книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

по величине и противоположны по фазе, т. е. полностью взаимно компенсируются. На рис. 15, а стрелками по­ казано электрическое поле волны, отразившейся от Z2

и проходящей в плечо 4, штриховая линия со стрелкой показывает направление распространения этой волны.

Рис. 15. Прохождение волн в двойном тройнике.

Рис. 15, б поясняет такой же пример для волны, отра­ зившейся от нагрузки Z3. Итак, если плечи 2 и 3 нагру­ жены на произвольные, но равные полные сопротивле­ ния, то плечи 1 и 4 оказываются совершенно развязан-ь ными между собой. Двойные тройники могут использо­ ваться, например, для построения мостовых схем на СВЧ или балансных смесителей.

Другим часто используемым в СВЧ-технике элемен­ том является направленный ответвитель. Он состоит в принципе из основного и еще одного волноводов, свя­ занных между собой, и может быть выполнен в различ­ ных конструктивных вариантах. Рис. 16, а и б показы­ вает устройство и принцип действия ответвителя с двумя отверстиями связи. Он состоит из двух прямоугольных волноводов одинакового сечения, которые связаны двумя отверстиями в общей стенке. Отверстия связи отстоят друг от друга на четверть длины волны в волноводе. Если волна распространяется слева по основному вол­ новоду, то часть ее энергии через отверстия связи по­ падает в соседний волновод, где возбужденная таким образом волна может распространяться как влево, так и вправо. Волны, выходящие из обоих отверстий и рас­ пространяющиеся вправо по направлению стрелки, ока­ зываются в одинаковой фазе и поэтому усиливаются

31

(складываются). Волны, бегущие из отверстий связи влево, имеют разность хода 2Хя/4, поэтому их фазы про­ тивоположны и обе волны гасят друг друга. Волна, бе­ гущая по основному волноводу влево, возбудить в со­ седнем волноводе распространяющуюся волну не может, поскольку волны, выходящие вправо из отверстий связи,

Рис. 16. Схема и принцип действия направленного ответвителя с двумя отверстиями связи.

взаимно гасятся аналогично рассмотренному выше слу­ чаю. Волны, бегущие влево, находятся в фазе и скла­ дываются, но поглощаются замыкающей волновод неот­ ражающей нагрузкой (рис. 16,6).

Свойства направленных ответвителей характеризуют­ ся ослаблением связи (переходным затуханием) С и на­ правленностью D. Переходное затухание определяет от­ ношение мощности Рь передаваемой по основному вол­ новоду в направлении ответвления, к мощности волны Рг, возбужденной и распространяющейся в ответвляю­ щем волноводе (рис. 16, в):

Направленность характеризует отношение мощностей волн на концах ответвляющего волновода при прохож­ дении по основному волноводу волны в каком-то одном направлении. Она определяется выражением

32

где Рз — мощность в ответвляющем волноводе, соответ­ ствующая передаче мощности Рi по основному волно­ воду по направлению, обратному направлению ответ­

являются определение мощности, передаваемой в какомто направлении, и определение отражений. Кроме того, с помощью направленного ответвителя в линиях пере­ дачи энергии можно вычитать или добавлять опреде­ ленную долю мощности. При этом основная линия и со­ единенные с ней элементы оказываются развязанными друг относительно друга. Вместо ответвителей с двумя отверстиями связи часто применяют так называемые скрещенные ответвители или ответвители со связью че­ рез много отверстий. Они отличаются от первого типа ответвителей большей шириной полосы передаваемых частот. Иногда используются также ответвители с одним отверстием связи.

Связывая между собой несколько полых резонато­ ров или отрезков волноводов, можно получить фильтры для сверхвысоких частот. Резонансная частота каждого отдельного резонатора может быть установлена с по­ мощью винтов, вводимых в полость на регулируемую глубину. Степень связи может задаваться выбором по­ ложения отверстий связи в стенках резонансных камер.

в) Невзаимные элементы цепей

Элементы цепей называются невзаимными в том слу­ чае, если энергия СВЧ может передаваться в них только в одном направлении и не может во встречном. Техни­ чески они реализуются в виде волноводов с помещен­ ными в них гиромагнитными материалами (ферриты, гранаты, бариевые оксиды). Физически принцип дейст­ вия этих элементов основывается на явлении гиромаг­ нитного или ферромагнитного резонанса. Он осуще­ ствляется в том случае, если гиромагнитное тело находится одновременно под действием некоторого ста­ тического магнитного поля и направленного перпендику­ лярно к нему переменного магнитного поля. Сущность гиромагнитного резонанса состоит в том, что вектор момента количества движения вращающегося вокруг

своей оси электрона (электронный спин) в магнитном поле свободно прецессирует вокруг направления поля с круговой частотой

электрона в ферромагнитной кристаллической решетке

= 4л • 10-7 в • сек/а • м. Если напряженность магнитного поля Я измеряется в а/м, а частота — в Мгц, то

(23)

0,035 *

Переменное магнитное поле, ориентированное перпенди­ кулярно Я, вызывает вынужденную прецессию. В случае резонанса (/=/о) прецессия электронов выражена осо­ бенно сильно, но в гиромагнитном материале она все­ гда затухает. Поэтому возникают потери, которые при резонансе особенно велики и приводят к поглощению переменных СВЧ-полей.

Точное значение Я в формуле (23) зависит также от размагничивания, которое связано с формой гиро­ магнитных тел. Точная взаимосвязь между частотой /о и напряженностью магнитного поля Я дается при этом формулой

размагничивающие факторы. Направление распростра­ нения волны совпадает с осью z, магнитное поле ориен­

Если предположить, что в некоторой гиромагнит­ ной среде распространяется плоская, линейно поляри­ зованная волна, причем статическое магнитное поле Я ориентировано перпендикулярно направлению распро­ странения волны, то для постоянной распространения получаются различные значения, в зависимости от того, параллелен вектор магнитного поля волны полю Я или перпендикулярен. Это является следствием гиромагнит­

34

ного резонанса. Формально такой процесс описывается изменением комплексной магнитной проницаемости ги­ ромагнитных сред, которая выражается как

Если вектор магнитного поля волны направлен парал­ лельно статическому магнитному полю Я и среда на­ магничена далеко не до насыщения, то р/=роЕсли же вектор магнитного поля волны перпендикулярен Я, то эффективная магнитная про­ ницаемость

вектором магнитного момента, так что проницаемость

поляризацией (вектор переменного магнитного поля вращается против часовой стрелки) практически не связана с вращающимся магнитным моментом, и в противоположность предыдущему случаю здесь на­ блюдается лишь незначительный рост р/ с увеличением напряженности магнитного поля.

Невзаимные элементы, принцип действия которых основан на гиромагнитном резонансе, — это вентили и циркуляторы. Вентиль является пассивным невзаимным четырехполюсником, который при одном направлении прохождения волны дает малое затухание, а при

встречном — большое (рис. 18). В вентиле феррит дол­ жен помещаться в такой участок волновода, где пере­ менное магнитное поле обладает по возможности чисто круговой поляризацией. При волне Ню в прямоуголь­ ном волноводе это требование реализуется в двух пло­ скостях, параллельных узким стенкам и симметричных

в направлении, перпендикулярном переменному маг­ нитному полю, то значение р/ при этом будет зависеть от того, совпадает прецессия магнитного момента во­ круг направления постоянного магнитного поля с вра­ щением переменного поля или противоположна ему. Поскольку эти условия для двух направлений распро­ странения волны различны, волна в одном случае бу­

постоянное магнитное поле настолько слабым, чтобы работать далеко от области гиромагнитного резонанса. Такой элемент известен под названием гиратора.

Циркулятор (или «переключатель») является не­ взаимным волноводным элементом с несколькими пле­ чами; его символическое изображение показано на рис. 19. Если волна входит через плечо 1, то выйдет она из плеча 2. Точно так же, войдя в плечо 2, — выйдет из плеча 3. Волны распространяются здесь только в одном направлении, число плеч теоретически не ограничено.

36.

Обычно применяются циркуляторы с тремя и четырьмя плечами. Чтобы потери были малы, здесь, как и в слу­ чае гиратора, работают вне области гиромагнитного резонанса.

Еще один тип вентилей основывается на использова­ нии эффекта Фарадея. Так называется явление пово­ рота плоскости поляризации СВЧ-волн в ферроили ферримагнитных материалах, которые помещены в по­ стоянное магнитное поле, совпадающее по направлению с распространением волны. Переменное магнитное поле волны можно разложить на два поля, вращающихся в противоположных направлениях. Волну при этом мож­ но рассматривать как сумму двух волн с противопо­ ложно направленной круговой поляризацией, которые, как следует из приводившегося выше объяснения, поразному взаимодействуют с электронными спинами и поэтому распространяются с различными скоростями. Вызванная этим разность фаз между обеими компонен­ тами приводит к повороту плоскости поляризации ре­ зультирующей линейно поляризованной волны. Поворот плоскости поляризации пропорционален пути, пройден­ ному волной в ферромагнитном материале.

Рис. 20. Четырехплечий циркулятор, использующий эффект Фарадея.

На рис. 20 показан циркулятор, основанный на эф­ фекте Фарадея. В нем феррит (в виде цилиндрической палочки) располагается по оси круглого волновода, воз­ буждаемого на волне # ц . Возбужденная в прямоуголь­ ном волноводе / волна Ню, попадая через переход от прямоугольного к круглому сечению в круглый волновод, преобразуется в линейно поляризованную волну Яц.

37

Эту волну можно представить состоящей из двух волн с противоположной круговой поляризацией. Каждая из них, проходя область, занятую ферритом, будет замед­ ляться, но в различной степени. При соответствующей длине ферритовой вставки плоскость поляризации результирующей волны на выходе повернется на 45° и волна сможет пройти через волновод 2, повернутый на такой же угол относительно волновода /. Волноводные плечи 2 и 4 повернуты в пространстве друг относитель­ но друга таким образом, что при возбуждении волны в одном из них второе с ним совершенно не связано. Волна, возбужденная в плече 2, проходя через участок волновода с ферритом, может попасть в плечо 3, по­ скольку плоскость поляризации ее поворачивается на соответствующий угол. При этом плечи 1 и 4 не связаны с волной. Соответственно волна из плеча 3 проходит в плечо 4 и из плеча 4 в плечо 1. Заметим, что подобные невзаимные системы имеются также и в оптике.

3. Лучевые волноводы

Для передачи миллиметровых и субмиллиметровых волн могут также применяться волноводы, в которых свободная электромагнитная волна распространяется в пространстве через систему фазовых преобразователей,

Рис. 21. Принципиальная схема лучевого вол­ новода.

которые расположены на равном расстоянии друг от друга (эквидистантно) вдоль направления распростра­ нения волны. Такой волновод называется «лучевым вол­ новодом» (рис. 21) [4]. Фазовыми преобразователями могут быть, например, диэлектрические линзы или диа­ фрагмы. Электромагнитное поле в таком лучевом вол­ новоде образовано «пучком» (совокупностью) воли, ко­

38

торый характеризуется целым спектром постоянных распространения отдельных волн. Распределение поля меняется вдоль волновода и периодически повторяется через соответствующие интервалы. Так же как и в обычном («трубчатом») волноводе, электромагнитное поле в лучевом волноводе распространяется в виде волн различных типов. Особый интерес представляет тип волны, при котором напряженность полей в ради­ альном (поперечном) направлении экспоненциально спадает. Этот тип волны имеет наименьшее собствен­ ное затухание для каждого заданного сечения луча. По­ тери в такой линии передачи получаются в основном за счет дифракции, отражения и поглощения пучка из­ лучения на отдельных фазовых преобразователях. По­ скольку поле быстро спадает в радиальном направле­ нии, что соответствует фокусировке волны внутри не­ коего цилиндрического объема с диаметром, равным диаметру фазовых преобразователей, то объекты, ле­ жащие вне этого цилиндра, не препятствуют распро­ странению излучения. Лучевые волноводы имеют осо­ бое значение для наиболее коротковолнового участка диапазона СВЧ, поскольку здесь изготовление и ис­ пользование металлических волноводов (трубчатых) сталкивается с возрастающими при укорочении длины волны трудностями. К тому же они являются перехо­ дом к свободному оптическому распространению волн.

4. Замедляющие линии

Для создания сверхвысокочастотных электронных ламп необходимы такие волноводные системы, в кото­ рых фазовая скорость волны может быть замедлена до скорости движения электронного пучка. При этом, что­ бы обеспечить взаимодействие с потоком электронов, электрическое поле проходящей замедленной волны должно иметь направление, параллельное электронному пучку. Эти волноводные системы называются замедляю­ щими линиями (или замедляющими системами). Они имеют периодическую структуру (рис. 22, а—д), что по­ зволяет рассматривать их как цепочку включенных по­ следовательно элементарных четырехполюсников. Вслед­ ствие пространственной периодичности структуры ли­ нии величина поля волны в точке с координатой z+ L

39

опережает поле в точке z на фазовый угол

При заданной частоте со соотношение (27) выполняется не только для одного-едииственного фазового угла ф0.

Рис. 22. Примеры замедляющих линий:

а —спиральная линия; б и в —емкостные замедляющие линии; г —гре­ бенчатая линия; д —линия «пальцы в пальцы».

но и для всех фазовых углов, отвечающих условию

Ф = Фо + 2я;Аг {п = О, ± 1 , ± 2 , . . . ) . (28)

Этим фазовым углам соответствуют определенные фа­ зовые постоянные

40