Толқынөткізгіштер: Тікбұрышты толқынөткізгіштер

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі

Л.Н.Гумилев  атындағы Еуразиялық Ұлттық Университеті

Физика-техникалық факультеті

Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар  кафедрасы

 

 

 

 

Реферат

Тақырыбы: Толқынөткізгіштер: Тікбұрышты                                   толқынөткізгіштер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Орындаған: Тулеугазина Ш.А.

РЭТ-41 тобының  студенті

Тексерген: Қанымгазиева И.А.

РЭТ кафедрасының доценті, ф-м. ғ. к.

 

 

 

 

 

 

Астана-2012

 

 

Мазмұны

 

 Кіріспе.

      Толқынөткізгіштердің айырмашылықтары мен ұқсастықтары......

1. Толқынөткізгіштердегі шығындар.....................................................
2. Тікбұрышты толқынөткізгіштер.........................................................
3. Тікбұрышты толқынөткізгіштегі өріс құрылымы..............................
4. Тіктөртбұрышты толқын өткізгіштің негізгі толқыны.....................

     Қорытынды.................................................................................................

      Пайдаланылған әдебиеттер....................................................................... 

Кіріспе

   Сантиметрлік толқындарда  линияларды көп жағдайда ішінде  электромагниттік толқын таралатын  дөңгелек немесе тікбұрышты металл  труба болып табылатын толқынөткізгішпен  алмастырады. Толқынөткізгіш қабырғалары  электромагниттік толқындарға жан-жаққа  тарауға мүмкіндік бермейтін  және оларды тек толқынөткізгіш  бойында орын ауыстыруға мәжбүрлейтін экран ролін атқарады. Коаксиалды линиямен салыстырғанда толқынөткізгіштегі шығындар азырақ, себебі ішкі сым мен ешқандай изоляторлар жоқ. Алайда толқынөткізгіштер қолданысын шектейтін кемшілік бар. Коаксиалды немесе симметриялық линияда кез келген жиілікті толқындар тарала алады, ал толқынөткізгіште fKp критикалық жиілік деп аталатын кейбір нақты шамадан жоғары жиіліктегі толқындар ғана тарала алады. Басқаша айтқанда, толқынөткізгіште ұзындығы кейбір критикалық толқын ұзындығынан қысқа толқындар ғана тарала алады. Критикалық толқын ұзындығы толқынөткізгіштің көлденең өлшемінен шамамен екі есе үлкен. Егер толқынөткізгіш диаметрі 3 см болса, онда критикалық толқын ұзындығы шамамен 6 см болады. Өте ұзын толқындар мұндай толқынөткізгіш арқылы тарала алмайды.

 

Толқынөткізгіштердің  айырмашылықтары мен ұқсастықтары

 

Аса жоғары жиілік диапазонында энергияны генератордан жүктемеге  беру үшін толқынөткізгіштер қолданылады. Толқынөткізгіш - дөңгелек немесе тікбұрышты қимасы бар қуыс, металл труба. (1-сурет).

1-сурет. Тікбұрышты және дөңгелек толқынөткізгіштің сыртқы түрі

 

Электромагниттік энергия  толқынөткізгіш бойымен құбырдағы  су секілді беріледі. Егер су құбырын кір мен қақтан мұқият  тазартса, оны электромагнитті толқындарды тасымалдауға қолдануға әбден болады.

Осымен ұқсастықтары аяқталып, айырмашылықтары басталады. Суретке  қарап, толқынөткізгіштерді жасау  арзан әрі жай нәрсе еместігін түсіну қиын емес. Су құбырының тот басқан ішкі жағымен салыстырғанда толқынөткішгіштердің ішкі беті жиі өңделеді және жұқа күміс қабатымен қапталады. Қарапайым екіөткізгішті линиядан толқынөткізгіштерге өту қаражатты үнемдеу мақатымен болған жоқ екендігі айқын.

Осындай өту себептеріне  толығырақ тоқталайық. Аталғандай, жиіліктің артуымен сәулеленуге  кететін қуат үлесі өседі. Оның өздігінен  жақсы еместігінен басқа, ол эфирдің  радиобөгеттермен бөгелуіне алып келеді және радио- мен электронды құрылғылардың  денсауығына кері әсер етеді. Сондықтан  метрлік диапазонда сигналдарды  тарату бір өткізгіші энергия сәулеленуін болдырмайтын экрандалған қабық түрінде жасалған екіөткізгішті линия болып табылатын коаксиалды кабель арқылы жүзеге асырылады.

Толқынөткізгіштердегі шығындар

Алайда жиілікті одан ары  арттырғанда орталық сым мен кабель қабығының арасындағы кеңістікті толтырып тұратын материалдағы сигналдың өшуімен байланысты шығындар көбейеді. Жеткілікті жиілік пен берілетін қуат үлкен болған кезде бұл кабельдің қатты қызып кетуі мен оның істен шығуына алып келеді. Мысалы, полиэтиленді толтырғышы бар, ұзындығы 10 м РК-75 коаксиалды кабель 3 ГГц жиілікте берілетін қуаттың 84%-ын жоғалтады. Тікбұрышты мыс толқынөткізгіш дәл сол шарттарда шамамен 5% қуат қана жоғалтады. Тортырушы ретінде өшуі аз материалдарды қолдана отырып, берілетін қуаттың мүмкін деңгейін арттыруға болады, ал аз жоғалтуларға ауа толтырушылары ие болғандықтан, кабель кәдімгідей коаксиалды толқынөткізгішке трансформацияланады (құбылады).  

Толқынөткізгіште жоғалулар  қайдан пайда болады, егер ол ондаған  милилиметрлік көлденең қималы ауданды мыстан жасалған болса? деген сұрақ туындауы мүмкін. Жауабы токтар өзінің толқынөткізгіш қимасында жүрмей, тек скин-қабат бойынша электромагниттік өріс өтетін жерде ғана жүреді деп түсіндіріледі. Скин-қабаттың тереңдігі жиіліктен және толқынөткізгіш жасалған металдың меншікті өткізгіштігінен тәуелді.

Ол мына формауламен есептеледі:

 

 

 

Мысалға, 2.45 ГГц жиілікте өрістің ену тереңдігі 1.3 мкм-ге дейін мыс үшін және тот баспайтын болат үшін 10 мкм-ге дейін шаманы құрайды. Сондықтан да ток өтетін көлденең қиманың жалпы ауданы салыстырмалы үлкен емес. Толқынөткізгіштің ішкі бетінің сапасы зор маңызға ие. Толқынөткізгіш қабырғаларының кедір-бұдырлығы неғұрлым көп болса, АЖЖ токтардың жолы соғұрлым ұзын болады, және де толқынның өшуі тез жүреді.  Сондықтан да шығындарды азайту үшін кейде толқынөткізгіштерді жылтырата өңдейді және жұқа күміс қабатымен қаптайды.

АЖЖ техникада көлденең қимасының  пішіндері әр түрлі толқынөткізгіштер  кездеседі: П-тәрізді, Н-тәрізді, дөңгелек, сопақ және т.б. Қысқатолқынды пештерде тек тікбұрышты толқындар ғана қолданылады, сондықтан да біз сонымен шектелеміз.

 

Тікбұрышты толқынөткізгіштер

Тіктөртбұрышты толқын өткізгіш – өзінің бойынан өтетеін толқындарды  өткізе алатын тіктөртбұрышты формадағы  металдық толқын өткізгіші. Толқын өткізгіштің  ерекшелігі  бұнда өткізілетіін жиіліктің төменгі шегі жүзеге асады, яғни белгілі бір жиіліктен төмен  толқындар  тынады да және тарала алмай  қалады.

Тіктөртбұрышты толқын өткізгіштің негізгі артықшылықтары:

• Жіберілетін сигналдың қуатының жеткілікті  көп болуы;

Қоршаған ортада энергияның сәулеленуі кесірінен болатын жоғалуларының  аз  болуында.

Тұтастай алғанда толқынөткізгіштегі өріс конфигурациясы өте күрделі формаға ие болуы мүмкін. Бақытықа орай, теория өрістің күрделі құрылымын салыстырмалы қарапайым түрлердің жинағына келтіруге мүмкіндік беретін механизмді береді.

Тікбұрышты толқынөткізгіште бар түрлерге талдауды бастамас бұрын, электромагниттік тербелістер теориясынан  шығатын кейбір ережелерді қалыптастырайық.

1. Электромагниттік өрістегі электрлік және күш сызықтары өзара перпендикуляр.
2. Магнит күш сызықтар тұйықталған және тогы бар өткізгішті немесе айнымалы электр өрісін қамтиды.
3. Электрлік күш сызықтары әлде бір электр зарядынан екіншісіне барады, әлде магниттік сызықтарға ұқсас тұйықталған және айнымалы магнит өрісін алып жатыр.
4. Электромагниттік өрістің біртекті ортада, кез келген бағыт бойымен, уақыт және кеңістік бойынша өзгеруі синусоида және косинусоида бойынша жүреді.
5. Толқынның өткізгіш беттен қалыпты шағылуы кезінде (яғни құлама және шағылған толқындардың бағыттары тікелей қарама-қарсы болғанда)  оның фазасы 180°-қа өзгереді.
6. Өткізгіш бетіндегі манит күш сызықтары осы бетке әрқашан  параллель.
7. Электрлік күш сызықтары өткізгіш беті бойымен жүре алмайды, олар осы бетке әрқашан перпендикуляр.

Соңғы екі қасиет өткізгіш бетіндегі, яғни өткізгіш пен электромагниттік өрістің таралу аймағының арасындағы шекарадағы өріс құрылымын анықтайды. Сондықтан да оларды «шекаралық шарттар» деп атйды. Электромагниттік өріс әрқашан  осы шарттар орындалатын құрылымға ие.

Толқындардың толқынөткізгіште көлденең координаттар бойымен таралуы  кезінде  тұрған толқындар пайда  болады.

Толқынөткізгіш бойымен  таралатын электромагниттік толқындарды  шартты түрде негізгі екі түрге  бөлуге болады.

Таралу бағытының бойындағы  электр өрісі құраушысына ие және магнит өрсінің құраушысына ие емес толқындар Е-типке жатады. Және керісінше, таралу бағыты бойындағы магниттік  құраушыларына ие және электрлік  құраушыға ие емес толқындар Н-типке  жатады.

Әрбір толқын типі толқынөткізгіш көлденең қимасының үлкен және кіші жақтары бойындағы тұрған жартытолқындардың  санын көрсететін екі саннан тұратын  индексі бар сәйкес әріппен белгіленеді. Осылайша, толқын атауы бойынша оған сәйкес өріс құрылымын аықтауға болады.

Егер екі көлденең координаттардың  өлшемдері жарты толқын ұзындығына қарағанда кіші болса, онда мұндай толқынөткізгіш арқылы толқын тарала алмайды. Бұл жағдайда толқынөткізгішті  берілген толқын түрі үшін шектен шыққан болып табылады деп айтады. 

Толқынөткізгіш бойымен  тарала алатын толқынның ең үлкен  ұзындығы критикалық деп аталады. Толқынөткізіштің бекітілген өлшемдері кезінде толқын ұзындығы оның типінен тәуелді болады. Төменде оны есептейтін формула  келтірілген.

Формуладан көрініп тұрғандай, тип индекстері неғұрлым жоғары болған сайын, берілген толқын типі таралуы  мүмкін толқынөткізгіштің көлденең өлшемдері соғұрлым үлкен болуы қажет. Бұл жағдай типтердің іріктемесін жеңілдетеді, себебі толқынның жұмыстық ұзындығында әрқашан а және b өлшемдерін тек қажетті толқын типтері тарала алатындай етіп таңдауға болады.

Практикада әдетте жұмыстық ретінде 2-суретте көрсетілген  Н₁₀ типі қолданылады.

2-сурет.  Н₁₀типті толқын үшін тікбұрышты толқынөткізгіштегі

электромагниттік өрістің құрылымы

   

Нақты көрнекілік үшін суретте кең жалпақ қабырға бойындағы электр және магнит өрістерінің бөліну гафигі келтірілген. Толқын атауындағы екінші индекстің нольге теңдігі жіңішке қабырға бойында өріс өзгермейді дегенді білдіреді. 

Өрістің өзі емес, тек  оның өзгерісі жоқ екендігіне назар  аударыңыз. Осылайша, b өлшемі толқынөткізгіштегі толқынның таралуына да және оның критикалық жиілігіне де еш әсер етпейді.

Бұдан шығатыны, ені λ/2 көп, тіпті өте жіңішке қуыс АЖЖ энергияны минималды шығындармен өткізетін толқынөткізгіш ретінде қарастырыла алады. 

Бұл типті өте мұқият қарау  кездейсоқ емес, себебі ол тікбұрышты толқынөткізгіш үшін негізгі болып  табылады.

Кез келген көлденең қималы толқынөткізгіштер үшін төменгі жиілікті толқын типі негізгі болып табылады. Қалғандары – ереже бойынша паразитті болып табылатын жоғарғы типтер.

Берілген типтің басты  артықшылықтары:

1. Берілген толқын ұзындығындағы толқынөткізгіштің өте аз өлшемдері.
2. Өріс конфигурациясының қарапайымдылығы.
3. Басқа типтерден салыстырмалы қашықтығы, бұл оның іріктемесін жеңілдетеді.

Егер толқынөткізгіш арқылы шығатын жиілікті біртіндеп көбейтсе, яғни толқын ұзындығын азайтса, онда белгілі бір мезетте толқынөткізтің жалпақ қабырғасының бойында тұрған екі жарты толқын орналаса алады. Онда Н₂₀ типінің пайда болу шарттары құрылады.

Жиілікті одан ары арттырған  кезде  Н₀₁, Н₁₁, Е₁₁   типтері пайда болады және т.с.с.

 

3-сурет. Тікбұрышты толқынөткізгіштегі негізгі типке жақын толқындар құрылымы  

 

Осы типтерді талдай отырып, өрісте құрылымындағы белгілі бір заңдылықтарды анықтау қиын емес.

4-суретте негізгі типке  өте жақын толқындардың критикалық  ұзындықтарының таралу диаграммасы  көрсетілген. 

 

4-сурет. Тікбұрышты толқынөткізгіш толқынарының критикалық ұзындықтары (стрелкалар толқындардың көрсетілген типтері толқынөткізгіш бойымен тарала алатын облыстарды көрсетеді)

 

Стандартты толқынөткізгіштерде, ереже бойынша, b/а<0.5 қатынасы орындалады, сондықтан да негізгіге жақын тип Н₂₀ болып табылады. Мұнда негізгі типтің критикалық толқын ұзындықтары және келесілердің  арасындағы  қашықтық ұлғаяды. 

Штрихталған аймақ пайдалануға  ұсынылған толқын ұзындықтарының облысын  көрсетеді, себебі бұл жағдайда жалғыз ғана Н₁₀ типі таралады.

5-суретте толқынөткізгіштегі  өшудің жиіліктен тәуелділігі  көрсетілген, мұнда критикалыққа  жақын жиіліктерде шығындар бірнеше  есе өсетінін көруге болады.

5-сурет. Тікбұрышты толқынөткізгіш қабырғаларындағы шығындардың жиіліктен тәуелділігі  

 

Жиілікті арттырғандағы  шығындардың өсуі скин-қабат қалыңдығының азаюымен байланысты. Үзік сызықпен салыстырмалы түрде дәл сондай көлденең қималы коаксиалды толқынөткізгіш үшін ұқсас тәуелділік көрсетілген.