Министерство высшего и среднего специального образования

Р С Ф С Р

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени А.Н.ТУПОЛЕВА

А.А.АВКСЕНТЬЕВ, Н.Г.ВОРОБЬЕВ, Г.А.МОРОЗОВ

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ БОРТОВЫХ ТРАКТОВ СВЧ

Учебное пособие

По дисциплине «Техническая электродинамика»

для специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

Казань 2005г.

УДК 621.372(075.8)

Направленные ответвители бортовых трактов СВЧ: Учебное посо­бие /А.А.Авксентьев. Н.Г.Воробьев. Г.А.Морозов; Казан.авиац.ин-т. Казань, 1989. 56 с. ISBN5-230-OOI65-8.

Рассмотрены основные сведения о линиях передачи и направлен­ных ответвителях СВЧ, приведены примеры устройств СВЧ, использую­щих направленные ответвители, рассмотрены некоторые положения тео­рии цепей СВЧ. Предназначено для студентов радиотехнического фа­культета дневной и вечерней форм обучения и слушателей факультета повышения квалификации инженеров.

Табл. I. Ил. 104. Библиогр.: 22 назв.

Рецензенты: проф. В.В.Сидоров (Казан. гос. ун-т);

доц. И.П.Акульшин (Казан. ин-т повыш.квалификации кадров)

Введение

Направленные ответвители (НО) являются специфическими и до­статочно широко используемыми элементами техники СВЧ.В пособии[I] приведены краткие сведения о НО и применении их в СВЧ-трактах. Цель данного пособия - на конкретных примерах ознакомить студен­тов с принципами построения наиболее распространенных НО. Предпо­лагается, что читатель знаком с материалом пособия [I] и с разде­лом "Типы линий передачи СВЧ" пособия [2]. Сведения о линиях передачи, приводимые в первой главе, следует рассматривать как до­полнительный материал, необходимый для понимания основной части пособия.

Глава I. Сведения о линиях передачи свч

I.I. Копланарные и щелевые полосковые линии

Копланарная полосковая линия (КШ) передачи и схема ее подключения к генератору и нагрузке показаны на рис.I.I. В этой

где

линии полосковый проводник расположен меж­ду внешними пластинами, которые соединены вместе и служат вторым проводником линии. Это линия открытого типа.Основной тип вол­ны - квази Т • Длина волны в линии рас­считывается по формуле

рабочая длина волны;

- эффективная диэлектрическая проницаемость;

параметр, который зависит от соотношения

поперечных размеров линии,частоты. Эффективную диэлектрическую прони­цаемость и волновое сопротивление определяют по графикам

[3, 4]. Увеличение отношения S/W приводит к увеличению волнового сопро­тивления и к уменьшению . У линий с > 9 при толстых подлож­ках толщина подложки практически не влияет на характеристи­ки линии.

В щелевых линиях электромагнитная волна распространяется вдоль щели между проводящими пластинами» расположенными на диэлек­трической подложке. У симметричной щелевой линии (СЩЛ) (рис, 1.2) металлизированные поверхности расположены на одной стороне подлож­ки. Основной тип волны - Н волна. Строгий расчет параметров ще­левой линии сложен. В инженерной практике используют графики [4]. Увеличение относительной ширины щели W/h приводит к увеличению волнового сопротивления линии и к уменьшению эффективной диэлект­рической проницаемости. Волновое сопротивление и сильно за­висят от частоты, причем при увеличении частоты увеличивается.

У несимметричной щелевой линии (НЩЛ) металлизированные по­верхности расположены на разных сторонах подложки (рис. 1.3).Неко­торые данные для расчета таких линий имеются в [5, 6].Используют­ся и другие разновидности копланарных и щелевых линий [7] .Преиму­ществом рассмотренных КПЛ и СЩЛ является расположение проводников на одной стороне подложки. Это удобно для параллельного подключе­ния различных элементов: диодов, резисторов и т.п. Преимуществом щелевых линий является и то, что соединение трех щелевых линий образует последовательный тройник (рис 1.4). Заметим, что непо­средственные соединения трех несимметричных полосковых линий (НПЛ), симметричных полосковых линий (СПЛ) или КПЛ являются параллельны­ми тройниками.

1.2. Диэлектрические линнии передачи

Диэлектрические линии передачи - это линии передачи от­крытого типа. Они применяются в диапазоне миллиметровых волн и вы­полняются в виде диэлектрических полос, стержней, трубок, располо­женных в свободном пространстве или на металлической поверхности. На рис.1.5 показаны поперечные сечения некоторых линий передачи.

В таких линиях распространяются гибридные волны ,которые имеют продольные составляющие и электрического, и магнитного поля. Поле этих волн имеется как внутри, так и снаружи диэлектрической на­правляющей структуры. Волны обозначаются НЕ_(если поле в попереч­ном сечении напоминает поле волны типа Н в полом волноводе )или ЕН (если поле по своей структуре близко к волнам типа Е ). Для волн в диэлектрических линиях передачи характерно наличие критической дайны волны. На частотах выше критической потери в линии ма­лы, коэффициент распространения является мнимой величиной

- коэффициент фазы. При волна интенсивно из­ лучается, коэффициент распространения является комплексным чис­ лом: , коэффициент затухания имеет значительную ве­ личину. Критическая частота для конкретного типа волны зависит от диэлектрической проницаемости, формы и относительных размеров поперечного сечения линии.

Простейшей является линия с круглым поперечным сечением (рис.1.5, а). Для такой линии основной является волна типа (смысл индексов тот же, что и для волн в круглом волноводе).Струк­тура поля в поперечном и продольном сечениях этой линии показана на рис.1.6. Эта волна имеет нулевую критическую частоту. На рис.1.7 показан график зависимости [8] отношения части энергии

волны, распространяющейся внутри диэлектрика , к части энер­гии волны , распространяющейся вне диэлектрика,для волны

в линиях с разным относительным радиусом . Видно, что при

большая часть энергии распространяется вне диэлектрика, линия имеет слабое направляющее действие.У таких линий наблюдается интенсивное излучение с изогнутых участков и других нерегулярностей. Волны в диэлектрической линии являются медленными: Коэффициент замедления увеличивается при увеличении диаметра линии за счет увеличения (рис.1.8, 1.9)и приближается к значению . При увеличении

увеличивается и затухание в линии за счет потерь в ди­электрике. Графики зависимости потерь в линии из полиэтилена

от частоты для трех типов волн приведены на рис.1.10. При увеличении частоты потери увели-ваются вследствие увеличения доли мощности волны, распространяю­щейся в диэлектрике. Критическая частота волн и опре­деляется по формуле

Потери в диэлектрической линии складываются из потерь в ди­электрике и потерь на излучение. Последние увеличиваются при из­гибе линии. Графики зависимости потерь в плавном изгибе от ра­диуса изгиба R показаны на рис.1 .II. Они построены для произве­дения коэффициентов затухания на радиус изгиба.При увеличении радиуса увеличивается длина изгиба, а значит, и затухание за счет потерь в диэлектрике изогнутой линии (см. наклонную прямую на рис.1,11). Потери на излучение  и R уменьшаются при увели­чении радиуса изгиба (см. пунктирную линию). Суммарные потери R имеют минимум при , при этом доля потерь на излучение составляет 9...20% суммарных.

Потери на излучение уменьшаются при увеличении u -коэффициен­та замедления волны в линии, поэтому при увеличении поперечного диаметра линии оптимальный радиус несколько уменьшается. Увеличе­ние диаметра линии ограничено возникновением волн высших типов. Для круглой полиэтиленовой линии при оптималь-

ный радиус равен шести длинам волны. Минимальный радиус зависит от ширины диапазона рабочих частот, диэлектрической проницаемости, формы поперечного сечения, типа волны.

Линии типа рис. 1.5, е , ж называются зеркальными диэлектриче­скими линиями передачи. Их диэлектрические стержни закреплены не­посредственно на металлической поверхности, поэтому конструкции устройств на таких линиях получаются простыми и технологичными. Их называют диэлектрическими интегральными схемами СВЧ.Анализ та­ких линий производят методом зеркальных изображений.Свойства ли­ний рис.1.5, а, описанные выше, характерны и для линий рис.1.5,д. Недостатком является наличие дополнительных потерь в металлически пластине.