книги из ГПНТБ / Басалов Ф.А. Некоторые вопросы техники сверхвысоких частот [конспект лекций]
.pdf
ПЕНЗЕНСКОЕ ВЫСШЕЕ АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ ОРДЕНА КРАСНОЙ ЗВЕЗДЫ УЧИЛИЩЕ
Ф. А. Басалов
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИКИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
П е н з а—* 19 6 4
Настоящее пособие представляет собой конспект лекций автора по некоторым вопросам техники сверхвысоких час тот, не обеспеченным учебной литературой. Пособие пред назначенодля слушателей училища. Оно может быть использовано при изучении раздела „Основы техники сверх высоких частот” и соответствующих тем курса „Основы радиоэлектроники".
При написании § 2—5 пособия использовался материал лекций Г. И. Кревского, прочитанных им в 1961 году.
В оформлении рукописи и подготовке ее к печати при нимали активное участие Е. Г. Комолова и Г. Я. Баранова.
Редактор инженер-полковник И. П. Церковный.
XK i l o
§ 1. ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРИТОВ В ВОЛНОВОДНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Ферриты представляют собой химические соединения типа Me0.-Fe20 3, где Me — любой двухвалентный металл (цинк, ни кель, магний, марганец, кадмий и др.). Изготовляются они кера
мическим путем: составные |
части |
в |
порошкообразном |
виде |
|||||||||
смешиваются, подвергаются |
прессованию |
и |
обжигу. |
|
Подобно |
||||||||
керамическим изделиям ферриты обладают высокой |
твердостью |
||||||||||||
и хрупкостью. |
диэлектриков, |
полупроводников |
и |
||||||||||
Сочетая в себе свойства |
|||||||||||||
ферромагнетиков, ферриты широко применяются |
в |
различных |
|||||||||||
радиоэлектронных устройствах. |
Область |
применения |
|
ферритов |
|||||||||
расширяется с каждым днем. |
|
|
замечательных |
устройств |
|||||||||
За последние годы создано много |
|||||||||||||
с ферритами, работающих в диапазоне СВЧ (вентили, |
|
циркуля |
|||||||||||
торы, |
антенные переключатели |
и др.). |
Эти устройства |
создают |
|||||||||
ся на волноводах и позволяют эффективно решать |
задачи, |
ко |
|||||||||||
торые |
раньше (до использования ферритов) |
не |
решались |
или |
|||||||||
решались с большим трудом. |
|
волноводных |
устройств |
с |
|||||||||
При построении большей |
части |
||||||||||||
ферритами используются следующие основные свойства |
ферри |
||||||||||||
тов в диапазоне СВЧ. |
высокое |
удельное |
электрическое |
||||||||||
1. |
Ферриты имеют очень |
||||||||||||
сопротивление порядка 10'1-ь 108 ом-см |
|
(для сравнения: удель |
|||||||||||
ное сопротивление железа 10~5 ом-см). Благодаря этому фер риты являются прозрачными для радиоволн.
2. При распространении основной волны Н10 в прямоуголь ном волноводе, содержащем ферритовую пластинку, намагни ченную в направлении, перпендикулярном широкой стенке волновода, имеет место направленный фазовый сдвиг (рис. 1).
Это означает, что участок волновода с ферритом вносит фазовый сдвиг для прямой волны на 9° больше, чем для об ратной (или наоборот). Указанное явление происходит вслед ствие того, что фазовые скорости волн, распространяющихся в противоположных направлениях по участку волновода с ферри товой пластинкой, различны.
3
Разность фаз прямой и обратной волн ?° зависит от свойств ферритовой пластинки (ее состава и размеров), ее местополо жения и величины внешнего магнитного поля.
Рассмотрим примеры построения волноводных устройств с ферритами, использующих указанные свойства.
г
Рис. 1.
1. Волноводно-ферритовый вентиль
Вентилем (развязкой) называют такое устройство, которое пропускает прямую волну и не пропускает обратную волну (или наоборот). Вентиль может быть использован, например, для изо ляции генератора СВЧ от отраженной волны.
Схема устройства волноводно-ферритового вентиля приведе на на рис. 2. Вентиль включает в себя волноводно-щелевой мост, секцию с ферритами, намагниченность которых создается постоянным магнитом, и переходное устройство от сдвоенного волновода к одинарному (волноводный Н-тройник).
Волноводно-щелевой мост представляет собой два прямоуголь ных волновода, имеющих общую узкую стенку, в которой
4
прорезана щель определенных размеров. Для настройки моста используется штырь Ш, расположенный в середине щели со сто роны одной из широких стенок (рис. 3).
Если в одно из четырех плеч настроенного волноводно-щеле вого моста поступает волна, то ее энергия делится поровну между двумя противоположными плечами, причем волны в этих плечах сдвинуты по фазе на 90°. Так, например, если волна
поступает в плечо 1, то ее |
энергия |
делится поровну между |
плечами 3 и 4, причем волна' |
в плече 3 будет опережать по фа |
|
зе на 90° волну в плече 4 (рис. 4). |
одинаковые ферритовые |
|
Секция с ферритами содержит две |
||
пластинки Ф] и Ф2, намагниченные в одном и том же направле
нии и расположенные симметрично относительно |
общей |
узкой |
||||||||||
стенки дву& волноводов. Вслед |
|
|
|
|
~~0 |
|||||||
ствие |
этого |
при |
распространении |
2 |
|
|
|
|||||
волн |
слева |
направо |
электрическая |
|
|
|
j |
|||||
длина |
|
феррита |
Фг |
оказывается |
|
|
- / |
О |
|
|||
больше |
на |
90°, |
чем |
феррита |
Ф,, |
|
|
|
||||
|
|
' |
ш |
|
||||||||
и наоборот — при |
распространении |
/ |
_ |
|
||||||||
волн |
справа |
налево. |
Как |
уже |
от |
|
|
|
|
|
||
мечалось, указанный фазовый сдвиг |
|
|
|
|
|
|||||||
в 90° |
обеспечивается |
выбором |
|
|
Рис. 4. |
|
||||||
ферритовых пластин и намагничи |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||
вающего поля. |
|
|
|
сдвоенного волновода к |
одинар |
|||||||
Переходное устройство от |
||||||||||||
ному представляет собой волноводный Н-тройник со свернутыми
боковыми плечами. |
Этот элемент вентиля |
не |
требует дополни |
||||||
тельной |
настройки. |
Напомним |
основные |
свойства |
Н-тройника. |
||||
При |
поступлении |
в боковые |
плечи 5 и б (рис. 2) |
волн в фа |
|||||
зе |
их |
энергия |
складывается |
и |
поступает |
в |
Н-плечо |
7. |
|
При поступлении волны в Н-плечо 7 |
ее энергия делится поров |
||||||||
ну |
между боковыми плечами 5 и 6, |
причем волны |
в этих |
пле |
|||||
чах |
находятся в фазе. |
|
|
|
|
|
|
||
5
Принцип работы волноводно-ферритового вентиля заключает ся в следующем. Прямая волна от генератора СВЧ поступает в плечо 1 волноводно-щелевого моста. Ее энергия делится поровну
между плечами 3 и 4, причем волна в плече |
3 опережает |
по |
|||||||||
фазе на 90° волну в плече 4. При дальнейшем |
распространении |
||||||||||
эти волны проходят секцию с ферритами. Так |
как |
электричес |
|||||||||
|
|
кая длина феррита Ф2 при |
|||||||||
|
|
распространении |
воли |
слева |
|||||||
|
|
направо больше |
на |
90°, |
чем |
||||||
|
|
феррита Фь то волна, прохо |
|||||||||
|
|
дящая |
по |
пути 3 — 6, |
отстает |
||||||
|
|
по |
фазе |
на |
90' |
от |
|
волны, |
|||
|
|
проходящей |
по |
пути |
4 — 5. |
||||||
|
|
Следовательно, эти две волны |
|||||||||
|
|
па |
выходе |
секции |
с |
ферри |
|||||
|
|
тами будут в фазе. |
Их |
энер |
|||||||
|
|
гия |
складывается и поступает |
||||||||
|
|
в плечо 7 (к антенне). |
|
рас |
|||||||
|
|
Аналогично |
можно |
|
|||||||
|
|
смотреть работу |
вентиля |
при |
|||||||
появлении отраженной волны. Волна, |
отраженная |
от |
антенны |
||||||||
и от |
неоднородностей |
волноводного |
тракта, |
поступает в |
|||||||
плечо 7 Н-тройника и разветвляется между его |
боковыми |
пле |
|||||||||
чами 5 |
и б. В дальнейшем |
при распространении справа |
|
налево |
|||||||
вся энергия отраженной волны поступит в плечо 2 и будет пре
образована в тепло в |
поглощающей нагрузке. Плечо 1 для |
||||||
отраженной волны оказывается закрытым, так как волны, |
при |
||||||
ходящие к этому плечу по путям |
6 — 3 — 1 и 5 — 4 — 1, |
оказы |
|||||
ваются |
в противофазе |
(первая получает |
положительный |
фазо |
|||
вый сдвиг + 90° за |
счет прохождения волноводно-щелевого |
||||||
моста, |
а |
вторая — отрицательный — 90: |
за счет |
прохождения |
|||
секции с ферритами). |
Таким образом, |
рассмотренный вентиль |
|||||
(развязка) |
пропускает энергию |
высокочастотных |
колебаний |
||||
из плеча |
1 в плечо 7 |
и не пропускает в обратном |
направлении. |
||||
Генератор СВЧ и его нагрузка оказываются развязанными. Величина развязки на частоте настройки достигает 35-=-40 дб.
Рабочая полоса частот вентиля достигает |
10 |
1596 |
относи |
||||||
тельно частоты |
настройки. |
В |
этой |
полосе |
величина |
развязки |
|||
превышает 20 дб. |
|
|
|
|
|
|
|
на |
|
Внешний вид волноводно-ферритового вентиля приведен |
|||||||||
рис. 5. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Переключатель высокочастотной энергии |
|
|
|
||||||
Это такое устройство, задачей |
которого |
является |
передача |
||||||
высокочастотной |
энергии |
из |
общего канала 7 |
в любой |
из |
||||
двух каналов 1 или 2 (рис. 6). |
|
|
|
|
выше |
||||
Роль переключателя может выполнять рассмотренный |
|||||||||
волноводно-ферритовый вентиль (см. рис. 2), |
в |
котором |
энер |
||||||
6
гия высокочастотных колебаний поступает со стороны плеча 7, а роль ключа К играет направление внешнего магнитного поля.
При рассмотрении принципа работы волноводно-ферритового вентиля уже было установлено, что с поступлением энергии высокочастотных колебаний со стороны плеча 7 вся она будет выходить через плечо 2. Если поменять направление внешнего магнитного поля на обратное, то поменяется электрическая дли на ферритов сЕ>! и Ф2. Теперь, при распространении волн справа
О ---- :----
Рис. 6.
!налево, электрическая длина феррита Ф, будет больше на 90°, чем феррита Фь Это приведет к тому, что вся энергия высоко частотных колебаний, поступающая в плечо 7, будет выходить через плечо 1.
При попеременном изменении направления внешнего магнитно го поля вся энергия высокочастотных колебаний будет выхо дить то через плечо 2, то через плечо 1.
Магнитная система в таком устройстве представляет собой электромагнит.
|
|
|
3. Циркулятор |
|
|
|
|||
Циркулятором называют волноводно-ферритовое |
устройство, |
||||||||
имеющее четыре плеча (число плеч |
может быть иным) и |
обес |
|||||||
печивающее направленную передачу |
энергии |
высокочастотных |
|||||||
колебаний, например, из плеча 1 толь |
|
|
|
||||||
ко в плечо 2, из плеча 2 только |
в |
|
2 |
|
|||||
плечо 3 |
и т. ,д. (рис. 7). |
|
|
|
|
|
|
|
|
Различные типы циркуляторов полу |
|
|
|
||||||
чили в настоящее время |
широкое |
рас |
|
|
|
||||
пространение в |
технике |
СВЧ. • |
Они |
|
|
|
|||
используются, например, в качестве |
|
|
|
||||||
входных развязок приемных устройств, |
|
|
|
||||||
где применяются |
усилители СВЧ |
|
с |
|
|
|
|||
низким коэффициентом |
шума (парамет |
|
|
|
|||||
рические или молекулярные усилители), |
Рис. 7. |
|
|||||||
в качестве антенных переключателей и |
|
||||||||
других устройств. |
|
|
из типов |
циркуляторов приведена |
|||||
Схема |
устройства одного |
||||||||
на рис. 8. |
Он состоит из двух волноводно-щелевых мостов, |
между |
|||||||
которыми размещена секция с ферритами. Секция |
с ферритами |
||||||||
аналогична соответствующей секции волноводно-ферритового вентиля. Разница только в том, что в одном из ее каналов рас-
7
положена диэлектрическая пластинка ДП, обеспечивающая взаимный сдвиг по фазе (т. е. одинаковый при распространении волны слева направо и справа налево), равный 90;. Вследствие этого при распространении волн слева направо электрическая длина канала с ферритом Ф2 и диэлектрической пластинкой ДП оказывается больше на 180°, чем канала с ферритом <ty При распространении волн справа налево электрическая длина этих каналов одинакова.
Разрез цириупв-
т ор а по АА
| |
М | |
I |
ш, |
|
шг 13 |
о |
|
о |
|
\-90° ф, |
оЛ |
(* |
11-ый bon - I |
\2-ой боп- |
! |
|
мо&одно- |
' |
:Нободно - |
[ |
\щеле6ой |
\Сеициа с |
|щепебси |
j |
м ост |
ферратами, ноет |
|
|
Рис. |
8. |
|
|
Учитывая свойства волноводно-щелевых |
мостов и |
секции с |
|
ферритами, в которую введена диэлектрическая пластинка, можно произвести анализ прохождения энергии высокочастот ных колебаний через циркулятор подобно тому, как это дела лось в случае волноводно-ферритового вентиля. Такой анализ показывает, что данный циркулятор пропускает энергию высоко частотных колебаний в направлениях 1-^-4, 4-* 2, 2-^3, 3->1.
При изменении направления внешнего магнитного поля |
переда |
|
ча энергии |
будет происходить в обратном порядке: |
1 -* 3, |
3 2, 2 -> 4, |
4 -> 1. |
|
Рис. 9.
Диэлектрическая пластинка ДП (рис. 8), обеспечивающая дополнительный взаимный сдвиг по фазе на 90: между канала ми секции с ферритами, может быть заменена волноводным из гибом, включенным между секцией с ферритами и волноводно щелевым мостом. Внешний вид такого циркулятора приведен на рис. 9. Развязка между плечами такого циркулятора (т. е. обратные потери) на частоте настройки равна 38 дб. При изме нении частоты высокочастотных колебаний на ± 1% развязка превышает 20 дб.
|
4. |
Антенный переключатель |
|
|
|
|
||||||
Как известно, антенный переключатель |
представляет |
собой |
||||||||||
высокочастотное коммутирующее |
устройство, |
позволяющее |
при |
|||||||||
импульсном режиме |
работы радиолокатора |
использовать |
|
одну |
||||||||
и ту же антенну для работы как |
на передачу, так и |
на |
прием. |
|||||||||
В качестве такого антенного переключателя |
может |
быть |
ис |
|||||||||
пользован рассмотренный выше циркулятор (см. рис. 8). |
|
|
||||||||||
Схема соединения |
циркулятора |
с |
элементами |
импульсного |
||||||||
радиолокатора приведена на рис. 10. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Генера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тор СВЧ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Циркулятор |
|
|
|
Ант енна |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
А |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прием- |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мин |
Ы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Газобый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
разрядном |
|
|
|
|
|
Погпота- |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
кщаяно- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
грузка |
|
|
|
|
|
|
Рис. |
10. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В режиме передачи генератор |
|
СВЧ |
вырабатывает |
мощный |
||||||||
импульс высокочастотной энергии, |
|
который |
передается |
через |
||||||||
циркулятор в направлении 2 ->- 3 |
к антенне. Газовый |
разрядник в |
||||||||||
это время горит и, вследствие этого, плечо 1 циркулятора |
за |
|||||||||||
корочено его малым |
сопротивлением |
/?р^ 0 . При |
неполном |
|||||||||
согласовании волны, отраженные от |
антенны и от неоднороднос |
|||||||||||
тей волноводного тракта, проходят |
через |
циркулятор |
в |
направ- |
||||||||
лени 3 — 1, отражаются от-закороченного разрядником плеча 1
ив направлении 1 4 передаются в поглощающую нагрузку.
Врежиме приема генератор СВЧ не работает и газовый разрядник не горит. Поэтому сигналы от цели, принятые антен
ной, через циркулятор в направлении |
3 -> 1 свободно |
проходят |
|||||
к приемнику. |
данная система |
одновременно |
выполняет |
||||
Таким |
образом, |
||||||
функции |
антенного |
переключателя и |
вентиля, |
развязывающего |
|||
генератор СВЧ и его нагрузку. |
Последнее обстоятельство |
вы |
|||||
годно отличает ее |
от антенного |
переключателя |
на газовых |
раз |
|||
рядниках. |
|
|
|
|
|
|
|
§ 2. ОСОБЕННОСТИ ЛАМПОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ
Работа ламповых генераторов в диапазоне СВЧ сопровожда ется рядом специфических особенностей, которые при повыше нии рабочей частоты приводят к уменьшению полезной мощно-
9