Содержание

1 Согласованные нагрузки для линий передачи.................................................................... 2

2 РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ................................................................................................................................. 4

2.1 Поршни................................................................................................................................................................... 4

2.2 Диафрагмы........................................................................................................................................................... 5

2.3 Штыри..................................................................................................................................................................... 7

3 РАЗЪЕМЫ И СОЧЛЕНЕНИЯ В ТРАКТАХ СВЧ............................................................................................ 8

3.1 Соединители волноводных трактов........................................................................................................ 8

4 ПОВОРОТЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ.................................................................................................................... 10

5 ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ ЛИНИЯМИ ПЕРЕДАЧИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ............................................ 11

    Библиографический список................................................................................................................ 16

1      Согласованные нагрузки для линий передачи

Одним из наиболее распространенных элементов трактов яв­ляются согласованные нагрузки, предназначенные для поглощения передаваемой по линии СВЧ - мощности. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры и в виде меры сопротивления в измери­тельных СВЧ - устройствах (например, в установках для измерения матриц рассеяния многополюсников).

Основной электрической характеристикой согласованной на­грузки является величина модуля ее коэффициента отражения  (или соответствующие величины КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. На практике возможно создание нагрузок с ||£0,01 в относительной полосе частот Df _c/f_o=20-30 % и более. Ввиду ма­лости || требования к фазе коэффициента отражения от нагруз­ки не предъявляются, и эта фаза может иметь любую величину в интервале от 0 до 2 p.
Важной характеристикой нагрузки является величина допусти­мой поглощаемой мощности. Существуют нагрузки для низкого уровня мощности (£1 Вт) и нагрузки, предназначенные для вы­сокого уровня мощности.

Конструктивное выполнение нагрузок зависит от типа линии передачи, диапазона частот и уровня мощности. Различают сосре­доточенные и распределенные нагрузки, причем последние пу­тем увеличения размеров и массы могут быть выполнены на боль­шую мощность.

В коаксиальном тракте простейшей нагрузкой является сосре­доточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопро­тивлению линии передачи. Однако на сантиметровых волнах раз­меры резистора соизмеримы с длиной волны, входное сопротив­ление становится частотно-зависимым и качество согласования заметно ухудшается. Для снижения коэффициента отражения и расширения рабочей полосы частот коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона волн часто выполняют в виде отрезков нерегулярной линии передачи с потерями. Поглощающие элементы в  таких нагрузках могут быть объемными  или в виде тонких поглощающих пленок.  Коаксиальная нагрузка с объемным  поглощающим элементом в виде конуса показана на рис.1, а. Хоро­шее качество согласования в этой конструк­ции достигается при длине поглощающего элемента 1³
l.

Более распространены коаксиальные на­грузки с поглощающими элементами в виде керамических цилиндров, покрытых металлооксидными или углеродистыми проводя­щими пленками. Толщину пленки выбирают малой по сравнению с глубиной погруже­ния тока, поэтому поверхностное сопротив­ление пленки почти не зависит от частоты. Чтобы входные сопротивления коаксиальных нагрузок с цилиндрическими поглощаю­щими элементами были чисто активными и почти не менялись в значительном интер­вале частот, такие нагрузки снабжают не­регулярными металлическими экранами со специально подобранными профилями и раз­мерами.

На рис.1, б показана коаксиальная на­грузка с экраном ступенчатой формы. Найде­но, что оптимальное качество согласования при l
³.61получается при выборе уменьшенного диаметра экрана в соответствии с соотношением: , где Z_B — волно­вое сопротивление основного коаксиального волновода. Длина уступа внешнего проводника должна быть несколько меньше длины пле­ночного поглощающего элемента.

Наиболее широкополосные коаксиальные нагрузки имеют внеш­ний экран воронкообразной формы (рис.1, в). Например, при выборе формы экрана в соответствии с уравнением r(г)=ае^Аг (где а — диаметр внутреннего проводника коаксиального волновода; А — константа) нагрузка оказывается работоспособной при А>l. Суще­ствуют и более широкополосные коаксиальные нагрузки, экран ко­торых имеет профиль в виде специальной кривой — трактрисы.

Согласованные нагрузки для полосковых линий передачи представляют собой тонкопленочные полоски из резистивных материа­лов, нанесенные на полосковую плату и закороченные с одного конца на экран полосковой линии. Толщину полоски подбирают в несколько раз меньше глубины проникновения тока, а длина по­лоски может быть малой по сравнению с длиной волны. Однако из-за небольшой площади теплоотвода такие сосредоточенные на­грузки выдерживают лишь небольшую мощность. Для увеличения рассеиваемой мощности нагрузки выполняют в виде протяженных (l~l) отрезков регулярных или нерегулярных линий передаче с потерями.



Рис. 1 Коаксиальные согласованные нагрузки

При этом необходимспециальный подбор формы поглощающей поверхности. В полосковыхузлах СВЧ применяют также навесные нагрузки в виде керамическихпластинок или стержней с нанесенным пленочным поглощающим покрытием. На полосковых платах при выполнении нагрузок и в других случаях части возникают трудности с осуществлением короткого замыкания полосковых проводников на экраны полосковых линий. При узкой полосе частот Df _c/f_o=5-8% эти трудности преодолевают применением четвертьволновых разомкнутых шлейфов, обладающих близким к нулю входным сопротивлением.

Волноводные согласованные нагрузки выполняют в виде погло­щающих вставок переменного профиля в отрезке короткозамкнутого волновода. В маломощных нагрузках вставки имеют вид тонких диэлектрических пла­стин, покрытых графитовыми или металлическими пленками (рис.2, а). Объемные погло­щающие вставки (рис.2, б, в, г) с большой мощностью рассеивания выполняют из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или кар­бида кремния.



Рис. 2 Волноводные согласованные нагрузки

Для уменьше­ния отражений поглощающим вставкам придают вид клиньев или пирамид. Наименьшие отражения в широкой полосе частот обеспечиваются от вставок, входная часть которых имеет форму экспоненциального клина в плоскости вектора Е. Для устранения отражения от короткозамыкателя вставка должна вносить ослабление 20—25 дБ. Для улучшения теплоотвода площадь сопри­косновения вставки со стенками волновода делают максимальной, а внешнюю поверхность волновода снабжают радиатором.

4      ПОВОРОТЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Повороты и изгибы линий передачи относятся к числу нерегулярностей, снижающих качество согласования и электропрочность трактов СВЧ. В уголковых изгибах любых линий передачи в той или иной мере возбуждаются по­ля нераспространяющихся волн высших типов, которым соответ­ствует определенный запас элект­ромагнитной энергии.



Рис. 10 Поворот линий передачи с компенсацией отражений
Для мини­мизации возникающих из-за этого отражений конструкции изгибов дополняют различными согла­сующими элементами. Например, изгиб на 90° коаксиального трак­та сочетают с четвертьволновым изолятором и дополняют неболь­шой проточной на внутреннем проводнике линии (рис. 10,а). Подбор расположения размеров проточки, а также правильный выбор длины четвертьволнового изолятора позволяют сохранить хорошее согласование в тракте в широкой полосе частот.

Повороты в полосковой линии передачи согласовывают с по­мощью «подрезания» внешних углов примерно на одну треть диа­гонали, соединяющей внутренний и внешний углы поворота (рис. 10, б). Однако такие компенсированные повороты вносят небольшое добавочное запаздывание в линию передачи, которое должно учитываться при расчете электрических длин резонансных отрезков. Подрезание углов оказывается эффективным способом умень­шения отражений также в прямоугольных и круглых волноводах, причем оптимальный размер скоса (рис.10, в) находят с по­мощью графиков, имеющихся в справочной литературе. Концен­трация силовых линий поля Е в области резких изгибов снижает электрическую прочность тракта. Этот недостаток в значительной мере устраняется в двойных поворотах и в плавных изгибах. В двойных поворотах (рис. 10, г) две нерегулярности разносят на расстояние l, примерно равное l_В/4. Улучшение согласования происходит как из-за уменьшения отражений от каждой нерегу­лярности, так и из-за взаимной компенсации отражений от них.

Плавные изгибы тракта могут быть охарактеризованы схемой замещения в виде отрезка линии передачи с несколько изменен­ным волновым сопротивлением. Для улучшения согласования сле­дует увеличивать радиус изгиба или выбирать длину изгиба, крат­ной l_В/2.

5      ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ ЛИНИЯМИ ПЕРЕДАЧИ РАЗЛИЧНЫХ                          ТИПОВ

Очень распространенными узлами СВЧ - трактов являются переходы с одной линии передачи на другую, которые также называют возбудителями волны заданного типа. По схеме замещения переходы являются взаимными реактивными четырехполюсниками, и в их проектировании основноевнимание уделяется достижению Хорошего качества согласования входов в полосе частот при обеспечении необходимой электрической прочности. Рассмотрим ряд характерных конструкций переходов.

Возбуждение прямоугольного волновода с волной типа H₁₀ от коаксиального волновода с Т-волной производится с помощью коаксиально-волноводных  переходов (рис.11).

Основным элементом таких переходов являются обтекаемые элек­трическим током штыри, размещаемые в короткозамкнутом с одной стороны волноводе параллельно силовым линиям поля Е.

В зондовом переходе (рис.11, а) согласование входов обес­печивается изменением длины зонда l₃, а также подбором рас­стояний l и х, определяющих, положение зонда. Для расширения полосы частот согласования желательно увеличивать диаметр зонда  d. При тщательном выполнении зондовый переход обеспечи­вает полосу частот согласования 15—20 % относительно расчет­ной частоты при КБВ³О,95. Недостатком зондового перехода яв­ляется снижение электропрочности из-за концентрации силовых линий поля Е на конце зонда. В определенной мере этот недоста­ток преодолевается в коаксиально-волноводном переходе с после­довательным шлейфом (рис. 11, б), однако даже при самом тща­тельном подборе расстояний l и l_ш рабочая относительная полоса частот составляет ~7%.

Лучшие результаты по согласованию и электропрочности имеет переход с поперечным стержнем (рис. 11, в), дополненный согласующей индуктивной диафрагмой.В такой конструкции достижи­ма относительная полоса частотсогласования ~15%. Максималь­ных широкополосности (~20%при КБВ³0,95) и электропроч­ности достигают в коаксиально-волноводных переходах так назы­ваемого «пуговичного» типа (рис. 11, г), требующих, однако, тщательного экспериментального подбора формы проводников в сочетании с дополнительной наст­ройкой качества согласования с помощью индуктивной диафрагмы.


Рис. 11 Коаксиально-волноводные переходы:

а — зондовый;    б — с  коаксиальным    шлейфом;    в — с   поперечным


стержнем; г—пуговичный
Применение коаксиально-волноводных переходов для возбуждения волны Е₁₀ в круглом волноводе показано на рис. 12 на примере вращающёгося сочленения.



Рис. 12 Волноводное вращаю­щееся сочленение с волной типа Е₀₁

Короткие отрезки коаксиального волновода с Т-волной обеспечивают фильтра­цию волн высших типов и устраняют возможность возбуждения в круглом волноводе паразитной аксиально-несимметричной волны  Н₁₁ (эта волна более низкого типа, чем волна E₀₁). Соединение вращающихся частей круглого волно­вода осуществляют с помощью коаксиального дросселя длиной lо/2, аналогичного дросселям вращающегося коаксиального сочле­нения на рис. 7.10.

Возбуждение волны низшего типа Н₁₁ в круглом волноводе возможно с помощью плавного перехода от прямоугольного вол­новода с постепенной деформацией формы поперечного сечения от прямоугольной к круглой (рис. 13, а).



Рис. 13 Соосные переходы от прямо­угольного волновода с волной Н₀₁ к круг­лому           волноводу с волной Н₁₁


Если длина такого пере­хода превышает длину волны, то отражения в широкой полосе частот оказываются незначительными. В более компактном узко­полосном переходе, показанном на рис. 13, б, сочленение соосных прямоугольного и круглого волноводов осуществляется через согласующую четвертьволновую вставку с овальной формой попе­речного сечения.

Возбуждение волны Н₁₁ в круглом волноводе может также про­изводиться через отверстие в его боковой стенке от прямоуголь­ного волновода. Если широкие стенки прямоугольного волновода ориентированы параллельно оси круглого волновода (рис. 14, а),то в круглом волноводе возбуждаются волны Н₁₁, распространяю­щиеся в обе стороны от ответвления с одинаковыми фазами. При поперечном расположении возбуждающей щели в круглом волноводе (рис. 14, 6) волны, возбуждающиеся справа и слева от нее, противофазны. Если требуется обеспечить передачу волны Н₁₁ в одном направлении, то один из концов круглого волно­вода закорачивают, причем в случае разветвления, показанного на рис. 14, а, расстояние между центром щели и короткозамыкателем должно быть близким к lв/4, а в случае, показанном на рис. 14, б,— близким к lо/2.



Рис. 14 Тройниковые разветвления прямоугольного и круглого волноводов

 Рассмотрим теперь некоторые компактные   способы  возбуждения осесимметричной волны Е₀₁ в круглом  волноводе от прямоугольного волновода с волной Н₁₀, не использующие промежуточных коаксиально-волноводных переходов.



Рис. 15 Способы возбуждения волны Е₀₁ в круглом волноводе

В устройстве, показанном на рис. 15, а, прямоугольный волновод соединяется с круглым через поперечное отверстие. Для лучшего возбуждения волны Е₀₁ круглый волновод с одной сто­роны закорачивается на расстоянии lв_Е01/2 от возбуждающего    отверстия.    Для    подавления     паразитной      волны низшего  типа  Н₁₁,   которая  также возбуждается  отверстием, в короткозамкнутом   отрезке   круглого   волновода   располагают   тонкое металлическое  кольцо.   Периметр   кольца  выбирают  близким  к lо, чтобы волна Н₁₁ возбуждала в нем резонансные   колебания с одной вариацией  тока   по  периметру.  Это  резонансное  кольцо   действует на  волну   Н₁₁  подобно короткозамыкателю.   Располагая  кольцо на расстоянии lв_Н11/4 от  центра  щели,   удается  эффективно  подавить колебания волны Н₁₁ в круглом волноводе. На волну типа Е₀₁, силовые линии поля Е которойперпендикулярны проводнику кольца, резонансное кольцо практически не влияет;

Другой возбудитель волны Е₀₁ вкруглом волноводе с высокой степенью подавления паразитной волны Н₁₁ показан на рис. 15,б. Прямоугольный волновод сочленяется с круглым так же, как в предыдущей конструкции с коротким замыканием одной полови­ны круглого волновода непосредственно у места сочленения. Кроме того, в круглом волноводе помещено резонансное кольцо, закора­чивающее его для волны Н₁₁. Волна Н₁₁, просочившаяся через резонансное кольцо, испытывает поглощение, возбуждая через продольные щели в стенках круглого волновода коаксиальный резонатор с колебаниями типа Н₀₁.

В пучности поля Е этого резо­натора помещено кольцо из поглотителя, в котором и происходит выделение энергии волны Н₁₁. Волна Е₀₁ не имеет поперечных токов на стенках круглого волновода и поэтому не возбуждает продольные щели и резонатор с поглотителем.

Особенно трудной задачей является конструирование возбуди­телей волны Н₀₁ в круглом волноводе. Здесь главное требование состоит в обеспечении высокой степени чистоты возбуждения вол­ны Н₀₁ при глубоком подавлении целого ряда низших и высших типов волн, способных к распространению в круглом волноводе большого диаметра.



Рис. 16 Плавный переход   для  возбуждения   волны Н₀₁ в круглом волноводе

На рис. 16 показана одна из возможных конструкций перехода от прямоугольного волновода с волной Н₁₀ к круглому волноводу с волной Н₀₁ основанная на принципе плав­ной деформации формы поперечного сечения волновода и струк­туры электрического поля. Волноводный Е - тройник и две продоль­ные скрутки на углы в 90° в противоположных направлениях об­разуют систему двух прямоугольных волноводов, соединенных узки­ми стенками и содержащих поля равной амплитуды с противо­положными фазами. Затем эта система плавно преобразуется к двум секторным волноводам с общим ребром. Постепенное увели­чение угла раскрыва секторных волноводов образует круглый волновод с продольной металлической перегородкой. Обрыв этой перегородки не изменяет структуры электромагнитного поля, и на выходе перехода получается круглый волновод с волной H₀₁. Для обеспечения надлежащей чистоты возбуждения волны H₀₁ этот переход должен иметь достаточно большую длину.

Определенные трудности, связанные с достижением хорошего качества согласо­вания в широкой полосе частот, возникают также при выполнении переходов от полосковых линий передачи к коаксиальным и прямоугольным волноводам.

Коаксиально-полосковые переходы в зависимости от взаимного расположения соединяемых проводников могут быть соосными или перпендикулярными (рис. 17).



Рис. 17 Коаксиально-полосковые переходы

 Для уменьшения иррегулярности в области сочленения диаметр внешнего проводника коаксиального волновода должен быть близким к расстоянию между внешними пла­стинами симметричной полосковой линии или к удвоенной толщине основания несимметричной полосковой линии. Для улучшения сог­ласования в соосном перехо­де делают скосы на конце полоскового проводника (рис. 17, а). Согласование перпендикулярного коаксиально-полоскового перехода (рис. 17, б) осуществляют подбором диаметра соединительного штыря, проходящего через диэлектрическое основание, а также подбором размеров коаксиальной диафрагмы на выходе из коаксиального волновода и короткого разомкнутого шлейфа из отрезка полоскового проводника. Часто коаксиально-полосковые пе­реходы совмещают с коаксиальными соединителями.

Устройства для возбуждения полосковой линии передачи от прямоугольного волновода с волной Н₁₀ называются  волноводно-полосковыми переходами. Соединение полосковой линии с прямоугольным волноводом может быть выполнено через плавный или ступенчатый переход на П-образном волно­воде (рис. 18, а).


Рис. 18 Волноводно-полосковые переходы

В такой конструкции перехода обеспечивается широкополосное согласование прямоугольного волновода с полосковой линией  передачи я устраняется  паразитное  излучение из открытого конца волновода.

Волноводно-полосковый переход другого типа, в котором ис­пользуется часть волновода в качестве корпуса для полоскового узла, показан на рис. 18, б. Этот переход выполнен на диэлек­трической пластине, установленной продольно в средней плоско­сти прямоугольного волновода, параллельно силовым линиям поля Е. С двух сторон диэлектрической пластины напечатаны про­водники, имеющие контакт один с верхней, а другой с нижней стенками волновода, и образующие плавный переход к симмет­ричной полосковой линии. Далее на той же диэлектрической пла­стине располагается несимметричная полосковая линия, возбуж­даемая от ленточной линии через симметрирующее устройство в виде двух четвертьволновых щелей в экране. Экран несимметрич­ной полосковой линии замыкает широкие стенки прямоугольного волновода, что препятствует проникновению волны Н₁₀ в область волновода с полосковым узлом.

Библиографический список

1)      Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А.. Устройства СВЧ.- М: Высшая школа, 1981

2)      С.А. Баранов, М.П. Наймушин. Исследование полоснопропускающих волноводных фильтров СВЧ и методов узкополосного согласования в волноводных трактах; - Методические указания к лабораторной работе по курсу «Антенны и устройства СВЧ».- Свердловск 1987