13.4. Устройства, предназначенные для управления передаваемой мощностью

13.4.1. Аттенюаторы

В процессе настройки и измерения параметров различных устройств возникает необходимость в регулировке уровня мощ­ности, передаваемой по тракту, либо в развязывающих устрой­ствах, ослабляющих реакцию нагрузки на генератор. Устройства, выполняющие подобные функции, называют аттенюаторами (ослабителями). Такие устройства, имеющие, как правило, два плеча, характеризуются вносимым затуханием Н_зат=1Оlg(Р_вх/Р_Вых), где Р_вх и Р_Вых- мощности на входе и выходе аттенюатора соот­ветственно. В регулируемых аттенюаторах N_зат может меняться плавно или принимать ряд дискретных значений (плавные или дискретные аттенюаторы). При конструировании реальных аттенюаторов обычно требуют, чтобы затухание N_зат в рабочей полосе частот оставалось постоянным, обеспечивалось требуемое согласование аттенюатора с подводящими линиями передачи, а фазовый сдвиг φ, получаемый волной при прохождении через аттенюатор, был пропорционален частоте. Поэтому подобные двухплечные устройства могут быть представлены эквивалентным взаимным четырехполюсником, описываемым матрицей || S || (12.43) при N=2. В идеальном случае это согласованный четырехполкх> ник, элементы матрицы ||S|| которого равны S₁₁=S₂₂=0, S₁₂ = S₂₁

В волноводных трактах обычно используют два типа атте­нюаторов: поглощающие и предельные. В поглощающих часть входной мощности рассеивается внутри аттенюатора, а оставшая­ся часть поступает на его выход. На рис. 13.18 схематично пока­зана одна из возможных конструкций поглощающего аттенюатора. Она состоит из отрезка прямоугольного волновода, работающего в одноволновом режиме, в который помещается параллельно линиям электрического поля тонкая диэлектрическая пластина, покрытая слоем поглощающего материала (графит,слой металла, толщина которого меньше глубины проникновения, и т.д.). Для

уменьшения отражений концы пластины заостряют. Под влиянием электрического поля в поглощающем слое возникает ток про­водимости, что вызывает увеличение затухания распростра­няющейся волны. Поскольку амплитуда вектора Е волны Н₁₀ изменяется вдоль широкой стенки, то, перемещая пластину в этом направлении, можно в широких пределах изменять величину вносимого затухания N_зат. Максимальное вносимое затухание получается при расположении пластины в центре широкой стенки, а минимальное-вблизи узкой. При фиксированном положении пластины величина N_зат зависит от длины пластины, параметров диэлектрика и свойств поглощающего материала. К недостаткам таких аттенюаторов можно отнести: зависимость N_зат от частоты; изменение фазового сдвига φ, получаемого волной при распрост­ранении со входа на выход, при изменении вносимого затухания, поскольку перемещение пластины в поперечной плоскости вызы­вает изменение фазовой скорости распространяющейся волны; изменение вносимого затухания со временем из-за старения материалов.

Предельный аттенюатор обязательно содержит отрезок вол­новода, размеры которого выбраны так, что он является пре­дельным для всех типов волн. В такой отрезок (рис.13.19) на некотором расстоянии l друг от друга вводятся два электрических или магнитных вибратора, один из которых подсоединяется к источнику электромагнитных колебаний, а другой соединяется с нагрузкой. Мощность, поступающая от источника, вызывает токи в первом вибраторе, что приводит к возбуждению разных типов волн в волноводе (см.13.2). Однако в данном случае для каждого возбуждаемого типа вдоль волновода устанавливается стоячая волна с экспоненциальным убыванием амплитуды вдоль волно­вода Е_вых=Е_оехр(-α l), где E_вых-амплитуда напряженности элект­рического поля в месте расположения приемного вибратора, а Е_о-в месте расположения возбуждающего вибратора,

- критическая длина волны возбуждаемого ти­па, обычно волны Ню. Электромагнитное поле возбужденной волнывызывает ток в приемном виб­раторе, вследствие чего часть входной мощности поступает в нагрузку. Поскольку величина то­ка в приемном вибраторе пропор­циональна величине Е_вых, то ве­личина мощности, поступающей в нагрузку, зависит от l. Переме­щением приемного вибратора вдоль волновода можно менять величину мощности, поступающей

в нагрузку, остальная мощность отражается от входа аттенюатора, т.е. регулирование мощности на выходе такого аттенюатора осу­ществляется за счет изменения уровня отражений от его входа.

В полосковых трактах обычно применяют дискретные ступен­чатые аттенюаторы на сосредоточенных резисторах. Каждая сту­пень аттенюатора, как правило, имеет вид или Т- или П-образного соединения активных сопротивлений, ко входу и выходу которого подключены подводящие полосковые линии с волновым сопротив­лением Z_B. На рис.13.20 и 13.21 показаны эквивалентные схемы ступени. По известным величинам Z_B, R ₁ иR ₂с помощью (12.52) или (12.53) нетрудно найти матрицу сопротивлений | |Z|| или мат­рицу проводимостей ||Y| |, а по (12.47) или (12.48)-матрицу рас­сеяния. ||S|| для рассматриваемых схем (рис.13.20 и 13.21). Исполь­зуя найденные элементы матрицы || S ||, определяют согласование на входе схемы KBB=(1-|S_1l)/(1 + |S₁₁|) и вносимое схемой за­тухание Nзат=10lg (1/| S₂₁ |²). Используя полученные формулы для КБВ и Nзат, несложно получить следующие формулы (формулы синтеза) для определения величины резисторов исходя из тре­буемого вносимого затухания ступени N_зат и обеспечения согла­сования с подводящими линиями (КБВ=0):

Следует отметить, что сосредоточенные резисторы приме­няют в полосковых конструкциях устройств диапазона СВЧ на частотах вплоть до 12... 18 ГГц. Однако на частотах выше 1...2 ГГц используют специальные конструкции резисторов, называемые ЧИП-резисторы [49]. Это элементы, специально разработанные для применения в микрополосковых линиях в составе гибридных интегральных схем. Такой резистор представляет собой весьма малую диэлектрическую пластину, на которую нанесены резистивный слой (поглощающая пленка) и контактные площадки (рис.13.22). Например, один из типичных размеров пластины

1x1x0,6 мм, при этом размер участка с резистивным слоем 0,5x1 мм, а контактных площадок 0,25x1 мм. Столь малые раз­меры и позволяют рассматривать такие элементы в качестве сосредоточенных резисторов на частотах до 12...18 ГГц. На рис. 13.23 показана микрополосковая конструкция Т-звена с использованием ЧИП-резисторов. Иногда ступень выполняется в виде отдельного ЧИП, при этом Т- или П-образная схема раз­мещается на подложке малых размеров, где имеется три вывода (контактные площадки) для установки на полосковую плату. Ис­пользуя набор отдельных ступеней с разными вносимыми зату­ханиями, можно построить дискретный аттенюатор, обеспечи­вающий ряд фиксированных значений вносимого затухания, отли­чающихся на постоянную величину ∆N_зат, называемую дискретом затухания. Управление такими аттенюаторами обычно осуществ­ляется с помощью электрически управляемых переключателей на p-i-n диодах (см. 13.5).