Тема 2. Элементы линий передачи

Вопрос 1. Возбуждение электромагнитных волн в линиях передачи. Возбудители типов волн.

Поля в волноводах могут возбуждаться с помощью антенных или возбуждающих устройств следующих типов:

а) штыревого;

б) рамочного или петлевого;

в) щелевого.

а) б) в)

Рис. 4.4.

Общие принципы размещения возбуждающих устройств состоят в следующем:

1. при возбуждении поля устройством штыревого типа штырь (или штыри) следует располагать в месте, где напряженность элек­трического поля в волноводе максимальна. Ось штыря должна сов­падать с полем Е;

2. при возбуждении поля устройством рамочного или петлевого типа петлю необходимо располагать в месте, где напряженность маг­нитного поля в волноводе максимальна. Плоскость петли должна быть перпендикулярна полю Н;

3. при возбуждении поля антенной щелевого типа щель следует располагать так, чтобы она пересекала линии тока в стенках волновода.

На рис. 4.4 показаны схематично способы возбуждения штыре­выми антеннами полей различного типа в прямоугольном волноводе.

На рис. 4.5 приведен пример возбуждения штыревой антенной волны типа Н₁₁ в круглом волноводе,

Рис.4.5.

Вопрос 2. Элементы коаксиальных линий передач.

От­дельные элементы коаксиального тракта соединяются друг с другом посредством высокочастотных разъемов. Соединитель­ное сочленение в требуемой полосе частот не должно вносить большого отражения, иметь активные потери СВЧ энергии, снижать пропускаемую мощность. В настоящее время боль­шая часть СВЧ сочленений стандартизирована. На рис. 4.6 показана конструкция типового контактного разъема, предназначенного для соединения жестких коаксиальных линий.

Рис. 4.6

(1 — внутренний проводник. 2 — штырь, 3 —гнездо, 4 — изоляционная шайба. 5 —цанга. 6 — высший проводник. 7 —конусная втулка, 8 — накидная гайка).

Контакт между внутренними проводниками разъема создается с помощью штыря 2, который вставляется в гнездо 3, укрепленное на внутреннем проводнике другого от­резка линии. Штырь 2 и гнездо 3, жестко связаны с внут­ренними проводниками сочленяемых отрезков посредством резьбовых соединений, установленных в опорных изоляцион­ных шайбах 4. Внешние проводники коаксиальных линий 6 соединяются между собой с помощью конусной втулки 7 и разрезной конусной цанги 5 и затем скрепляются накидной гайкой 8.

Для получения пружинящего контакта на поверхности гнезда и конусной цанги сделаны прорези. Такая конструкция обеспечивает надежный электрический контакт между про­водниками сочленяемых коаксиальных линий, а также незна­чительный износ контактирующих поверхностей при длитель­ной эксплуатации.

Однако в случае неточного изготовления из-за неплотного прилегания контактирующих поверхностей (расцентровка, внутренние напряжения в металле при затяжке шайб и т. д.) качество соединения ухудшается. Лучшие свойства имеет дроссельное соединение, две схемы которого приведены на рис. 4.7. Холостой ход в точках А и В пересчитываем через в короткое замыкание в точ­ках А' и В’ в результате чего в них получается хороший электрический контакт. Недостатками такого соединения яв­ляются трудность взаимной центровки соединяемых частей и излучение электромагнитной энергии через зазор во внешнем проводнике.

Рис. 4.7.

Лучшей, однако более сложной, является конструкция сое­динения рис. 4.8а, эквивалентная схема которого показана на рис. 4.8б. В нем идеальный электрический контакт в точках С пересчитывается в сечения линии А' и В'. В точке А устанавливается узел тока, так что зазор в этой точке воз­буждается слабо и излучение практически отсутствует. Сече­ния А и В сдвинуты на . Дроссельное сочленение снижает электрическую прочность коаксиальной линии, вследствие уменьшения диаметра внут­реннего проводника.

Рис. 4.8.

Наиболее опасна для электрического пробоя точка В.

Отметим, что проанализированные соединения коаксиаль­ного тракта, за исключением, естественно, первого, можно рас­сматривать как вращающиеся сочленения, т. е. устройства, соединяющие неподвижную часть коаксиального тракта с вращающейся с некоторой угловой скоростью Q подвижной частью. Основное требование к вращающемуся сочленению (независимость проходящей мощности от угла поворота подвижной части) в коаксиальных вращающихся сочленениях до­статочно хорошо выполняется, так как основной тип волны в линии (ТЕМ) является осесимметричным. Дроссельные вра­щающиеся сочленения являются более надежными устройст­вами, чем контактные.

Внутренний проводник жесткой коаксиальной ли­нии нуждается в элементах крепления. Ими являются ди­электрические шайбы и металлические изоляторы.

Некоторые способы крепления с помощью диэлектрических шайб видны на рис.4.9. Введение в линию шайбы (рис.4.9а) приводит к изменению волнового сопротивления линии постоянной распространения. Для компенсации изменения волнового сопротивления применяют утопленные шайбы (рис. 4.9б). Однако в местах изменения диаметров проводников возможно возникновение высших типов волн, влияние которых стараются исключить уменьшением толщины шайбы (рис. 4.9в).

Рис. 4.9.

Коэффициент отражения от шайбы в некоторой степени сможет быть уменьшен введением еще одной шайбы, расположенной на расстоянии . Волна, отраженная от 2-ой шайбы, имеет фазовый сдвиг 180°, относительно волны, отраженной от 1-й и при равенстве амплитуд этих волн, суммарная отраженная волна должна быть равна нулю. В схеме рис. 4.9д используются свойства — трансформатора.

Недостатками диэлектрических шайб, даже при исключе­нии отражений, являются снижение пробивной прочности ли­нии и увеличение затухания.

Металлический изолятор представляет собой четвертьвол­новый короткозамыкающий отрезок линии, включенной в ли­нию передачи параллельно.

Рис. 4.10

На рис. 4.10 приведен металлический изолятор и его эквивалентная схема. На основной частоте входная проводимость короткозамкнутого отрезка длиной равна кулю, так что модуль коэффициента отражения в линии пере­дачи равен нулю. В реальных линиях передачи в месте включения шлейфа возникают высшие типы волн, для ком­пенсации которых необходимо включение некоторой реактив­ности, поэтому обычно немного меньше ). При измене­нии частоты входная проводимость шлейфа быстро изменяет­ся, в результате в линию передачи включается реактивная проводимость, что приводит к увеличению коэффициента от­ражения. Зависимость модуля коэффициента отражения от частоты, называемая характери­стикой согласования (рис. 4.10в). Рассмотренный металлический изолятор узкополосен.

Изгибы коаксиального тракта.

Линия передачи в различ­ных конструкциях имеет повороты и изгибы. Угол поворота может быть при этом самым разнообразным. Основным тре­бованием к изгибу коаксиальной линии, рассчитанной на передачу волны только основного типа ТЕМ, является минимум вносимого им коэффициента отражения. С этой точки зрения наиболее эффективен плавный изгиб (рис. 4.11а) достаточно большого радиуса. Резкий изгиб на 90° (рис. 4.11б) плохо со­гласован и для уменьшения отражения применяется конструк­ция рис. 4.11в. Иногда для крепления внутреннего проводника используется четвертьволновый металлический изолятор (рис. 4.11г).

Рис. 4.11.

Короткозамыкающие поршни. В качестве подвижных короткозамыкателей в коаксиальных линиях применяются поршни с непосредственным контактом (рис. 4.12а) и дроссельные поршни (рис. 4.12б, в). В первых контакт осущест­вляется за счет механического соединения (гальванический контакт). В процессе эксплуатации механический контакт ухудшается, да и у новой линии он может быть не очень хо­рошим.

Рис. 4.12.

В дроссельном поршне электрический контакт между короткозамыкателем и проводниками линии получается значи­тельно лучшим. Дроссельные поршни являются сравнительно узкополосными устройствами.

С оединительные элементы. Для соединения отрезков волноводов используются фланцы двух типов: контактные и дроссельные. Контактный притертый фланец с выравнивающими штифтами ш1 и ш₂ при тщательной обработ­ке и строгой параллельности соприкасающихся поверхностей имеет хороший электрический контакт.

Однако свойства фланца теряются при многократных переборках, а при массовом производстве трудно выдерживать необходимый допуск на изготовление.

Дроссельное волноводное соединение (рис. 4.14) принци­пиально не отличается от аналогичного соединения коакси­альных линий. Основное достоинство такого соединения нечувствительность к небольшим перекосам.

Рис. 4.14.

Вопрос. 3. Элементы волноводного тракта.

Изгибы волноводов. В зависимости от плоскости, в кото­рой выполнен изгиб, различают изгибы типа Е или типа Н. Изгибы являются яеоднородностями, приводящими при не­правильном выполнении к значительным отражениям. Для уменьшения отражения изгиб делают плавным (рис. 4.15а), протяженностью в несколько длин волн. Удовлетворительной характеристикой в полосе частот ~ ±5% обладает изгиб с ком­пенсацией отражений двумя соответствующим образом распо­ложенными неоднородностями (рис. 4.15б). Отраженные от не-однородностей волны имеют сдвиг по фазе 180° и взаимно компенсируют друг друга. Иногда компенсации отражений достигают путем включения в месте изгиба реактивного со­противления, выполненного в виде настраиваемого коротко-замкнутого ответвления (рис. 4.15в). В лабораторных усло­виях получили широкое применение гибкие волноводы, позво­ляющие осуществлять изгибы практически любой формы (рис. 4.15г).

Рис. 4.15.

Диафрагма. Тонкая металлическая пластина с отверстием, помещенная поперек волновода. Толщина пласти­ны во много раз меньше длины волны в волноводе, но много больше глубины скин — слоя. В непосредственной близости от диафрагмы существуют возбуждаемые ей поля высших типов, затухающие по мере удаления от неоднородности.

Наиболее распространенными типами диафрагм являются емкостная, индуктивная и резонансная (рис. 4.16).

Рис. 4.16.

Тонкие штыри также представляют собой ре­активные неоднородности. При небольшой глубине погруже­ния штыря в волновод реактивность имеет емкостной харак­тер, а при длине штыря , где — длина волны в свобод­ном пространстве, схемой замещения является последователь­ный колебательный контур. При дальнейшем росте длины штыря реактивность приобретает индуктивный характер.

Реактивные элементы в виде короткозамкнутых шлейфов строятся на основе волноводных разветвлений.

Переходники. Переходники служат для соединения вол­новодов различного поперечного сечения, а также линий пере­дачи разных типов. Форма поперечного сечения соединяемых волноводов может быть одинаковой (рис. 4.17а) или различной (рис. 4.17б). Основное требование к переходникам - мини­мальный коэффициент отражения. Поэтому плавные перехо­ды должны иметь достаточную длину.

Рис. 4.17.

Специальная конструкция переходника позволяет получить из волны прямоугольного волновода волну типа в­ круглом (рис.4.18). Переходник такого типа выполняет роль преобразователя типов волн. Конструкция интересная, но трудна в изготовлении.

Рис.4.18.

Волноводно-коаксиальные переходы обычно используются в качестве возбудителей волноводов. На рис. 4.19 приведены простейшие волноводно-коаксиальные переходники зондового типа, возбуждающие волны . Основной принцип, определяющий местоположение и вид возбуждающего устрой­ства, заключается в следующем: элемент возбуждения должен возбуждать электрические и магнитные поля, совпадающие со структурой поля в волноводе. Элемент возбуждения в виде штыря осуществляет связь по электрическому полю (электрическая связь), а рамка — по магнитному (магнитная связь). Пример возбуждения волны в прямоугольном волноводе с -помощью рамочных возбудителей приводится на рис. 4.20.

Рис. 4.19.

Рис. 4.20.

Размеры петель связи выбираются из условия согласования ко­аксиальной линии и волновода. Во второй схеме этого рисун­ка однонаправленного распространения энергии добиваются за счет питания возбудителей, расположенных на расстоянии со сдвигом фазы 90°.

Вопрос. 4. Управление параметрами электромагнитных волн в линиях передачи. Узлы СВЧ трактов.

Аттенюаторы. На рис. 4.21 показаны два переменных поглощающих аттенюато­ра. В них при увеличении объема поглощающего материала в пучности напряженности электрического поля (в центре вол­новода) затухание увеличивается. Форма пластин выбирается из соображений получения минимального отражения и линей­ности градуировочной кривой.

Рис. 4.21.

Обозначения: 1 - фланец, 2 - волновод, 3 — поглощающая пластина, 4 – держатель.

Принцип действия аттенюатора предельного типа основан на использовании явления затухания электромагнитных волн в запредельном волноводе. Коаксиальные предельные аттеню­аторы с индуктивной (рис. 4.21а) и емкостной (рис 4.21б) связями работают следующим образом. Волна типа ТЕМ в ко­аксиальной линии, распространяющаяся от генератора, воз­буждает отрезок круглого волновода. Петля связи возбуждает в круглом волноводе волну типа , а диск — волну типа . Однако поперечные размеры круглого волново­да настолько малы, что эти волны являются запредельными.

Поэтому второй элемент связи, расположенный даже «а срав­нительно небольшом расстоянии от первого, возбуждается слабо. Изменяя расстояние между элементами связи можно по­лучить изменение вносимого ослабления в широких пределах.

Коаксиальные предельные аттенюаторы (рис. 4.22). Обозначения: 1,2,3 - коаксиальная линия, 2- круглый волновод, 4 - диск связи, 5 - петля связи, 6, 7 - сопротивления.

Рис. 4.22.

Достоинством переменного аттенюатора предельного типа является линейность его градуировочной кривой. Однако частотная зависимость ослабления проявляется у таких аттенюаторов довольно резко.

Получил распространение переменный волноводный атте­нюатор с вращающейся поглощающей пластиной (рис. 4.23), принцип действия которого демонстрируется на рис. 4.23.

Рис. 4.23.

Обозначения: 1,5 - волноводные переходы, 2,4, 6 - поглощающие пластины, 3- круглый волно­вод.

Аттенюатор состоит из 3-х секций: крайние секции являются .плавными переходами от прямоугольного волновода к круглому и за­креплены неподвижно (в них могут располагаться поглощаю­щие пластины 2, 6, параллельные широким стенкам прямо­угольных волноводов), а в средней секции, представляющей собой вращающийся отрезок круглого волновода, помещается поглощающая пластина.

Волна типа прямоугольного волновода трансформи­руется в линеннополяризованную волну типа в круглом, которая может быть разложена на две составляющие: с векто­ром , параллельным пластине, и с вектором , перпендику­лярным ей. Первая составляющая поглощается практически полностью, в то время как вторая приходит к третьей секции почти без затухания. На входе третьей секции прошедшую волну с составляющей следует теперь разложить на две: одну с вектором Е перпендикулярную широкой стенке выход­ного прямоугольного волновода, другую - с параллельным ей. Ясно, что первая возбуждает волновод, а вторая либо по­глощается параллельной ей поглощающей пластиной 6, либо отражается. Таким образом, вносимое затухание зависит от угла поворота пластины средней секции и изменяется по за­кону sin² Q.

Рассмотренные переменные аттенюаторы используются главным образом в радиоизмерительной аппаратуре. В неко­торых системах, например, радиолокационных, используются аттенюаторы на два положения, называемые переключателя­ми. От переключателя требуется быстрый переход из режима пропускания в режим затухания. Механические переключа­тели из-за инерционности системы не обладают быстродейст­вием и используется электрическое управление аттенюато­рами.

Фазовращатели. В каждой точке линии передачи электро­магнитное поле характеризуется амплитудой и фазой. Атте­нюаторы позволяют управлять амплитудой поля, а фазовра­щатели - фазой. Фазовращатель - это четырехполюсное устройство, создающее фазовый сдвиг в некоторой точке ли­нии передачи (на выходе фазовращателя) по отношению к другой (входу фазовращателя). Переменный фазовращатель позволяет изменять фазу на выходе фазовращателя либо не­прерывным образом, либо дискретным.

Фазовая скорость в линии передачи зависит от диэлектри­ческой и магнитной проницаемости среды, заполняющей ее. Поэтому если в прямоугольном волноводе перемещать ди­электрическую пластину, не имеющую потерь, от боковой стен­ки волновода в середину, т. е. из места, где поле Е равно ну­лю, в место, где оно максимально, то фаза поля за диэлектри­ческой пластиной будет изменяться. Конструкция фазовраща­теля этого типа точно такая же как и у аттенюатора рис. 4.21б, но диэлектрическая пластина не имеет потерь. Диэлектриче­ская пластина, вводимая через щель в середине широкой стенки волновода, также образует переменный фазовращатель ножевого типа, подобный по конструкции аттенюатору рис. 4.21а.

Диэлектрическая пластина, расположенная перпендику­лярно силовым линиям электрического поля не вносит фазовую задержку, в то время как параллельная линиям Е ди­электрическая пластина вызывает определенное замедление фазовой скорости электромагнитной волны. На основании это­го факта на круглом волноводе построен ряд фазовращающих устройств.

Линейно поляризованную волну Е в круглом волноводе всегда можно представить в виде суммы двух волн: с векто­ром , перпендикулярным диэлектрической пластине, и с параллельным ей (рис. 4.24).

.

Рис. 4.24.

В зависимости длины пластины и ее диэлектрической проницаемости на выходе фазовращателя между составляю­щими поля и получается некоторый сдвиг фазы. Устрой­ства, выполняющие такие функции, называются секциями дифференциального фазового сдвига. Если разность фаз меж­ду и на входе равна 90°, то такая секция называется - градусной секцией. Такая секция позволяет преобразо­вать линейно-поляризованную волну на входе секции в волну с круговой поляризацией на выходе. Действительно, если ди­электрическая пластина - секции расположена под углом 45° к вектору поля Е на входе, то составляющие поля и будут равны по амплитуде. На выходе секции они будут иметь сдвиг фазы 90°, т. е. будут в пространственной и временной квадратуре. А это и является условием круговой поляризации.

Фильтры типов волн. В общем случае линия передачи является многоволновой. Однако в технике СВЧ часто тре­буется передать волну только одного типа. Если размеры ли­нии передачи удовлетворяют условию существования волны только основного типа, то, как правило, сама линия передачи является фильтром типов волн. В ней может распространяться исключительно волна одного типа. Если же размеры линии передачи допускают существование нескольких типов волн и требуется передача энергии на одном из них, то остальные ти­пы волн должны не пропускаться. Энергия этих типов волн в зависимости от вида фильтра либо поглощается, либо отражается к генератору.

Допустим, что в круглом волноводе требуется передавать энергию на осесимметричной волне типа Е₀₁. Из диаграммы типов волн следует, что волна этого типа не яв­ляется основной. Поэтому если в линии передачи имеются ка­кие-либо неоднородности, то энергия волны типа Е₀₁ будет переходить в энергию волны основного типа H₁₁. Однако тре­буется, чтобы на выходе линии передачи волна H₁₁ отсутство­вала. В задачу фильтра волны Е₀₁ в круглом волноводе и вхо­дит отражение или поглощение энергии волны типа H₁₁. Кон­структивно фильтр, отражающий волны типа H₁₁ может быть выполнен следующим образом. В круглом волноводе (рис. 4.25а) размещается решетка из концентрических ме­таллических проводников. Силовые линии вектора напряжен­ности электрического поля в случае волны типа перпен­дикулярны проводам решетки. Следовательно, на прохождение волны типа решетка не повлияет. У волны же H₁₁ элек­трическое поле имеет составляющие, касательные к метал­лическим проводникам решетки. Для удовлетворения гранич­ного условия на металле должна существовать отра­женная волна. Поэтому волна типа H₁₁ претерпевает отраже­ние. Таким образом, проводники в виде окружностей в круглом волноводе являются фильтрами волны типа .

Фильтрами волны являются и продольные щели в стен­ках волновода (рис. 4.25б). Волна типа имеет на внут­ренней стенке волновода только продольные электрические то­ки. Но щель в волноводе возбуждается исключительно тока­ми, перпендикулярными ей. Поэтому на прохождение волны типа продольные щели не влияют. Волна же типа H₁₁, имеющая поперечные токи, будет возбуждать продольные ще­ли и энергия волны H₁₁ будет через них излучаться. Обычно за щелями вне волновода конструируется коаксиальный резо­натор с расположенным внутри него поглощающим материа­лом, в котором и теряется энергия волны типа H₁₁

Рис. 4.25.

Устройство, фильтрующее волну типа H₀₁ в круглом волно­воде, показано на рис. 4.26. Радиальные металлические про­водники не изменяют структуру поля волны типа H₀₁ пустого круглого волновода, поэтому они не оказывают влияния на прохождение волны этого типа. Для других типов волн ре­шетка радиальных стержней является отражающей.

Рис. 4.26.

Вращающиеся сочленения. Иногда возникает необходимость поворота подвижной части системы (антенны) относительно неподвижной (передатчика). Аналогичная задача возникает в различных измерительных методах. Тогда в линию передачи ставится вращающееся сочленение.

Вращающееся сочленение представляет собой соединитель­ное устройство, позволяющее поворачивать одну часть тракта относительно другой. Основным требованием к вращающемуся сочленению является независимость коэффициента передачи от угла поворота. Необходимо также, чтобы вращающееся сочленение имело минимальные потери, как активные, так и на отражение.

О дна из конструкций волноводного вращающе­гося сочленения показана на рис. 4.27.

Рис. 4.27.

В нем волна типа H₁₀ прямоугольного волновода с помощью коаксиально зондового перехода преобразуется в осесимметричную волну типа круглого волновода. Контакт между частями вращающегося сочленения выполнен по дроссельной схеме аналогичной по принципу действия и свойствам дроссельному соединению коаксиальных линий. Отрезок коаксиальной линии с волной типа ТЕМ в зондовом переходе выполняет роль фильтра волны осесимметричного типа.