РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

При повышении частоты качество Q обычных колебательных контуров, составленных из катушки и конденсатора, уменьшается и на сеч становится недопустимо малым. Действительно, с повышением частоты быстро растут потери энергии. За счет поверхностного эффекта увеличивается сопротивление проводов.

Возрастают потери в твердых диэлектриках. Особенно значительными становятся при cвч потери на излучение, так как размеры элементов контура получаются одного порядка с длиной волны. Контур работает как антенна и его уже нельзя считать замкнутым. Сильное излучение создает также паразитные связи этого контура с другими целями. Увеличение потерь приводит к возрастанию активного сопротивления контура r.

В то же время характеристическое сопротивление контура значительно уменьшается. Величина ρ связана с первичными параметрами контура L и С следующим соотношением:

Для повышения частоты нужно уменьшать L и С контура. Однако значительное уменьшение величины С невозможно, так как в нее входят междуэлектродные емкости лампы, подключенной к контуру, и емкость монтажа. Кроме того, часто приходится включать в контур для настройки конденсатор переменной емкости. Поэтому емкость контура обычно не может быть меньше 5—10 пф. Приходится для получения нужной частоты уменьшать во много раз индуктивность, и величина р снижается. В результате качество контура Q, равное ρ/r, резкоухудшается, и это является важнейшей причиной, заставившей применять на свч иные колебательные системы.

На сантиметровых волнах и частично на дециметровых устройство контуров обычного типа становится вообще невозможным, так как даже короткий проводник, соединяющий электроды лампы, и казалось бы просто замыкающий их, обладает слишком большой индуктивностью.

Следующий пример дает представление об индуктивности, которой должен обладать контур, имеющий емкость С = 10 пф, для случая, когда частота fo = 1000 Мгц = 1 000 000 кгц

По формуле

Получаем

Прямолинейный проводник длиной в 1 м имеет индуктивность порядка единиц микрогенри. Следовательно, в данном случае индуктивность контура должна представлять собой проводник длиной всего лишь в несколько миллиметров, что явно неосуществимо.

Таким образом, контуры обычного типа, как правило, могут быть использованы лишь на волнах не короче метровых. Только в редких случаях на наиболее длинных дециметровых волнах (70 -100 см) встречаются контуры, у которых в качестве индуктивности используется полувиток трубки или проволоки, а емкостью является междуэлектродная емкость лампы, причем для уменьшения ее влияния и для настройки последовательно включают конденсатор переменной емкости с максимальной емкостью в несколько пикофарад. Подобные контуры обладают довольно низким качеством.

Разомкнутая или коротко-замкнутая линии, имеющие длину, кратную ¼ λ , эквивалентны последовательному или параллельному резонансному контуру. Отрезки симметричных или коаксиальных линий являются наиболее распространенными колебательными системами для диапазона дециметровых воля.

В большинстве приемных и передающих схем встречаются главным образом параллельные контуры. Поэтому основным типом контура для дециметровых волн является четвертьволновый отрезок короткозамкнутой симметричной или коаксиальной линии. Входное сопротивление такой линии при .настройке в резонанс имеет весьма большую величину и является чисто активным. При расстройте в ту или иную сторону от резонанса входное сопротивление уменьшается и приобретает емкостный или индуктивный характер. Как известно, именно так изменяется вблизи резонанса полное сопротивление параллельного резонансного контура.

Резонансные линии, работающие в качестве колебательных контуров, обладают высоким качеством Q, которое может доходить до нескольких тысяч.

С укорочением длины волны, т. е. с повышением частоты, качество резонансных линий Q увеличивается, что является большим их преимуществом по сравнению с обычными контурами.

Резонансная линия обычно бывает подключена к лампе, и поэтому к входу линии оказывается присоединенной междуэлектродная емкость. В этом случае колебательной системой является линия совместно с емкостью лампы, и для получения резонанса на некоторой частоте fо необходимо, чтобы входное сопротивление линии Zвх было индуктивным и равным емкостному сопротивлению ½* n*fo*C.

Короткозамкнутая линия имеет индуктивное входное (сопротивление при длине, меньшей λ/4. Таким образом, практически приводится брать не четвертьволновую, а более короткую линяю.

Во многих случаях необходима настройка линии на некоторый диапазон частот. Даже при работе на одной частоте колебательная система должна иметь устройство для подстройки на нужную частоту.

Настройка симметричной линии чаще всего производится с помощью подвижного короткозамыкателя, перемещение которого вдоль линии меняет ее длину. (рис.1 а).

 

Чтобы устранить недостаток этого метода — непостоянство трущегося контакта,— нередко осуществляют настройку конденсатором переменной емкости, включенным на вход линии (рис.1 6). Увеличение его емкости дает настройку на более длинную волну.
Иногда конденсатор для настройки включают в конец линии, вместо короткозамыкателя (рис. 1 б). Тогда, если емкость его велика, а следовательно, сопротивление мало, то линия близка к короткозамкнутой и резонансная длина волны примерно в 4 раза больше длины линии; б случае же наименьшей емкости линия близка к разомкнутой и резонансная длина волны получается примерно в 2 раза длиннее линии. Практически удается получить диапазон с отношением несколько меньше 2.

Колебательные системы в виде симметричных линий обладают тем недостатком, что они создают значительное внешнее электромагнитное поле. Вследствие этого образуются паразитные связи с другими цепями и велики потери на излучение. В таких линиях весьма заметны потери и в самих проводах, имеющих сравнительно малый диаметр. Для устранения излучения и паразитных связей иногда применяют экранировку линии, но и при ней потери остаются значительными.

Более высокими качествами Обладают контуры, сделанные из коаксиальных линий. Потери в них малы, так как провода имеют большую поверхность и отсутствует излучение благодаря тому, что внешний проводник является экраном. Очевидно, что устраняются и паразитные связи с другими цепями. Все точки наружной поверхности внешнего провода коаксиальной линии имеют нулевой потенциал, и поэтому линия может быть смонтирована без всякой изоляции.

Коаксиальные резонансные линии удобны еще потому, что для работы с ними выпускаются специальные лампы, у которых выводы от электродов сделаны цилиндрической формы. В соединении с внешним коаксиальным контуром такие выводы составляют один общий контур.

Для настройки коаксиальных контуров путем изменения их длины вдоль линии перемещается короткозамыкающий поршень, называемый плунжером (рис.2). Этот метод дает настройку в довольно широких пределах. Необходимо, чтобы плунжер перемещался легко и плавно и вместе с тем имел хороший контакт по всей окружности как с внешним, так и с внутренним проводниками. Для обеспечения лучшего контакта по окружности плунжера делаются гибкие контактные пружины.

Несмотря на то, что были предложены многочисленные конструкции плунжеров, все же трущийся контакт с проводами линии создает значительные потери и не обладает постоянством. Можно устранить трущийся контакт и сделать небольшой зазор между плунжером и проводниками линии. Тогда линия будет уже не короткозамкнутая, а нагруженная на емкость, образованную этим зазором. При таком без контактном плунжере настройка получается на более узкий диапазон. Кроме того, трудно обеспечить постоянство настройки, так как возможны изменения величины зазора.

Часто применяется настройка с помощью конденсатора переменной емкости на входе коаксиальной линии. Однако устройство такого конденсатора с изменением емкости в больших пределах представляет трудности. Его легче осуществить при малых мощностях, когда напряжения невысокие, а следовательно, возможно установить малое расстояние между обкладками конденсатора; при более высоких напряжениях это расстояние должно быть значительным. Простая конструкция подобного конденсатора показана на рис.3, но она не обеспечивает настройку в широком диапазоне.

 

Связь резонансных линий с другими цепями применяется как для отбора энергии электромагнитного поля от этих линий, так и для подведения к ним энергии. Симметричные линии чаще всего связываются с другими цепями индуктивно. Для связи применяется виток или полувиток провода (рис.4). Чем больше размеры этого витка и чем ближе он к короткозамкнутому концу линии, тем сильнее связь. Кроме того, связь будет более сильной, если плоскости линии и витка параллельны друг другу, особенно, когда виток расположен в плоскости самой линии. В этом случае виток пронизывается наиболее сильным магнитным потоком. Изменение связи достигается перемещением витка относительно линии. Можно, например, поворачивать плоскость витка относительно плоскости линии.

 

Коаксиальная резонансная линия, будучи соединена с электронной лампой, представляет собой полностью экранированную систему. Поэтому элементы связи нужно вводить внутрь линии. На рис.5 показаны основные виды связи.

Индуктивная или магнитная связь (рис.5 а) осуществляется с помощью витка (петли) связи, который обычно является окончанием коаксиальной соединительной линии и располагается вблизи конца линии, где магнитное поле наиболее сильное. Для изменения связи виток поворачивают, и тогда изменяется величина магнитного потока, пронизывающего виток.

Емкостная или электрическая связь показана в двух вариантах на рис.5 б и в. В этом случае внутрь линии в радиальном направлении вводят штырек, иногда называемый зондом. Благодаря тому, что он располагается вдоль электрических силовых линий, в нем создается некоторая переменная эдс (при отборе энергии). Штырек обычно представляет собой конец внутреннего провода коаксиального кабеля. Чем больше длина этого штырька, т. е. чем глубже он «погружен» в электрическое поле, тем сильнее связь. Иногда для увеличения связи на конец штырька ставится пластинка (рис.5 в). Приближая ее к внутреннему проводу резонансной линии, можно связь усилить. Связь тем сильнее, чем ближе расположен штырек к пучности напряжения, т. е. началу линии, где электрическое поле наиболее сильное. В некоторых схемах применяется непосредственная связь (рис.5 г), аналогичная автотрансформаторной связи в обычных контурах.

Ее недостаток — невозможность изменения величины связи.

Хотя коаксиальные линии применяются широко, но все же они обладают некоторыми существенными недостатками, особенно заметными на сантиметровых волнах. Потери в этих линиях с повышением частоты значительно возрастают, так как поверхность внутреннего провода линии мала, а. следовательно, его сопротивление сравнительно велико. Кроме того, увеличиваются потери в изоляторах, отделяющих внутренний провод от внешнего. Если же увеличить диаметр внутреннего провода, т. е. уменьшить расстояние между ним и внешним проводом, то появляется опасность пробоя изоляции, особенно при больших мощностях.

На сантиметровых волнах линию во многих случаях заменяют волноводом, представляющим собой металлическую трубку круглого или прямоугольного сечения, внутри которой распространяется электромагнитная волна (рис.1). Стенки волновода играют роль экрана, не дающего электромагнитным волнам распространяться в разные стороны и заставляющего их перемещаться только вдоль волновода.

 

По сравнению с коаксиальной линией потери энергии в волноводе меньше, так как отсутствует внутренний провод и нет никаких изоляторов. Наибольшее напряжение в волноводе получается между диаметрально противоположными точками его внутренней поверхности, если волновод имеет круглое сечение), или между противоположными стенками, если его сечение прямоугольное (рис.1). Расстояние между этими точками больше, чем расстояние между проводами в коаксиальной линии, и поэтому опасность пробоя при высоких напряжениях значительно меньше.

Однако волноводы имеют свой недостаток, который ограничивает их применение. В коаксиальной или симметричной линии могут распространяться волны любой частоты, а в волноводе возможно распространение только волн, у которых частота выше некоторой определенной величины, называемой критической частотой fKp. Иначе говоря, в волноводе могут распространятьея только волны, у которых длина короче некоторой критической длины волны (ламбда) кр. Критическая длина волны приблизительно вдвое больше поперечного размера волновода. Если волновод имеет диаметр 3 см, то критическая длина волны будет примерно λ —6 см. Более длинные волны через такой волновод распространяться не могут.

Ясно, что волноводы для коротких или метровых волн непригодны, так как это были бы трубы с поперечными размерами в единицы или десятки метров! Даже для дециметровых волн поперечник волновода должен быть порядка десятков сантиметров, что также неудобно. Поэтому волноводы используются только на сантиметровых волнах, для которых конструкция волновода не получается слишком громоздкой.
Теория распространения радиоволн в волноводах весьма сложна, и можно рассмотреть лишь некоторые выводы этой теории, которые хорошо подтверждены экспериментами.

В волноводе поперечная электромагнитная волна распространяться не может. Действительно, магнитное поле существует только внутри волновода, стенки которого являются экраном для электромагнитного поля высокой частоты. Поэтому магнитное поле в волноводе не может охватывать проводник с током, так как нет внутреннего провода, а оно должно охватывать продольное электрическое поле. Но поперечная электромагнитная волна не содержит продольного электрического поля. Если же предположить, что электрическое поле в волноводе поперечное, то оно должно охватываться замкнутыми магнитными силовыми линиями, которые будут лежать в продольных плоскостях. Однако у поперечной волны не может быть продольного магнитного поля.

Опыт и теория показывают, что в волноводах могут распространяться электромагнитные волны различных типов. Все они делятся на две группы: 1) электрические волны, обозначаемые Е, имеют электрическое поле, расположенное и в поперечном и в продольном направлениях, а магнитное поле только в поперечной плоскости; 2) магнитные волны, обозначаемые Я, имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле только в поперечной плоскости.

Волну в волноводе можно рассматривать как сумму поперечных волн, распространяющихся зигзагообразно путем многократного отражения от стенок, как показано на рис.2. При этом более длинные волны распространяются с большим числом отражений и зигзагов.

Рис.2 — Пути волн различной длины в волноводе.

Физический смысл отражения волн от проводника заключается в том, что падающая волна создает в поверхностном слое проводника токи, которые, в свою очередь, дают излучение новых электромагнитных волн, т.е. отраженных волн. Если проводник идеальный, то возникшие токи совершенно не расходуют энергию на его нагрев и энергия отраженной волны равна энергии падающей волны. Практически каждый проводник не является идеальным, в нем происходит некоторая потеря энергии на нагревание, и энергия у отраженной волны всегда несколько меньше, чем у падающей.

Рис.3 — Структура магнитного и электрического полей в прямоугольном волноводе для основной волны типа Н.

На рис.3 показаны электрическое и магнитное поля для простейшей основной волны типа Н, которая наиболее часто применяется на практике. Магнитные силовые линии здесь изображены штриховыми, а электрические силовые линии — сплошными линиями.

Силовые линии, перпендикулярные к плоскости чертежа, показаны либо точками, если они идут на нас, либо крестиками, если они идут от нас.

Так как волна, отраженная от одной стенки, складывается с волной, отраженной от противоположной стенки, то в поперечном направлении волновода всегда получаются стоячие волны. Бегущая волна в поперечном направлении не может распространяться, так как движению энергии в одну сторону препятствуют стенки волновода.

В поперечном направлении в простейшем случае укладывается одна стоячая полуволна так, что у противоположных стенок могут быть узлы, а в середине —пучность или наоборот. В направлении вдоль волновода может получаться различный режим. Если на конце волновода отражение отсутствует, то будет бегущая волна. Полное отражение, например, в случае, если конец волновода закрыт металлической стенкой, дает режим стоячих волн. При частичном отражении будут смешанные волны.

Для изображенной на рис.4 волны в точках А и В получается максимум поперечной составляющей магнитного поля, а в точках Б и Г—максимум его продольной составляющей. Расстояние АВ равно половине длины волны. В точке Д напряженность магнитного лоля равна нулю. У следующей (соседней) полуволны магнитного поля все повторяется, но только магнитные силовые линии идут в противоположи ом направлении.

В случае бегущей волны вся нарисованная картина поля движется вдоль волновода, так что рис.3 следует рассматривать как мгновенный фотоснимок поля, справедливый только для одного момента времени. Распределение магнитного поля вдоль волновода для этого момента показывают кривые рис.3. Один из них показывает распределение поперечной составляющей Нпопер, а другой — продольной составляющей Нпрод- При этом следует помнить, что поперечная составляющая получается наибольшей на средней плоскости волновода (на линии АВ) и по мере приближения к стенкам уменьшается до нуля, а продольная составляющая, наоборот, имеет наибольшее значение у стенок и по мере приближения к средней плоскости волновода уменьшается до нуля.
На рис.3 г даны кривые, показывающие изменение Hпрод и Нпопер водль стороны b поперечного сечения вол-
новода. Эти кривые соответствуют стоячим волнам магнитного поля в поперечном направлении, причем Нпрод. имеет пучности у стенок и узел посередине, а Нпопер. — наоборот.

Необходимо отметить, что картина поля, показанная с помощью некоторого числа силовых линий, является весьма грубой. Силовые линии, конечно, отображают реально существующее поле, но чем оно сложнее, тем более неточным становится данный метод. Изображение лоля силовыми линиями не вскрывает тонкой структуры поля. Это. особенно чувствуется при рассмотрении сложных полей в волноводах. Однако в нашем распор я жени и нет более совершенного метода изображения структуры электрического или магнитного поля.

У электрического поля волны Н структура проще, так как оно имеет только поперечную составляющую. На рис.3 в показано распределение электрического поля в поперечном направлении, а на рис.3 г приведена кривая изменения напряженности поля Е по этому направлению. Как видно, вдоль размера b укладывается одна стоячая полуволна электрического поля, причем в середине волновода получается пучность, а у стенок — узлы. Таким образом, вдоль стороны b распределение электрического поля совпадает с распределением по.пе>-речной составляющей магнитного поля (рис.3 г). Не следует при этом забывать, что векторы Е и Нпопер взаимно-перпендикулярны.

В направлении вдоль волновода электрическое поле распределено так, как изображено на рис.3 6.

Соответствующая кривая показывает, что в этом направлении закон распределения электрического поля также совпадает с распределением поперечной составляющей магнитного поля, т. е. максимум электрического поля получается там, где имеется максимум поперечного магнитного поля. Такая структура поля характерна для бегущей волны, у которой колебания электрического и магнитного полей совладают по фазе, т. е. наибольшее количество электрических силовых линий имеется там, где находится наиболее сильное магнитное поле. А в случае стоячей волны, наоборот, максимум электрического поля находится там, где магнитное поле наиболее слабое.

Помимо основной волны, существуют еще и многие другие типы волн. Для классификации воля в прямоугольных волноводах принята следующая система. Около обозначения волны ставится индекс из двух цифр, показывающих соответственно число стоячих полуволн вдоль меньшей и большей сторон поперечного сечения. Например, рассмотренная основная волна типа Н обозначается Ho1 (или TEo1), так как для нее вдоль стороны а поперечного сечения волновода стоячей волны нет, а вдоль стороны b распределена одна стоячая полуволна. В прямоугольном волноводе могут также распространяться волны высших порядков, имеющие более сложные поля, в которых вдоль одной стороны сечения распределено две, три или больше стоячих полуволн. Эти волны не имеют практического применения, так как ведут к увеличению сечения волновода и потерь по сравнению с простейшими волнами.
Для классификации волн в круглых волноводах к обозначению волны также прибавляют две цифры в виде индексов. Первая цифра показывает число стоячих полуволя вдоль полуокружности, а вторая — соответствует числу стоячих полуволн вдоль радиуса.

Вдоль волновода всегда наблюдается некоторое затухание волны, т. е. ее энергия постепенно уменьшается. Это объяе няетея тем, что на внутренней поверхности стенок волновода создаются токи, которые расходуют часть своей энергии на нагрев металла. Потери анергии отсутствовали бы только в случае стенок из идеального проводника.

С понижением частоты к критическому значению затухание возрастает, что объясняется увеличением числа отражений волн от стенок. Когда частота близка к критической, затухание становится очень большим, а критическая волна вообще не проходит вдоль волновода. Но и при значительном повышении частоты затухание также возрастает за счет того, что толщина поверхностного слоя, в котором проходят токи, уменьшается, а его сопротивление увеличивается. Отсюда следует, что на некоторой средней наивыгоднейшей частоте затухание имеет наименьшую величину.

В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от наличия большего или меньшего отражения на конце волновода. Режим работы характеризуется коэффициентом бегущей волны, который равен кбв = Емин/Емакс, где Емтин и Емакс — наименьшая и наибольшая величины действующего значения напряженности электрического поля, измеренные при перемещении вдоль волновода какого-либо индикатора поля.

Если в конце волновода безвозвратно расходуется вся энергия бегущей волны, то в волноводе получается режим чисто бегущей волны. Действующее значение напряженности электрического поля в различных точках вдоль волновода тогда будет неизменно (затухание во внимание не принимается) и кбв=1.

Этот режим наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии. Например, в передающих устройствах сантиметрового диапазона волновод соединяет генератор с антенной. Для получения в волноводе бегущей волны антенна должна поглощать полностью энергию, передаваемую по волноводу, т. е. антенна как нагрузка должна быть согласована с волноводом.

При проведении многих измерений и испытаний на сантиметровых волнах также необходим режим бегущей волны в волноводе. Для его получения в конце волновода помещают поглощающую или оконечную нагрузку. Она представляет собой проводник со значительным сопротивлением, занимающий некоторый объем или поверхностный слой на пластинке диэлектрика.

Если на конце волновода волна полностью отражается, то устанавливается.режим стоячих волн. Полное отражение можно получить, закрыв конец волновода металлической, хорошо проводящей крышкой. Режим стоячих волн используется при различных измерениях. Он удобен для измерения длины волны в волноводе, так как в стоячей волне напряженность поля Е в узлах равна нулю. Это дает возможность установить положение двух соседних узлов, расстояние между которыми равно половине длины волны.

Режим смешанных волн получается, если на конце волновода энергия поглощается частично. Практически, обычно всегда бывает этот режим, так как невозможно получить чисто бегущую или чисто стоячую волну. Особенно трудно осуществить режим бегущей волны. Принято считать, что нагрузка хорошо согласована с волноводом, если кбв получается не меньше 0,8. Во многих случаях даже довольствуются значением кбв от 0,5 и выше. Режимы работы волновода имеют сходство с режимами для двухпроводной линии. Случай, когда конец волновода закрыт, аналогичен короткоз а минутой линии. Однако режим разомкнутой линии получить в волноводе нельзя. Если конец волновода оставить открытым, то волна лишь частично отражается, а частично излучается в пространство, и поэтому получается режим смешанных волн.

Устройства, связывающие волноводы с другими цепями, служат для возбуждения волн в волноводе или для отбора энергии из волновода. Любое устройство, дающее возбуждение волн, может быть использовано и для приема волн.
Электрическая связь осуществляется с помощью металлического проводника, называемого штырьком (или зондом), и установленного внутри волновода вдоль электрических силовых линий в том месте, где электрическое поле наиболее сильное. Обычно такой штырек является продолжением внутреннего провода коаксиальной линии, подводящей энергию к волноводу. Так как размеры штырька соизмеримы с длиной волны, то он работает как хорошая антенна.

На рис.4 показано возбуждение волны типа Нo1 в прямоугольном волноводе при помощи штырька, расположенного в пучности электрического поля на расстоянии ¼*λ  от закрытого конца волновода, служащего для отражения волн. Этот участок волновода длиной ¼ *λ  подобно четвертьволновой корот-козамкнутой линии имеет входное сопротивление, близкое к бесконечности, и практически не влияет на режим работы подводящей линии.

Чем больше длина штырька, находящегося в волноводе, тем сильнее связь, т. е. тем больше энергии передается в волновод, подобно тому как более высокая 'антенна дает более сильное излучение, нежели антенна малых размеров.

Магнитная связь осуществляется с помощью витка (петли) связи, который располагается в месте, где магнитное поле наиболее сильно, причем ее плоскость перпендикулярна магнитным силовым линиям. Так как размеры витка соизмеримы с длиной волны, то он дает эффективное излучение электромагнитных волн и его можно уподобить одновитковой рамочной антенне большого размера. На рис.5 показано одно из возможных расположений витка для возбуждения в прямоугольном волноводе волны Но1.

Чем больше размеры витка, тем сильнее связь. Регулировку связи удобно осуществлять поворотом витка. Следует иметь в виду, что магнитная связь всегда сопровождается некоторой электрической связью.

Для отбора энергии штырьки или витки связи выполняют роль приемной антенны. Волны, прошедшие по волноводу, создают своим электрическим полем в приемном штырьке некоторую эдс, а в витке связи эдс индуктируется магнитным полем. Применяется также дифракционная связь, т. е. связь через отверстие. Например, можно передать часть энергии волны из одного волновода в другой, если в общей стенке этих волноводов сделать отверстие той или иной формы. Такая связь усиливается при увеличении размеров отверстия. При электрической и магнитной связи имеется всегда и некоторая дифракционная связь, так как коаксиальная линия своим открытым концом соединена с волноводом.

Конструктивное выполнение волноводов весыма разнообразно. Для уменьшения потерь в волноводе его внутреннюю поверхность делают возможно более гладкой и нередко покрывают ее серебром. Весьма тщательно соединяют отдельные части волновода друг с другом. Важно свести к минимуму частичные отражения волн от различных неоднороден остей, имеющихся в волноводе. К таким неоднюродностям относятся, например, повороты и ответвления, а также вращающиеся сочленения двух волноводов. Любые нарушения однородности внутреннего устройства волновода приводят к отражению волн, в результате чего уменьшается кбв, возрастают потери и кажается кпд волновода.

Применяются плавные изгибы (рис.6 а) и уголковые повороты (рис.6 б). Для поворота направлений векторов Е и Н делают скручивание волновода (рис.6 в). При соединении двух частей волновода, если одна часть должна вращаться, прибегают к дроссельному соединению, которое устраняет влияние плохого контакта в стыке (рис.7). В этом соединении волноводы снабжены двумя фланцами, между которыми имеется щель длиной ½*λ эквивалентная полуволновой короткозамкнутой линии. Замыкание на конце этой щели (в точке А) сделано сплошным металлом, а контакт двух поверхностей находится в точке Б на расстоянии ¼*λ от короткозамкнутого конца. В этом месте находится узел тока, и наличие дополнительного сопротивления в контакте не играет роли.

Зато на входе линии — щели (в точке В), как и на коротко-замкнутом конце, сопротивление близко к нулю. Таким образом, обе части волновода соединены через это весьма малое сопротивление, которое почти не зависит от сопротивления контакта в точке Б.

Рассмотрим случаи нагрузки линии на активное сопротивление различной величины (рис.1). На этом рисунке показано распределение вдоль линии не амплитудного, а действующего значения напряжения, которое изменяется только по величине, но не меняет знака. Это напряжение показывает вольтметр или индикатор переменного напряжения, подключаемый к различным точкам линии. Для упрощения кривая тока не показана. Как и раньше, линию считаем идеальной и принимаем, что внутреннее сопротивление генератора значительно меньше волнового сопротивления линии.

Если нагрузочное сопротивление равно волновому сопротивлению (рис.1 а), в линии распространяется бегущая волна и напряжение вдоль линии везде одинаково. В разомкнутой (рис.1 6) и «броткозамкиутой линиях (рис.1 г) получается режим стоячих волн и вдоль линии чередуются узлы и пучности. У разомкнутой линии на конце находится пучность напряжения, а у короткозамкнутой— узел напряжения.

Когда R больше Zo, но не равно бесконечности (рис.1 в), то режим линии является средним между режимом бегущей волны и режимом разомкнутой линии. Его называют режимом смешанных или комбинированных волн. Так как R не равно Zо, то в конце линии поглощается только часть энергии падающей волны. Остальная часть энергии уходит обратно с отраженной волной, вследствие чего возникают стоячие волны. Однако в линии есть и бегущая волна, переносящая энергию от генератора в сопротивление нагрузки R.

Распределение напряжения в этом случае напоминает распределение в разомкнутой линии. Но вследствие того, что амплитуда отраженной волны меньше амплитуды падающей волны в том месте, где должен быть узел, суммарное напряжение не снижается до нуля. Оно имеет некоторое наименьшее значение U мин, равное разности напряжений падающей и отраженной волн. А в местах пучностей получается некоторое наибольшее напряжение Uмакс, равное сумме этих напряжений, но меньшее, чем удвоенное напряжение падающей волны. Чем ближе R к Zo, тем ближе режим линии к режиму бегущей волны и тем меньше разница между Vмакс и Uмин. И, наоборот, чем больше R, тем ближе режим к случаю разомкнутой линии и тем резче максимумы и минимумы напряжения.

Для характеристики режима линии пользуются коэффициентом бегущей волны (кбв). Он введен А.А. Пистолькорсом в-1927 г. и определяется как отношение Uмин к Uмакс. В случае, когда Zo < R, он равен отношению Zo к R:

При одной бегущей волне кбв=1, а для режима стоячих волн кбв = 0. Чем ближе величина кбв к единице, тем ближе-режим линии к режиму бегущей волны. Иногда применяется величина, обратная кбв, называемая коэффициентом стоячей волны:

Если R Zo, остается в силе и здесь. Коэффициент бегущей волны определяется через напряжение, как и раньше, но отношение сопротивлений надо взять обратное, так как кбв всегда должен быть меньше единицы:

Когда линия работает в режиме бегущей волны, то в нагрузочное сопротивление отдается наибольшая полезная мощность— воя мощность бегущей волны. Если же сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению линии, то полезная мощность в нагрузке будет меньше, так как часть энергии возвращается с отраженной волной обратно в генератор. Однако уменьшение мощности о изменением нагрузочного сопротивления происходит не резко, и поэтому некоторое отступление от режима чисто бегущей волны допустимо. Например, когда сопротивление нагрузки в два раза больше или меньше Zo, т. е. когда кбв = 0,5, то энергия отраженной волны составляет всего лишь 11 % энергии падающей волны.

Следует отметить, что в режиме смешанных волн, когда R не равно Zo, входное сопротивление, вообще говоря, уже не является чисто активным, а обычно имеет реактивную составляющую, которая характеризует возврат: части энергии в генератор. Только при длине линии, равной целому числу четвертей волйы, Zвх будет чисто активным, потому что в линии такой длины наблюдается резонанс.

В случае, когда в конце линии включено реактивное сопротивление, т. е. емкость или индуктивность, также получается режим стоячих волн. Действительно, в реактивном сопротивлении энергия падающей волны не расходуется, а лишь временно запасается и возвращается обратно. Поэтому в линии складываются падающая и отраженная волны равной амплитуды и возникают стоячие волны.

Наиболее сложным случаем является нагрузка линии на полное сопротивление Z, имеющее активную и реактивную части. При такой нагрузке в линии будет режим смешанных волн, так как часть энергии падающей волны поглощается в активном сопротивлении, но остальная часть возвращается с отраженной волной вследствие наличия реактивного сопротивления и в результате того, что активное сопротивление не равно волновому сопротивлению.

Важнейшими частями радиопередатчиков и радиоприемников являются колебательные контуры, в которых возбуждаются электрические колебания, т. е. переменные токи высокой частоты.

Для более ясного представления о работе колебательных контуров рассмотрим сначала механические колебания маятника (рис.1).

Если ему сообщить некоторый запас энергии, например толкнуть его или отвести в сторону и отпустить, то он будет совершать колебания. Такие колебания происходят без участия внешних сил только благодаря начальному запасу энергии, и поэтому называются свободными колебаниями.

Движение маятника из положения 1 в положение 2 и обратно является одним колебанием. После первого колебания следует второе, затем третье, четвертое и т. д.

Наибольшее отклонение маятника от положения 0 называется амплитудой колебания. Время одного полного колебания называется периодом и обозначается буквой Т. Число колебаний в одну секунду есть частота f. Период измеряется в секундах, а частота в герцах (гц). Свободные колебания маятника имеют следующие свойства:

1). Они всегда являются затухающими, т.е. амплитуда их постепенно уменьшается (затухает) вследствие потерь энергии на преодоление сопротивления воздуха и на трение в точке подвеса;

2). Свободные колебания можно считать гармоническими, т.е. синусоидальными, если не принимать во внимание их затухание;

3). Частота свободных колебаний маятника зависит от его длины и не зависит от амплитуды.При затухании колебаний амплитуда уменьшается, но период и частота остаются неизменными;

4). Амплитуда свободных колебаний зависит от начального запаса энергии. Чем сильнее толкнуть маятник или чем дальше отвести его от положения равновесия, тем больше амплитуда.

В процессе колебаний маятника потенциальная механическая энергия переходит в кинетическую и обратно. В положении 1 или 2 маятник останавливается и имеет наибольшую потенциальную энергию, а его кинетическая энергия равна нулю. По мере движения маятника к положению 0 скорость движения увеличивается и возрастает кинетическая энергия — энергия движения. При переходе маятника через положение 0 его скорость и кинетическая энергия имеют максимальное значение, а потенциальная энергия равна нулю. Далее скорость уменьшается и кинетическая энергия переходит в потенциальную. Если бы не было потерь энергии, то такой переход энергии из одного состояния в другое продолжался бы бесконечно и колебания были бы незатухающими. Однако практически всегда имеются потери энергии. Поэтому для создания незатухающих колебаний нужно подталкивать маятник, т.е. добавлять ему периодически энергию, возмещающую потери, как это делается, например, в часовом механизме.

Перейдем теперь к изучению электрических колебаний. Колебательный контур представляет собой замкнутую цепь, состоящую из катушки L и конденсатора С. На схеме (рис.2), такой контур образуется при положении 2 переключателя П. Каждый контур обладает еще и активным сопротивлением, влияние которого пока не будем рассматривать.

Назначение колебательного контура — создание электрических колебаний.

Если присоединить к катушке заряженный конденсатор, то его разряд будет иметь колебательный характер. Для заряда конденсатора надо в схеме (рис.2) поставить переключатель П в положение 1. Если затем его перевести на контакт 2, то конденсатор начнет разряжаться на катушку.

Процесс колебаний удобно проследить с помощью графика, показывающего изменения напряжения и и тока i (рис.3).

В начале конденсатор заряжен до наибольшей разности потенциалов Um, а ток I равен нулю. Как только конденсатор начинает разряжаться, возникает ток, который постепенно увеличивается На (рис.3) показано стрелками направление движения эчектронов этого тока. Быстрому изменению тока препятствует эдс самоиндукции катушки. По мере возрастания тока напряжение на конденсаторе уменьшается, в некоторый момент (момент 1 на рис.3) конденсатор полностью разрядится. Ток пристановится первоначальное состояние контура (момент 4 на рис.3).

Электроны в колебательном контуре совершили одно полное колебание, период которого показан на (рис.3) буквой Т. За этим колебанием следует второе, третье и т. д.

В контуре происходят свободные электрические колебания. Они совершаются самостоятельно без воздействия каких-либо внешних эдс, только благодаря начальному заряду конденсатора.

Эти колебания являются гармоническими, т. е. представляют собой синусоидальный переменный ток.
В процессе колебаний электроны не переходят с одной обкладки конденсатора на другую. Хотя скорость распространения тока очень велика (близка к 300 000 км/сек), электроны перемещаются в проводниках с весьма малой скоростью — доли сантиметра в секунду. За время одного полупериода электроны могут пройти только небольшой участок провода. Они уходят с обкладки, имеющей отрицательный заряд, в ближайший участок соединительного провода, а на другую обкладку приходят в таком же количестве электроны из участка провода, ближайшего к этой обкладке. Таким образом, в проводах контура совершается лишь смещение электронов на небольшое расстояние.

Заряженный конденсатор обладает запасом потенциальной электрической энергии, сосредоточенной в электрическом поле между обкладками. Движение электронов сопровождается возникновением магнитного поля. Поэтому кинетическая энергия движущихся электронов есть энергия магнитного поля.

Электрическое колебание в контуре представляет собой периодический переход потенциальной энергии электрического поля в кинетическую энергию магнитного поля и обратно.

В начальный момент вся энергия сосредоточена в электрическом поле заряженного конденсатора. Когда конденсатор разряжается, его энергия уменьшается и растет энергия магнитного поля катушки. При максимальном токе вся энергия контура сосредоточена в магнитном поле.

Дальше процесс идет обратным порядком: магнитная энергия уменьшается и возникает энергия электрического поля. Через полпериода после начала колебаний вся энергия опять сосредоточится в конденсаторе, а затем снова начнется переход энергии электрического поля в энергию магнитного поля и т. д.

Максимум тока (или магнитной энергии) соответствует нулю напряжения (или нулю электрической энергии) и наоборот, т. е. сдвиг фаз между напряжением и током равен четверти периода, или 90°. В первую и третью четверти периода конденсатор играет роль генератора, а катушка является приемником энергии. Во вторую и четвертую четверти, наоборот, катушка работает в качестве генератора, отдавая энергию обратно в конденсатор.

Особенностью контура является равенство индуктивного сопротивления катушки и емкостного сопротивления конденсатора для тока свободных колебаний. Это вытекает из следующего.

Конденсатор и катушка соединены своими зажимами друг с другом и поэтому напряжения на них равны. Ток I в катушке и конденсаторе один и тот же, так как контур представляет собой последовательную цепь. Поэтому можно написать

где  — индуктивное сопротивление катушки, а — емкостное сопротивление конденсатора.
Разделив обе части этого равенства на I, получим

Значение индуктивного или емкостного сопротивления элементов контура на частоте собственных колебаний называют характеристическим (иногда волновым, что неудачно) сопротивлением контура и обозначают греческой буквой р (ро)

Величина ρ обычно бывает порядка нескольких сотен ом.