d) обычно бывает: при r =50 Ом D/d » 2.3, при r =75 Ом D/d » 3.5.

Важнейшим вторичным параметром является волновое сопротивление rл. Физический смысл волнового сопротивления заключается в том, что линию нагруженную на сопротивление нагрузки Rн можно считать бесконечно длинной при Rн = rл, при этом волна в ней распространяется в одном направлении не отражаясь от нагрузки. Волновое сопротивление определяется первичными параметрами, например, для коаксиальной линии оно равно: Если Rн на конце линии отличается от rл, то в линии возникает отраженная волна распространяющаяся от нагрузки к генератору  Волну, распространяющуюся от генератора к нагрузке, принято называть падающей. Соотношение падающей и отраженной волны выражается через коэффициент отражения: где: Pотр - мощность отраженной волны; Pпад - мощность падающей волны.

В зависимости от соотношения rл и Rн различают три основных режима работы волновода:

  • 1. Режим бегущей волны, где Rн =rл;
  • 2. Промежуточный режим, где Rн<>rл;
  • 3. Режим стоячей волны, где Rн=0 или Rн ® бесконечность.

 Режим бегущей волны. В данном случае линия полностью согласована с нагрузкой, вся мощность, поступающая от генератора в линию, передается в нагрузку, отраженная волна отсутствует. Ток и напряжение в линии находится в фазе и их амплитуды вдоль линии постоянны, и изменяются только по синусоидальному закону. С изменением времени кривая распределения напряжения перемещается - "бежит" вдоль линии от ее начала к ее концу. Такой режим является идеальным и на практике не достижим.

Промежуточный режим. В данном случае сопротивление нагрузки имеет реактивную составляющую. В радиоволноводе возникает отраженная волна, и часть мощности от нагрузки возвращается к генератору. В результате взаимодействия падающей и отраженной волны амплитуда напряжения и тока по длине волновода становится не равномерной  Для определения стенки отражения наибольшее применение нашли такие величины как: КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению; КБВ - коэффициент бегущей волны. Из формул видно, если Rн л то значение Umin® Umax, и при идеальных условиях Rн= rл; Umax=Umin КБВ=1 и КСВН=1. Изменение КБВ и КСВН в волноводе в зависимости от степени согласования с нагрузкой 

 Режим стоячей волны. линия замкнута Rн=0; линия разомкнута Rн ® бесконечность. В данном случае линия нагружена только на реактивное сопротивление, следовательно, перенос мощности отсутствует, т.к. падающая волна полностью отражается. В результате сложения падающей и отраженной волн в линии устанавливается так называемые "стоячие волны".        В данном случае имеют место узлы и пучности амплитуд напряженности электрического поля. Пучности - места с максимальной амплитудой, узлы - с минимальной. На практике считается, что волновод:

  • хорошо согласован с нагрузкой, когда КСВН<1.05;
  • удовлетворительно согласован, когда 1.2< КСВН<2;
  • не согласован, когда КСВН>5.