Р ис.29.28.Полосковый тройник с балластными сопротивлениями

Поскольку электрические расстояния от плеча 1 до точек А и В, к которым подключен резистор, равны, при возбуждении плеча 1 в точках А и В устанавливаются одинаковые потенциалы и ток через резистор отсутствует, т.е. резистор не влияет на передачу мощности из плеча 1 в плечи 2 и 3. При возбуждении плеча 2 мощность в плечо 3 поступает двумя путями: через резистор и через два четвертьволновых трансформатора, т.е. в плече 3 возбуждается две волны. Одинаковые амплитуды этих волн обеспечиваются выбором величины резистора R_бал. Если расстояние между точками А и В сделать достаточно малым по сравнению с длиной волны (обычно трансформаторы изгибаются для сближения их концов), то сдвиг по фазе волн в плече 3 будет близок к π из-за разных путей, проходимых волнами. Поэтому волны в плече 3 компенсируют друг друга и мощность из плеча 2 не поступает в плечо 3, она частично проходит в плечо 1 и частично рассеивается в резисторе. Для полного согласования тройника и получения идеальной развязки между плечами 2 и 3 его параметры следует выбирать по формулам:

; ; и .

Здесь волновые сопротивления подводящих линий к любым двум плечам могут быть выбраны произвольно. В случае равного деления мощности при m=1 и Z_a1=Z_B2=Z_B3=Z_В получается и

Если требуется обеспечить одинаковые волновые сопротивления подводящих линий Z_e1=Z_B2=Z_e3=Z_a при неравном делении (т≠1), применяют дополнительные четвертьволновые трансформаторы (рис.29.29).

Рис.29.29.Полосковый тройник с дополнительными четвертьволновыми трансформаторами

Отметим, что в рассмотренных схемах идеальное согласование плеча 1 и идеальная развязка между выходными плечами будут лишь на расчетной частоте, для которой длины всех трансформаторов равны λ₀/4. Кроме того, рассмотренные тройники обеспечивают деление входного сигнала в заданном отношении m и синфазные выходные сигналы на любой частоте рабочего диапазона.

29.5. Фазовращатели

Фазовращатели - это устройства, служащие для изменения фазы электромагнитной волны, поступающей на их вход. На практике применяют проходные и отражательные фазовращатели.

Проходной фазовращатель является двухплечным устройством. В идеальном случае электромагнитная волна должна проходить со входа на выход такого устройства без отражений и затухания, получая лишь фазовый сдвиг Δφ.

Отражательный фазовращатель является одноплечным устройством, которое в идеальном случае полностью отражает электромагнитную волну, поступающую на его вход. При этом фаза отраженной волны изменяется на Δφ по отношению к фазе падающей волны. Фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем, может быть или фиксированным или управляемым. В фазовращателях с регулируемым фазовым сдвигом величина Δφ может изменяться плавно (плавные или аналоговые фазовращатели) или скачкообразно (дискретные фазовращатели). Управление вносимым фазовым сдвигом обычно осуществляют или механическим, или электрическим путем. В механических фазовращателях изменение вносимого фазового сдвига происходит вследствие перемещения отдельных элементов конструкции, а в электрических - под воздействием подаваемых электрических сигналов.

Простейшим фазовращателем проходного типа является отрезок линии передачи длиной l, проходя который электромагнитная волна получает фазовый сдвиг Δφ = 2πl/λ. Для изменения Δφ можно или изменять длину отрезка l, или изменять величину фазовой скорости волны в пределах отрезка, т.е. изменять электрическую длину отрезка l/λ а рис.29.30 изображена схема проходного механического плавного фазовращателя, построенного на основе коаксиальной линии.

Рис.29.30.Схема проходного механического плавного фазовращателя

Перемещением подвижной части изменяется длина линии между входом и выходом устройства. Для устранения отражений проходящей волны скользящие контакты во внешнем и внутреннем проводниках разнесены, что позволяет обеспечить одинаковое волновое сопротивление Z_B во всех сечениях линии независимо от положения подвижной части. Компенсация отражений в местах скачкообразного изменения диаметров внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии обеспечивается последовательным включением коротких отрезков М коаксиальной линии с большей величиной волнового сопротивления, чем Z_B. Эквивалентной схемой таких отрезков является последовательно включенная индуктивность, величина которой подбирается так, чтобы компенсировать влияние емкости в эквивалентной схеме стыка коаксиальных линий с разными размерами металлических проводников.

Изменение фазовой скорости волны, распространяющейся по отрезку линии, можно обеспечить с помощью изменения параметров среды, заполняющей этот отрезок. При этом можно изменять вносимый фазовый сдвиг, не изменяя длину отрезка линии. Пусть в прямоугольный волновод, по которому распространяется волна Н₁₀ , введена тонкая диэлектрическая пластина длиной l параллельно боковым стенкам волновода (см. рис.29.30). Для уменьшения отражений концы пластины заострены. В этом случае на участке волновода, содержащем пластину, структура электромагнитной волны несколько изменится, поскольку электромагнитное поле появится внутри пластины. При этом часть мощности будет переноситься внутри пластины, а часть - в окружающем ее воздухе. Из-за этого скорость распространения волны на участке волновода с пластиной V_ф будет меньше, чем скорость распространения волны V_ф0 в незаполненном волноводе. Это явление можно учесть при вычислении фазовой скорости волны в волноводе с пластиной, если в ней заменить ε на эффективную относительную диэлектрическую проницаемость ε_rэф= V_ф0 /V_ф . Анализ волн в прямоугольном волноводе, частично заполненном диэлектриком, показывает, что ε_rзф увеличивается с увеличением ε_r пластины и ее толщины. Кроме того, поскольку амплитуда вектора Е волны Н₁₀ изменяется вдоль широкой стенки волновода по синусоидальному закону, то, изменяя расстояние от пластины до узкой стенки, можно изменять ε_rзф примерно от 1 (пластина расположена вблизи узкой стенки, где амплитуда вектора Е близка к нулю, поэтому мощность, переносимая волной внутри пластины, равна нулю) до некоторой максимальной величины (пластина расположена в середине широкой стенки, где амплитуда вектора Е максимальна, поэтому максимальна и энергия, переносимая волной внутри пластины). Конструкция плавного волноводного фазовращателя близка к конструкции поглощающего аттенюатора (см. рис.29.12) и отличается от нее только тем, что на диэлектрической пластине фазовращателя отсутствует поглощающий слой. Плавно изменяя расстояние от пластины до узкой стенки, удается плавно изменять вносимый фазовый сдвиг, причем наибольшая величина Δφ будет при размещении пластины в середине широкой стенки волновода.

Фазовращатели с электрическим управлением могут быть выполнены на коммутационных диодах СВЧ, на намагниченных ферритах или на сегнетоэлектрических элементах. Наибольшее распространение получили дискретные фазовращатели на коммутационных диодах. Использование полупроводниковых элементов и микрополосковой линии передачи позволяет выполнять конструкции фазовращателей на основе печатных плат или включать в состав интегральных схем СВЧ. В качестве коммутационных диодов обычно используют р-i-n-диоды. Структура такого диода является трехслойной (рис.29.31.а): между хорошо проводящими полупроводниковыми слоями с дырочной (слой р) и электронной (слой п) проводимостями расположен достаточно широкий слой с низкой проводимостью, близкой к собственной проводимости полупроводника (слой i). Торцевые поверхности диода металлизируют и используют в качестве выводов. Если к диоду приложить постоянное напряжение, называемое смещением, так, что плюс источника смещения соединен с слоем р, а минус - со слоем п, то сопротивление слоя i, а значит, и всего диода резко уменьшится за счет поступления в этот слой электронов из слоя n и дырок из слоя р. Такое смещение называют прямым. При приложении к диоду обратного смещения (плюс источника смещения соединен со слоем n) сопротивление диода резко возрастает, поскольку все постоянное напряжение оказывается приложенным к слою i, где создается сильное электрическое поле, способствующее удалению свободных зарядов из этого слоя.