Военно-техническая подготовка
2.1. Элементы линий связи и устройства СВЧ
2.1.1. Электромагнитные колебания и волны
Электромагнитными колебаниями (ЭМК) называют периодические изменения во времени электрического заряда (силы тока, напряжения), в общем случае ЭМК это взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (Н) полей, составляющих единое Электромагнитное поле.
Различают вынужденные электромагнитные колебания, поддерживаемые внешними источниками, и собственные электромагнитные колебания, существующие и без них.
Типичный пример системы с сосредоточенными параметрами в которой могут существовать электромагнитные колебания — колебательный контур , где происходят колебания зарядов на обкладках конденсатора С и токов в катушке индуктивности L.
Рис.1. Последовательный колебательный контур
Зависимость коэффициента передачи контура К( f ) от частоты входного сигнала f называется амплитудно-частотной характеристикой контура.
Под коэффициентом передачи К понимается отношение выходного сигнала элемента к его входному сигналу, рассматривают коэффициенты передачи по току, напряжению, мощности и т.д.
Рис.2. Амплитудно-частотная характеристика
Параметры, описывающие свойства колебательного контура:
- резонансная частота ƒ 0 ;
- волновое сопротивление r;
- добротность Q;
- полоса пропускания Dƒ.
Частота свободных колебаний контура
.
Частота свободных колебаний является частотой
r = 2πf 0 L = 1/(2πf 0 C).
.
Полоса пропускания определяется как ширина АЧХ по уровню половинной мощности (для амплитуды по уровню 0,707 от максимума) и для колебательного контура может быть рассчитана из выражения:
Dƒ = ƒ 0 / Q.
Электромагнитные волны ( ЭМВ) – синусоидальные электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве.
Рис 3. Электромагнитная волна
К электромагнитным волнам относятся: ультрафиолетовое излучение, свет, тепловое (инфракрасное) излучение, и радиоволны .
Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:
Диапазон | Частота f | Длина волны l |
Сверхдлинные волны (СДВ) | 3 – 30 кГц | 100 — 10 км |
Длинные волны (ДВ) | 30 – 300 кГц | 10 — 1 км |
Средние волны (СВ) | 0,3 – 3 МГц | 1000 — 100 м |
Короткие волны (КВ) | 3 – 30 МГц | 100 — 10 м |
Ультракороткие волны (УКВ) включают несколько поддиапазонов: | ||
метровые волны (МВ) | 30 – 300 МГц | 10 — 1 м |
дециметровые волны (ДМВ) | 0,3 – 3 ГГц | 10 — 1 дм |
сантиметровые волны (СМВ) | 3 – 30 ГГц | 10 — 1 см |
миллиметровые волны (ММВ) | 30 – 300 ГГц | 10 — 1 мм |
субмиллиметровые волны (СММВ) | 0,3 – 6 ТГц | 1 – 0,05 мм |
Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн называют сверхвысокими частотами (СВЧ).
Частота f и длина волны l связаны соотношением:
,
где с – скорость ЭМВ, в воздухе и в вакууме с = 3∙108 м/сек.
2.1.2. Коаксиальные линии связи
Коаксиальная линия связи представляет собой систему, передачи высокочастотных электромагнитных колебаний, состоящую из двух соосных металлических цилиндров, разделенных слоем диэлектрика.
Рис. 1. Поперечный разрез коаксиальной линии.
Рис. 2. Современные коаксиальные кабели.
В коаксиальной линии распространяется волна типа Т (поперечная), электрические силовые линии идут радиально, а магнитные силовые линии имеют вид концентрических окружностей.
Волновое сопротивление r коаксиальной линии зависит от отношения диаметров D/d наружного и внутреннего проводников.
Чем меньше это отношение, тем больше емкость линии и тем меньше r. Например, для воздушной коаксиальной линии при
D/d = 1,5 величина r составляет 25 ом, а при D/d= 8 она возрастает до 125 ом.
В большинстве случаев коаксиальные высокочастотные кабели выпускаются промышленностью с волновым сопротивлением 50, 75, 150 Ом.
К основным достоинствам коаксиальных линий передачи относятся следующие:
1) широкополосность, т.е. способность пропускать широкую полосу рабочих частот;
2) электромагнитное поле, имеющее структуру Т-волны, распространяется в пространстве между цилиндрами и во внешнюю среду волна не выходит, т.е. отсутствует паразитное излучение;
3) возможность изготовления в виде гибких коаксиальных кабелей.
Коаксиальные волноводы нашли широкое применение в радиоаппаратуре. Чаще всего они используются для соединения узлов и блоков радиоаппаратуры.
Такие волноводы применяют в метровом и в сантиметровом диапазонах, обычно не выше 20 ГГц. С увеличением частоты растет затухание, которое может достичь более 1дБ/м.
2.1.3. Волноводы
Волноводами называются металлические трубки различного профиля, внутри которых распространяются электромагнитные волны (в миллиметровом диапазоне длин волн волноводы могут быть сделаны и из диэлектрика).
Профиль сечения волноводов может быть любым, но из технологических соображений делается, как правило, круглым, либо прямоугольным .
Фото. 1. Прямоугольные волноводы в различном исполнении.
Габариты сечения волноводов зависят от диапазона частот, для которых этот волновод применяется. Эти габариты стандартизованы.
Диапазон частот, в котором, как правило, используется прямоугольный волновод – 1000 – 100 000 МГц.
Рис. 1. Габариты сечения волновода.
Критическая длина волны λкр в волноводе зависит от размера его широкой стенки а — λкр = 2а, и показывает максимальное для данного размера волновода значение длины волны, более длинные волны в волноводе эффективно распространяться не будут.
В волноводах могут распространяться ЭМВ 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 H, имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле только в поперечной плоскости.
В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от наличия большего или меньшего отражения на конце волновода.
Режим работы линии характеризует коэффициент бегущей волны (КБВ), принимающий значения от 1 ( бегущая волна ) до 0 ( стоячая волна ).
Режим бегущей волны наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии. Для получения в волноводе бегущей волны нагрузка должна полностью поглощать энергию, передаваемую по волноводу, т. е. выходное волновое сопротивление волновода rвых должно быть равно волновому входному сопротивлению нагрузки rвх. Такая нагрузка называется согласованной с волноводом.
Фото.2. Элементы волноводных трактов
2.1.4. Объемные резонаторы
Объемный резонатор это колебательная система СВЧ, предложенная советским ученым М.
С. Нейманом в 1939-1940 гг., аналог колебательного контура, представляет собой объём, заполненный диэлектриком (в большинстве случаев воздухом) и ограниченный проводящей поверхностью.
Форма поверхности объемного резонатора в общем случае может быть произвольной, однако практическое распространение (в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта и изготовления) получили круглые цилиндры, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и т.п.
Основные характеристики объёмного резонатора — резонансная частота, добротность и волновое сопротивление — отождествляются с характеристиками эквивалентного колебательного контура.
Некоторые типы резонаторов удобно рассматривать как отрезки полых или диэлектрических волноводов, ограниченные двумя параллельными плоскостями.
Рис.1. Тороидальные объемные резонаторы.
Рис. 2. Коаксиальный резонатор с торцевым зазором: 1 — в обкладки конденсатора, 2, 3 — петли связи, 4 — настроечный микрометрический винт.
Процесс накопления электромагнитной энергии в резонаторе можно пояснить на следующем примере: если между двумя параллельными отражающими плоскостями каким-либо образом возбуждается ЭМВ, распространяющаяся перпендикулярно к ним, то при достижении одной из плоскостей волна полностью отразится от неё. Многократное отражение от обеих плоскостей приводит к образованию волн, распространяющихся в противоположных направлениях и интерферирующих друг с другом. Если расстояние между плоскостями L = nλ/2 (λ — длина волны, а n — целое число), то интерференция волн приводит к образованию стоячей волны, амплитуда которой при многократном отражении сильно возрастает; в пространстве между плоскостями будет накапливаться электромагнитная энергия, подобно тому, как это происходит при резонансе в колебательном контуре.
2.1.5. Аттенюаторы
Аттенюа́тор (
фр.
attenuer — смягчить, ослабить) — устройство для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения интенсивности СВЧ электромагнитных колебаний, это
электронное устройство
, которое уменьшает
амплитуду
или
мощность
сигнала
без существенного искажения его формы.
Фото 1. Регулируемый аттенюатор Д5-21 для волноводного тракта.
Фото 2. Регулируемый аттенюатор Д4-3 для коаксиального тракта.
Аттенюатор является противоположностью усилителя , хотя оба эти устройства имеют различные принципы работы. В то время как усилитель обеспечивает усиление, аттенюатор обеспечивает ослабление.
Аттенюаторы используются для калиброванного измерения уровня мощности сигнала, для снижения чувствительности характеристик узла аппаратуры к изменениям сопротивления нагрузки, для оперативного изменения коэффициента передачи, балансировки каналов электронной аппаратуры, согласования сопротивлений в межкаскадных СВЧ-цепях, создания векторных модуляторов, а также при формировании сигналов со сложными видами модуляции.
2.1.6. Волноводные тройники
Волноводные тройники (Т-образные разветвления) бывают двух видов Н и Е.
Н-плоскостной тройник выполняется обычно так, что размеры поперечного сечения и, следовательно, волновые сопротивления всех трех волноводов одинаковы. Если плечи Б и В нагружены на одинаковые сопротивления, отстоящие на одинаковых расстояниях от разветвления, то мощность, поступающая в плечо А, поровну делится между плечами Б и В синфазно. На основании принципа обратимости следует, что две одинаковые синфазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Н-плечо А.
Рис.1. Н-плоскостной тройник
В Е-плоскостном тройнике при одинаковых нагрузках плеч Б и В, расположенных на одинаковых расстояниях от оси разветвления, мощность, поступающая из плеча А, поровну делится между этими нагрузками, но в противофазе.
В обратном случае две одинаковые противофазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Е-плечо А.
Рис.2. Е-плоскостной тройник
Двойной волноводный тройник представляет собой соединение Е- и Н- тройников с совпадающими плоскостями симметрии.
Рис.3. Двойной волноводный тройник
При питании двойного тройника со стороны Е- плеча подводимая мощность делится поровну в противофазе между 2 и 3 боковыми плечами и не поступает в плечо Н.
При подключении генератора к Н- плечу мощность распределяется поровну между 2 и 3 плечами синфазно и не поступает в Е- плечо.
Из сказанного выше следует, что плечи Е и Н двойного тройника взаимно развязаны.
На основании принципа обратимости следует, что две одинаковые синфазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Н-плечо, две одинаковые противофазные волны из боковых плеч пройдут в Е-плечо; в этих случаях Е- и Н-плечи остаются развязанными.
Волноводные тройники применяются в антенных системах РЛС.
2.1.7. Ответвители
Направленные ответвители представляют собой сочленение связанных между собой определенным образом волноводов, в каждом из которых может распространятся только одна волна.
Фото. Направленные ответвители.
В сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн применяют волноводную конструкцию ответвителя. Он состоит из двух отрезков волновода, которые имеют на определенном участке общую тонкую стенку (широкую или узкую). В стенке, разделяющей волноводы, сделаны отверстия, служащие элементами связи, через которые ответвляется небольшая часть мощности из первичного волновода во вторичный. Количество отверстий, их форма и размеры определяют характеристики ответвителя. Направленное распространение во вторичном волноводе достигается в результате интерференции возбуждённых в нём волн, которые, складываясь, в одном направлении взаимно гасятся, а в другом — образуют результирующую ответвлённую волну.
Направленные ответвители широко используются в антенных ситемах СВЧ для измерения мощности, длины волны, модуля коэффициента отражения от нагрузки в линии передачи, наблюдения формы сигнала. Также направленные ответвители применяются в смесителях приемников СВЧ.
2.1.8. Фазовращатели
Фазовращатель СВЧ, устройство, предназначенное для изменения фазы электромагнитных колебаний на выходе линии передачи СВЧ относительно фазы колебаний на её входе, осуществляемого посредством изменения электрической длины этой линии. (Электрическая длина линии равна 2πl/λ, где l – её геометрическая длина, λ – длина волны в линии.) Фазовращатели подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.
Рис.1. Простейший фазовращатель на прямоугольном волноводе с продольно-намагниченным ферритом
Регулируемый фазовращатель – участок Фидера, вносящий фазовый сдвиг на определённой частоте (или требуемые сдвиги фаз в заданной полосе частот), который при необходимости можно регулировать по величине.
Различают фазовращатели с механическим (или электромеханическим) управлением фазовым сдвигом и фазовращатели с электрическим управлением.
Нерегулируемый фазовращатель реализуют в виде калиброванного по фазе отрезка фидера, фазовый сдвиг в котором достигается подбором значения его длины, размеров поперечного сечения (при использовании волновода) либо эффективной диэлектрической проницаемости.
Основная область использования регулируемых фазовращателей
СВЧ – ФАР.
Фото. 1. Фазовращатели входят в состав управляемых излучателей ФАР проходного типа, из которых собрано антенное полотно.
Рис. 2. Управляемый излучатель ФАР.
Управляемый излучатель состоит из управляемого ферритового фазовращателя, двух диэлектрических излучателей и схемы управления.
Фазовращатель выполняет роль управляемой задержки сигнала на время, не превышающее периода СВЧ колебаний.
2.1.9. Фильтры СВЧ
Фильтр — устройство, предназначенное для выделения из сложного колебания частотных составляющих, заданной области частот.
Основные функции фильтров СВЧ:
частотная селекция в ВЧ РПрУ, для защиты от зеркальных каналов приема;
выделение в приемниках полезного сигнала из спектра шумов и помех;
формирование заданного спектра излучения передатчиков.
В диапазоне СВЧ большинство фильтров строится на объемных резонаторах.
АЧХ фильтров СВЧ, как правило, имеет колокольную форму:
Рис. Амплитудно-частотная характеристика фильтра, где f 0 – частота настройки фильтра (резонансная), D f – полоса пропускания фильтра, определяемая его добротностью Q,
D f = f 0 / Q.
Следовательно для получения в диапазоне СВЧ f = 0,3 – 300 ГГц полосы пропускания в единицах МГц добротность Q таких фильтров должна составлять величину 1000 – 100 000.
Получение высокодобротных фильтров на базе объемных СВЧ резонаторов сложная и дорогостоящая техническая задача, связанная с высочайшими требованиями к точности и качеству механической обработки резонаторов. Следовательно, стоимость таких фильтров весьма высока.
СВЧ-волноводы
СВЧ-волноводыКонструкция СВЧ-волновода определяется несколькими правилами, которые нужно знать.
Любые передающие СВЧ-волну поверхности выполняются только в таких видах: диполи (полуволновые вибраторы), четвертьволновые вибраторы, контуры, объемные волноводы (короба и трубчатые волноводы).
Диполи
Все антенны конструируются на основе этих элементов.
По этой причине любой кусок провода в той или иной степени работает как пассивный фидер переизлучая радиоволну соответствующей его размеру частоты. Точки a и b показывают места подключения кабеля к блоку радиосети.
Объемные волноводы (короба и трубчатые волноводы)
Коробчатый волновод является СВЧ-антенной. Внутренний размер одной из четырех сторон квадрата соответствует половине длины волны для рабочей частоты. Точки a и b показывают места подключения кабеля к блоку радиосети. Излучение и прием СВЧ-сигнала осуществляется через открытое отверстие справа на рисунке. Винт служит для точной настройки на рабочую частоту. Точка a находится на расстоянии в четверть волны от дна волновода. Длина волновода равна любому целому числу длин волн.
Контуры
Длина контура (окружности) равна длине волны. Точки a и b показывают места подключения кабеля к блоку радиосети.
Четвертьволновые вибраторы
Любой проводящий (металлический) стержень установленный на плоскую металлическую пластину одним из концов при том что угол с поверхности составляет 90 градусов (то есть стержень перпендикулярен этой поверхности) работает как четвертьволновой вибратор и его рабочая длина волны составляет 4 его длины с учетом коэффициента укорочения (при распространении в металле радиоволна имеет меньший размер чем при распространении в воздухе).
Конструкции антенн
Как определить в каком режиме работает антенна из бытовой упаковки, собранная самостоятельно или случайно образованная выступами и отверстиями в иных металлических деталях?
На рисунке:
1 — контур (измеряем внутренний диаметр)
2 — короб (измеряем внутри большую сторону равную половине волны)
3 — это диполь! (измеряем внутри большую сторону равную половине волны)
4 — диполь (измеряем длину равную половине волны)
5 — моток провода (измеряем внешний и внутренний диаметры мотка и вычисляем две частоты: такая антенна работает в полосе от первой до второй частоты)
6 — три разных четвертьволновых вибратора установлены на одной металлической пластине, что допустимо (измеряем длину любого из них равную значению соответствующее четверти волны для выбранного вибратора)
7 — металлическая пластина с вырубленными «окнами».
Квадратное окно рассчитывать как полуволновой диполь, круглые — как контуры, а вытянутое — как полуволновой диполь
8 — короб (измеряем внутри большую сторону равную половине волны)
9 — труба (измеряем внутренний диаметр)
10 — трубка (измеряем внутренний диаметр)
11 — контур (измеряем внутренний диаметр)
Самостоятельное изготовление СВЧ-антенн
По расчетому размеру склеивается бумажная гильза с внешним диаметром соответствующим рабочей частоте.
Для обмотки используется алюминиевая фольга. Фольга обматывается зеркальным слоем внутрь.
Картонная коробочка от лекарства обмотанная фольгой начинает работать как коробчатый СВЧ-волновод.
Фольгой можно обматывать различные пластмассовые предметы. Предметы изготовленные из черной пластмассы для изготовления трубчатых СВЧ-волноводов не подходят, так как пластмасса является смесью полистирола и частиц углеродной сажи, которая поглощает СВЧ-волны.
Микроволноводы: внутренний размер не превышает 0.5 мм.
Микроволноводы: фотосъемка через макрообъектив.
Вакуумное напыление металла
Если нужно сделать очень тонкие трубки, то можно взять простые кисточки и в вакуумном посте напылить на волосяную часть тонкий слой металла: алюминия или золота. Вакуумные посты имеются практически в любом научно-исследовательском институте. Рабочие частоты таких СВЧ-волноводов будут находится в диапазоне сотен Гигагерц. Понятно 🙂 что одна золотая трубочка на единственном волоске из кисточки создать нужное усиление не сможет, но в кисточке таких волосков до 2,000, значит суммарный эффект для СВЧ-волны от 2,000 СВЧ-волноводов будет приемлемым.
Схема вакуумного поста: ускоряющее напряжение порядка 30,000 В заставляет атомы металла (алюминия или золота) двигаться с катода на анод. Таким способом покрываются металлами любые предметы, в том числе изготовленные из пластмассы.
Противодействие распределенным локальным UHFRLAN-сетям
Для того чтобы временно вывести из строя сегмент распределенной локальной UHFRLAN-сети, например, если ее предположительно используют для хищения трафика в другой сети, нужно всего лишь сделать неработоспособными СВЧ-матрицы, с помощью которых организована эта UHFRLAN-сеть. Как указано на другой странице у СВЧ-диодов снижается «качество» если на них создать кратковременное мощное СВЧ-поле. Создать мощный импульс СВЧ-поля возможно если на рабочем СВЧ-волноводе произвести электроразряд. Для решения этой задачи подходит батарея из 6 электролитических конденсаторов номинала 2,000 мкФ х 50 В каждый, соединенных для увеличения общей емкости паралелльно, отчего суммарная емкость будет составлять 12,000 мкФ. Выяснив или предположив на какой рабочей частоте работает расположенный рядом скрытый блок UHFRLAN-сети нужно перенести в радиус эффективного поражения СВЧ-матрицы блок заряженных до уровня 50.
..100 Вольт конденсаторов и замкнуть плюсовую и минусовую шины трубчатым или коробчатым СВЧ-волноводом. При коротком замыкании на СВЧ-антенне наводится мощное импульсное СВЧ-поле и любая работающая в радиусе поражения СВЧ-матрица выходит из строя.
Как определить есть-ли в районе работающая UHFRLAN-сеть? Так как самым доступным для пользователей таких сетей является применение в качестве пассивных фидеров алюминиевых банок от пива то стоит запустить анализатор трафика сети Интернет для рута (root) обслуживающего данный район и измерив средний уровень трафика произвести короткое замыкание алюминиевой банкой и в течении последующих 2-3 минут измерить изменение трафика. Так нужно повторить несколько раз. Если вы получите график показывающий что именно ваши разряды приводят к изменению Интернет-трафика в районном руте, то можно будет сказать что часть пользователей работают в Интернет через UHFRLAN-сеть, имея шлюзы (gates) в этот рут и изменение трафика связано с их временными отключениями.
Схема соединения емкостей. Такое странное расположение емкостей связано с тем, что они должны быть соединены как можно более короткими проводами, желательно полосами из электролитической меди с сечением не менее 5 квадратных миллиметров. Только в этом случае разряд будет гореть создавая шнур с максимальным выделением тепла и СВЧ-энергии.
Фотография сделана с увеличением в 3 раза. Два слоя фольги на трубчатом СВЧ-волноводе испаряются от высокой температуры в шнуре разряда.
[К содержанию]
Основы волноводов, микроволновых печей и печей
Поскольку последовательное индуктивное и параллельное емкостное сопротивление возрастают с частотой, коаксиальный кабель нельзя использовать, когда частота сигнала превышает определенный уровень. Это также зависит от длины пробега и зависит от приложения, т.е. от того, насколько допустимы потери. Таким образом, верхний предел сильно различается, а также зависит от типа разъема.
Суть, однако, в том, что выше определенной частоты коаксиальный кабель не может передавать сигналы. Вот когда используется волновод. Существуют различные типы волноводной передачи, но основная идея заключается в том, что сигнал вводится на одном конце полой трубки и выводится на другом конце. Внутренняя поверхность трубки тщательно отполирована, что обеспечивает полное внутреннее отражение сигнала. Таким образом, распространение внутри волновода часто описывается как «зигзаг» между стенками.
Пример сборки волновода для микроволновых частот. Обычно сигнал, распространяющийся без волновода, теряет интенсивность при распространении в трехмерном пространстве. Его мощность убывает по закону обратных квадратов. Частота распространяющейся волны определяет размеры волновода. Размеры волновода уменьшаются с увеличением частоты или, что то же самое, с уменьшением длины волны. Как правило, ширина волновода должна быть того же порядка, что и длина волны передаваемого сигнала. Соответственно, любой заданный волновод будет иметь определенную полосу пропускания, в которой он эффективен.
Соединения плотно скреплены болтами и прокладками, как и в случае с трубами, предназначенными для удержания давления воды. Готовый волновод, если он правильно спроектирован и адаптирован к применению, будет передавать высокочастотные сигналы с незначительными потерями. Распространение волн через волновод определяется из решений волновых уравнений, определяющих сигнал. Ограничения граничных условий ограничивают частоты и формы волновой функции, которые могут распространяться в волноводе. Самая низкая частота, на которой может распространяться определенная мода, является частотой среза этой моды. Мода с наименьшей частотой среза является основной модой волновода, а ее частота среза является частотой среза волновода.
Волноводы анализируются путем решения уравнений Максвелла с граничными условиями, определяемыми конкретным волноводом. Эти уравнения имеют несколько решений или режимов, которые являются собственными функциями системы уравнений. Каждая мода характеризуется частотой среза, ниже которой мода не может существовать в справочнике.
Продольная мода волновода представляет собой особую картину стоячей волны, образованную волнами, заключенными в резонаторе. ТЕ-моды (поперечные электрические) не имеют электрического поля в направлении распространения. Моды TM (поперечные магнитные) не имеют магнитного поля в направлении распространения. Моды ТЕМ (поперечные электромагнитные) не имеют ни электрического, ни магнитного поля в направлении распространения. Гибридные моды имеют компоненты как электрического, так и магнитного поля в направлении распространения.Волноводы могут иметь прямоугольное или круглое поперечное сечение в зависимости от режима передачи направляемой волны. Оптическое волокно имеет круглое сечение и малый диаметр из-за короткой длины волны световой энергии.
Печатные платы иногда содержат волноводы, известные в торговле как полосковые линии. Даже там, где работает коаксиальный кабель, предпочтение отдается полосковым линиям, потому что они дешевле и подходят к печатной плате.
В отличие от электрической цепи, в которой есть проводник под напряжением и обратный проводник (или силовые и заземляющие шины), волновод представляет собой путь с односторонним движением.
Волноводы могут принимать различные формы в зависимости от частоты. Теоретически волноводами можно считать все среды, передающие волновую энергию посредством ограничения ее прямого пути между отправителем и получателем. Энергия может представлять собой низкочастотные звуковые волны, модулированные радиочастотные сигналы, видимый свет, микроволны или рентгеновские лучи. На самом деле коаксиальный кабель, в зависимости от режима передачи, иногда считается волноводом. Если у вас есть телевизор или микроволновая печь, не говоря уже о нервных клетках, у вас в доме есть волновод.
Существуют также естественные волноводы. Крик кита такой же громкий, как реактивный двигатель, но его можно услышать за тысячи миль. Это связано с тем, что тепловые слои в океане образуют волноводы.
Спутниковые тарелки имеют волноводы для перемещения микроволнового сигнала от фокуса тарелки к месту расположения малошумящего блока, в котором находится понижающий преобразователь. Это позволяет передавать сигнал примерно на 30 футов к приемнику внутри здания.
Общепринятого определения микроволнового излучения не существует. Часто это относится к лучистой энергии с длиной волны от одного метра до одного миллиметра или к частотам в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц. (Термин «микро» не относится к конкретной длине волны. Он просто означает малый.)
Возможно, самым известным источником микроволнового излучения является резонаторный магнетрон, вакуумная трубка, которая находится в обычных микроволновых печах. В том виде, в каком он существует сегодня, он питается от источника высокого напряжения. Он содержит ряд металлических объемных резонаторов. Поток электронов, взаимодействующий с магнитным полем, ускоряется мимо полостей и в них возбуждаются радиоволновые колебания. Высокочастотная энергия передается по волноводу в нужное место внутри микроволновой печи.
Первый магнетрон, изобретенный в 1920-х годах, имел один резонатор. В 1930-х годах были введены множественные резонаторы, а во время Второй мировой войны устройство использовалось в небольших радиолокационных установках в самолетах.
Причина, по которой пища нагревается в микроволновой печи, заключается в том, что излучение, испускаемое волноводом, вращает полярные молекулы в пище, что приводит к выделению тепла. В народном представлении пища «согревает изнутри», но это неверно. На самом деле эффект нагрева максимален на поверхности и уменьшается с глубиной, хотя и не так быстро, как в конвекционных печах.
Часто можно увидеть предупреждение не разбирать микроволновые печи, поскольку они содержат токсичные материалы и длительное высокое напряжение. Тем не менее, на YouTube есть множество видеороликов, показывающих, как именно выполнять эту разборку. Итак, вот несколько подробностей: опасный материал на самом деле представляет собой бериллий, смешанный с керамикой, которая является частью магнетронной трубки. Бериллий является печально известным канцерогеном при вдыхании. Поэтому, если вы собираетесь разобрать микроволновую печь, никогда не режьте, не точите и не трогайте керамические компоненты в трубке магнетрона.
(Некоторые видеоролики о разборке духовки указывают на это. Некоторые нет.)
Когда любители разбирают микроволновые печи, чаще всего они собирают компоненты: два кольцевых магнита от магнетрона, трансформатор (отвечающий за большую часть веса печи) и различные переключатели и сигнализаторы от блокировки дверцы и главной платы. Можно найти несколько видеороликов на YouTube, описывающих, как перепрофилировать эти компоненты. Трансформаторы, например, можно модифицировать, чтобы они стали основным компонентом самодельных аппаратов для точечной сварки или плавильных машин.
Однако дни такого перепрофилирования могут скоро подойти к концу. Производители мощных GaN-транзисторов утверждают, что теперь они могут производить твердотельные микроволновые усилители мощности, способные экономично заменить магнетроны. На торговых выставках они демонстрировали образцы печей с функциями, которые непрактичны в обычных печах, например, один уровень микроволновой энергии излучается, скажем, на картофельное пюре на тарелке, а более высокий уровень — на мясо, находящееся рядом с ним, поэтому оба продукта нагревать правильно.
Математический анализ волноводов Анализ волноводных полей (TE полей) Анализ волноводных полей (ТМ полей) Введение в волноводыВолноводы в основном представляют собой устройства («направляющие») для транспортировки электромагнитной энергии от одного области в другую. Как правило, волноводы представляют собой полые металлические трубы (чаще прямоугольного или круглого сечения). Они способны направляя мощность точно туда, где она необходима, может обрабатывать большое количество энергии и функционировать как фильтр верхних частот. фильтр. Волновод действует как фильтр верхних частот, в котором большая часть энергии выше определенной частоты
(частота среза) будет проходить через волновод, тогда как большая часть энергии ниже
частота будет ослаблена волноводом. Волноводы часто используются на микроволновых частотах.
(более 300 МГц, чаще 8 ГГц и выше). Волноводы являются широкополосными устройствами и могут передавать (или передавать) либо мощность, либо сигналы связи. Пример полого металлического прямоугольного волновода показан на следующем рисунке. Волноводы могут изгибаться, если этого требует желаемое приложение, как показано на следующем рисунке. Вышеупомянутые волноводы можно использовать с переходниками с волновода на коаксиальный кабель, как показано на следующем рисунке: Теперь мы знаем, что такое волновод. Рассмотрим металлические полости с прямоугольным поперечным сечением, как показано на рисунке 1. Предположим, что волновод заполнен вакуумом, воздухом или каким-либо диэлектриком с проницаемость, заданная и диэлектрическая проницаемость . Волновод имеет ширину a в направлении x и высоту b в направлении x.
y-направление, с a>b . Ось Z — это направление, в котором волновод должен передавать энергию. Рис. 1. Поперечное сечение волновода с длинным размером a и коротким размером b . На этой странице я собираюсь дать общие «правила» для волноводов. То есть я приведу уравнения для ключевых параметров и дайте вам знать, что означают параметры. На следующей странице мы перейдем к математический вывод (который вы бы сделали в инженерной аспирантуре), но вам может сойти с рук не зная всей этой математики, если вы не хотите ее знать. Во-первых, и, возможно, это наиболее важно, этот волновод имеет частоту среза fc . Отсечка частота — это частота, при которой все более низкие частоты ослабляются волноводом, а выше порога частоты все более высокие частоты распространяются внутри волновода. Частота среза определяет характеристика ФВЧ волновода: выше этой частоты волновод пропускает мощность, ниже на этой частоте волновод ослабляет или блокирует мощность. Частота среза зависит от
форма и размер поперечного сечения волновода. В приведенном выше примере c — это скорость света в волноводе, mu — это проницаемость материала, заполняющего волновод, и эпсилон — диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего волновод. Обратите внимание, что частота среза не зависит от короткая длина б волновода. Частота среза для волновода с круглым поперечным сечением радиусом a определяется как: В силу уравнений Максвелла
поля внутри волновода всегда имеют определенную «форму» или «форму волны» — они называются
режимы. Предположим, что волновод ориентирован так, что энергия должна передаваться вдоль
ось волновода, ось z.
Моды классифицируются как TE («поперечные электрические» — что указывает на то, что
E-поле ортогонально оси волновода, так что Ez=0)
или ТМ («поперечный магнитный» — что указывает на то, что
H-поле
ортогонален оси волновода, поэтому Hz = 0).  |