Введение

Неотъемлемыми составными частями современных радиотехнических средств являются антенные системы и –обслуживающие их тракты СВЧ.

Весьма важное значение в функционировании радиосистем имеют тракты, соединяющие антенны с передающей или с приемной радиоаппаратурой. Тракт осуществляет канализацию электромагнитных волн, обеспечивает правильный режим работы выходных и входных цепей передатчика и приемника, выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов, может содержать коммутирующие цепи и вращающиеся сочленения, устройства управлением луча антенны в пространстве и поляризацией радиоволн, устройства контроля функционирования системы.

Кроме антенных устройств тракты СВЧ широко используются в разнообразной измерительной аппаратуре, в частности для определения параметров различных сред, в ускорителях элементарных частиц, при нагреве СВЧ и сушке изделий, в медицине и др. Поэтому в более широком смысле под трактом СВЧ понимают совокупность устройств СВЧ, сочлененных между собой определенным образом для достижения поставленных целей. Наиболее распространенными элементами тракта являются отрезки линий передачи, переходные и стыковочные узлы, согласующие элементы, ответвители и поглотители мощности, фильтры, фазовращатели, невзаимные устройства с ферритами, коммутирующие устройства. В подавляющем большинстве случаев как антенны, так и обслуживающие их тракты относятся к классу линейных и пассивных радиотехнических устройств и в конструктивном отношении представляют собой сочетание деталей и элементов, выполненных из проводников, диэлектриков и магнитодиэлектриков. 

 

В последние годыв антенных системах и трактах СВЧ важную роль стали играть устройства управления их работа, особенно в антеннах с быстрым перемещением луча в пространстве. Такие антенны, называемые фразированными антенными решетками (ФАР), обычно строится в виде системы большого числа отдельных излучателей, фазы высококачественного возбуждения которых регулируются независимо с помощью быстродействующих полупроводниковых или ферритовых управляющих устройств по командам ЭВМ. Вопросы создания управляющих систем для антенн и трактов относятся к курсам «Радиотехнических систем» и «Радиоавтоматика» и поэтому здесь не рассматриваются. Однако при изложении теории антенн будут специально обсуждены возможности и способы управления положением луча антенны в пространстве, а при рассмотрении элементов трактов СВЧ – технические средства для регулирования амплитуд и фаз возбуждения излучателей антенных решеток.

Процесс излучения и приема радиоволн антеннами, а так же процессы передачи электромагнитных волн в трактах СВЧ и образующих их элементах относятся к весьма сложным волновым процессам. Адекватное математическое описание этих процессов дает общая теория электромагнитного поля (электродинамика), основана на решении системы дифференциальных уравнений Максвелла, дополненной материальными уравнениями для сред и граничными условиями.

Несмотря на внешнюю относительную простоту и физическую четкость уравнений Максвелла, их прямое использование при проектировании конкретных антенн и трактов чаще всего не приводит к желаемым результатам из-за серьезных математических трудностей. Оказывается, что строгие и полные решения электродинамических задач даже для простейших антенн (например, уединенных вибраторов и щелевых излучателей) и типовых элементов трактов (например, скачков размеров линий передачи, диафрагм волноводов, разветвлений) приводят к слишком сложным векторным функциям напряженностей электрического и магнитного полей от трех пространственных координат. Однако в большинстве случаев при разработке антенн или трактов не обязательно воссоздавать полную картину электромагнитного поля в любой точке пространства. Важно уметь определять и обеспечивать разрешенность допусков требуемой характеристики антенны (диаграммы направленности, входные сопротивления и т.д.) и ответные реакции тракта на заданное воздействие. 

При расчете электрических характеристик антенн или трактов наряду со строгим решениемграничных задач с успехом используются и более простые инженерные подходы. Здесь в первую очередь следует отметить общую теорию цепей СВЧ, базирующуюся на матричном аппарате линейной алгебры, теории функции комплексного переменного и некоторых других разделах математики. Одной из центральных идей общей теории цепей СВЧ является возможность замены любых линий передачи электромагнитных волн эквивалентными длинными линиями с распределенными параметрами. Другим элементам тракта или элементам антенн (стыкам волноводов, нагрузкам, диафрагмам, излучающим щелям, наборам вибраторов и т.д.) ставятся в соответствие эквивалентные многополюсники. Эти многополюсники описываются либо матрицами параметров (матрицы рассеяния, сопротивления или передачи), либо схемами замещения той или иной степени сложности. Параметры эквивалентных многополюсников или их схем замещения электрических характеристик конкретного элемента в нужной полосе частот точным результатам, полученным путем строгого решения соответствующей граничной задачи электродинамики, либо из прецизионных измерений.

Когда в распоряжении разработчика антенн и трактов оказывается достаточно широких набор схем замещения стандартных узлов, именуемых базовыми элементами, дальнейшая работа по анализу и синтезу сложных антенн и трактов может производиться с помощью алгоритмов объединения базовых элементов в общую схему. Подробности поведения электромагнитных полей в отдельных устройствах оказываются при этом уже ненужными, а сам алгоритм объединения реализуется с помощью ЭВМ по заранее составленным и отлаженным программам вычислений. Набор таких программ вместе с банком характеристик базовых элементов составляет ядро системы автоматизированного проектирования антенных устройств и тактов определенного класса.

Наряду с общей теорией цепей СВЧ при проектировании современных антенн и трактов широко применяются и другие приближенные теории, среди которых следует отметить геометрическую оптику, физическую оптику, скалярную теорию дифракции, геометрическую теорию дифракции.

Согласование с помощью нескольких реактивностей. Применение одной подвижной реактивности по способу Татаринова наиболее удобно осуществляется в открытых двухпроводных линиях передачи, где имеется легкий доступ к проводникам линии и, следовательно, возможно применение короткозамкнутых (или разомкнутых) подвижных шлейфов с регулируемой длиной. В закрытых линиях передачи передвижные шлейфы конструктивно неудобны. Поэтому в 1940 г. В. В. Татариновым были предложены схемы узкополосного согласования с двумя или тремя реактивностями. В этих схемах положение реактивностей

 

  

Рис. 1.14. Согласующие схемы с двумя (а) и тремя (б) неподвижными параллельными реактивностями

Рис. 1.15. К расчету схемы согласования с помощью двух неподвижных реактивностей

строго фиксировано и управляемыми степенями свободы являются величины реактивностей.

Схема согласования с двумя параллельными реактивностями приведена на рис. 1.14, а. В принципе фиксированное расстояние  между реактивностями может быть любым, но не слишком близким к  , где  — длина волны в линии передачи, n=1, 2, 3 ... Для увеличения диапазона значений проводимостей нагрузок  , для которых может быть достигнуто согласование, расстояние  желательно выбрать равным  или  . Идея настройки согласующего устройства состоит в том, что, изменяя величину первой реактивности  , регулируют тем самым эквивалентную нормированную проводимость в точке включения второй реактивности до тех пор, пока ее вещественная часть не станет равной единице. Компенсация оставшейся реактивной проводимости осуществляется регулировкой величины  , так же как и в обычном способе Татаринова

На рис. 1.15 показана последовательность расчета согласования с помощью круговой номограммы, которая предварительно дополняется окружностью g=1, сдвинутой из своего обычного положения на расстояние  в сторону нагрузки (эта окружность изображена штрихпунктиром, причем для конкретности предположено, что  . На номограмму наносится проводимость нагрузки  я (точка 1). Затем эта проводимость по окружности постоянного КБВ Кн перемещается в точку 2, находящуюся на расстоянии  от нагрузки. Далее следует осуществить передвижение из точки 2 по соответствующей окружности g=const в точку 3, что соответствует подключению реактивной проводимости  . Точка 3 после трансформации через отрезок линии длиной  (что эквивалентно перемещению по окружности постоянного КБВ на угол  в сторону генератора) обязательно попадает на линию g=1 в точку 4. Подключение второй реактивной проводимости  переводит точку 4 в центр номограммы 5 в обеспечивает окончательное согласование. Вместо точки 3 могла быть использована более удаленная точка 6 на штрихпунктирной окружности. Однако для этого потребуется большая величина проводимости  , КБВ на участке между проводимостями  и  снизится, соответственно должна будет возрасти величина  . В этих условиях в согласующем устройстве будет запасаться гораздо больше электромагнитной энергии, и согласующая цепь вместе с нагрузкой образует резонансную систему с более высокой добротностью (а следовательно, и с меньшей полосой частот согласования), чем при использовании точки 3.

При произвольной нагрузке с помощью одной фиксированной по положению в линии передачи реактивности не всегда удается выполнить первое условие согласования, т.е. обеспечить g=1 в точке расположения второй реактивности. Поэтому часто прибегают к согласующему устройству с тремя реактивностями (см. рис. 1.14, б). В зависимости от активной проводимости нагрузки в сечении, где включается реактивность, согласование осуществляется либо первой я второй реактивностями при  <1, либо второй и третьей при  >1. Свободная реактивность исключается из схемы путем регулировки B = 0. Однако возможны и другие способы согласования, при которых используются регулировки всех трех реактивностей.

Из рассмотренных примеров следует, что в узкополосных согласующих устройствах в принципе достаточны две регулируемые степени свободы (место включения четвертьволнового трансформатора и его волновое сопротивление, величина реактивности и место ее включения, две неподвижные реактивности и т.д.).

В линиях передачи с Т-волной в качестве сосредоточенных реактивностей чаще всего используют параллельные или последовательные шлейфы. В волноводах отдают предпочтение малогабаритным согласующим элементам - штырям и диафрагмам.

Принцип декомпозиции в анализе устройств свч

Наиболее универсальным методом расчета электрических характеристик многополюсных устройств СВЧ является расчленение (декомпозиция) сложного устройства на ряд более простых устройств, допускающих независимый анализ и характеризуемых теми или иными матрицами параметров. Эти простые устройства называют базовыми элементами. Если характеристики базовых элементов подвергнуты предварительному изучению и установлены номиналы величин, определяющих матрицу параметров каждого базового элемента, то анализ электрических характеристик сложной системы СВЧ сводится к проводимому по специальным алгоритмам расчету матриц параметров для объединения двух и более базовых элементов.

 

В низкочастотныхпассивных электрических цепях, описываемых в терминах напряжений и токов, достаточен выбор ограниченного числа базовых элементов. Простейшими базовыми элементами являются: 1) резисторы (поглотители мощности); 2) конденсаторы (накопители энергии электрического поля); 3) индуктивные катушки (накопители энергии магнитного поля). При переходе к сверхвысоким частотам свойства накопления и поглощения электромагнитной энергии присущи всему внутреннему объему анализируемого устройства и выделение базовых элементов становится не столь однозначным.

Традиционный подход к декомпозиции СВЧ-устройств предусматривает замену каждого выделенного базового СВЧ-элемента некоторой схемой замещения, состоящей из сосредоточенных элементов L, С и R, а также из регулярных отрезков линии передачи. Электродинамические расчеты ряда базовых элементов проделывают заблаговременно, а результаты представляют в виде приближенных формул и справочных таблиц, определяющих связь номиналов элементов схемы замещения с геометрическими размерами базового элемента, длиной волны и с параметрами магнитодиэлектриков. Преимуществами такого подхода являются универсальность, схожесть с теорией НЧ-цепей, а также наглядность представлений о функционировании сложных СВЧ-устройств, достигаемая путем разумной идеализации эквивалентных схем. Недостатками традиционного подхода являются потеря точности при использовании упрощенных схем замещения и трудности в количественной оценке погрешностей расчета.

Отмеченные недостатки успешно преодолеваются в более позднем формальном электродинамическом подходе, ориентированном на прямое применение мощных ЭВМ. При прямом электродинамическом подходе осуществляется декомпозиция СВЧ-устройств на ряд базовых элементов в виде геометрических конфигураций, допускающих аналитическое или численное определение матрицы параметров путем решения уравнений Максвелла при заданных граничных условиях. Последующее нахождение матрицы параметров сложного устройства СВЧ осуществляется по точно таким же алгоритмам объединения многополюсников, как и в традиционном подходе на основе схем замещения. Электродинамический подход в принципе позволяет выполнять расчеты с любой требуемой точностью, однако при этом теряется наглядность анализа и происходит сужение класса устройств, рассчитываемых по конкретной вычислительной программе.

Между традиционным и электродинамическим подходами нет глубоких принципиальных различий, и поэтому в основу последующего изложения методов анализа многополюсников СВЧ с применением принципа декомпозиции положен традиционный подход на основе схем замещения базовых элементов. При этом следует различать два уровня декомпозиции: 1) представление укрупненных базовых элементов СВЧ в виде схем замещения из отрезков линий передачи и элементов L, С и R, 2) расчленение тракта СВЧ на укрупненные базовые элементы и использование алгоритмов объединения многополюсников.