1219
.pdf
121
стержне создает соленоид, намотанный непосредственно на волновод. Фазовый сдвиг такого фазовращателя зависит от подмагничивающего поля, которое определяется током, проходящими через соленоид. При изменении тока в соленоиде изменяется и подмагничивающее поле, которое приводит к изменению магнитной проницаемости стержня и, следовательно, фазовой скоро-
сти проходящей волны. Фазовращатели с плавным изменением фазы называются аналоговыми. Недостатком ферритового аналогового фазовращателя является низкая точность установки фазы и необходимость постоянного протекания управляющего тока через соленоид для поддержания требуемого фазового сдвига. Наибольшее распространение на практике получили дискретные фазовращатели, которые по сравнению с плавными фазовращателями имеют высокое быстродействие, большую точность установки фазы
[1,2].
Один из вариантов электромеханического фазовращателя показан на рис. 9.8,а). Принцип его работы основан на использовании электрострикционного эффекта, который состоит в деформации некоторых диэлектрических материалов, называемых пьезоэлектриками, под действием приложенного к ним электрического напряжения. Наиболее сильно этот эффект выражен у диэлектрических образцов, выполненных из керамики на основе цирконаттитанат свинца. Из этой керамики делают тонкие пластинки и склеивают их однополярными сторонами (рис. 9.8,б).
Рисунок 9.8 – Электромеханический стрикционный фазовращатель
Такие двухслойные пластинки называются биморфными. Под действием электрического напряжения, приложенного к металлизированным сторонам биморфной пластинки, она выгибается в направлении, определяемом полярностью приложенного напряжения. Величина прогиба зависит от значения приложенного напряжения. В электромеханическом фазовращателе, показанном на рис. 9.8,а), прогиб биморфной пластины приводит к уменьшению размера широкой стенки прямоугольного волновода. Из-за изменения фазовой скорости волны на участке расположения биморфной пластины изменяется фаза проходящей волны. Такие и аналогичные фазовращатели находят при-
122
менение в миллиметровом диапазоне волн. Напряжение, приложенное к биморфной пластине, составляет приблизительно сотни вольт.
9.3 Поляризаторы СВЧ
Поляризаторы СВЧ предназначены для изменения поляризации проходящей волны в тракте. На эквивалентной схеме они отображаются в виде восьмиполюсника, имеющего по две пары входных и выходных клемм. Каждая пара клемм на входе или выходе такого восьмиполюсника соответствует волнам в волноводе с ортогональным поляризациями. Такие устройства выполняют обычно на круглом волноводе или на волноводе квадратного поперечного сечения с волнами Н10 и Н01 Простейший поляризатор на круглом волноводе показан на рис. 9.10,а). Он представляет собой отрезок круглого волновода длиной l с единственной распространяющейся волной Н11, внутри которого под углом к вертикальной оси расположена диэлектрическая пластина. На рис. 9.10,б) представлен эквивалентный восьмиполюсник. Клеммы 1 и 3 этого многополюсника соответствуют волне Н11 круглого волновода, вектор Е которой, проходящий через центр окружности поперечного сечения, перпендикулярен пластине. Назовем эту волну волной перпендикулярной поляризации. Клеммы 2 и 4 соответствуют волне Н11 вектор Е которой параллелен пластине. Такую волну назовем волной параллельной поляризации. Наличие диэлектрической пластины в волноводе обусловливает различны фазовые скорости волн параллельной vФ || и перпендикулярной vФ поляриза-
ций: vФ || vФ . Поэтому фазовые сдвиги, вносимые этой пластиной для волн
параллельно и перпендикулярной поляризаций, оказываются различными. При этом величина разности фаз || определяется длиной пластины и
размерами ее поперечного сечения. Положив для простоты 0 , запишем
матрицу рассеяния поляризатора относительно волн параллельной и перпендикулярной поляризаций:
|
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
S |
0 |
0 |
0 |
e |
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
||
|
|
e j |
|
|
|
|
|
0 |
0 |
0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Отсюда следует, что входные и выходные пары клемм восьмиполюсника согласованны и развязаны. Кроме того, s4l = s32 = s23 = s14 = 0, так как волны ортогональной поляризации распространяются по волноводу независимо друг от друга, т.е. в процессе распространения этих волн не происходит обмена энергией между ними.
Рассмотрим прохождение через такой поляризатор волны H11, вектор Е которой направлен по оси у. Эту волну можно представить в виде линей-
123
ной комбинации волн перпендикулярной и параллельной поляризаций с ам-
плитудами a и a |
соответственно. Положив амплитуду волны H11 единичной |
|||
и используя рис. 9.9,а, получим a cos , |
a sin . Тогда столбец падаю- |
|||
щих волн а можно записать в виде а = cos , sin , 0, |
0 t . Используя со- |
|||
отношение b = S∙a, получим для столбца отраженных волн |
|
|||
b = 0, 0, |
cos , |
sin e j . |
|
|
|
|
t |
|
|
Отсюда следует, что на выходе поляризатора изменилась фаза волны параллельной поляризации. Подобрав размеры пластины так, чтобы φ = 90°, и
Рисунок 9.9 – Поляризатор на круглом волноводе (а) и его эквивалентная схема (б)
расположив ее под углом ψ = 45°, получим на выходе такого поляризатора волну с круговой поляризацией. Действительно, на выходе поляризатора
|
|
|
|
|
|
|
b 2 2, |
b j 2 2 , |
т.е. |
||||
волна имеет две ортогональные равные по амплитуде составляющие, сдвинутые по фазе друг относительно друга на - 90° . Вектор Е такой волны вращает-
ся против часовой стрелки, ес-
ли смотреть в направлении распространения волны.
Рассуждая аналогично, можно показать, что при воз-
буждении поляризатора волной
Н11, вектор Е которой паралле-
лен оси x, на выходе получим
Рисунок 9.10 – Ферритовый поляризатор на эффекте Фарадея
124
волну Н11 -с круговой поляризацией противоположного вращения. Следу-
ет отметить, что вместо диэлектрической пластины на стенках круглого волновода могут быть выполнены два металлических ребра, располагаемых в той же плоскости, что и пластина. Действие этих ребер эквивалентно действию пластины.
Поляризаторы СВЧ могут быть выполнены также на основе использования эффекта Фарадея в продольно подмагниченном феррите (рис. 9.10). Он состоит из круглого волновода с волной Н11, на оси которого расположен ферритовый стержень. Постоянное подмагничивающее поле создается соленоидом, намотанным непосредственно на волновод. Величина этого поля выбирается такой, чтобы магнитные проницаемости феррита для волн круговой поляризации правого и левого вращений были бы различными. Известно, что линейно поляризованная волна может быть представлена в виде суммы волн круговой поляризации противоположного вращения. Тогда, возбуждая вход рассматриваемого поляризатора волной Н11 вектор Е которой параллелен оси у (рис. 9.11), раскладываем ее на две волны правого и левого вращений. Из-за различия магнитных проницаемостей феррита для этих волн они имеют разные фазовые скорости в волноводе с ферритом. Поэтому при распространении волн вдоль волновода между ними образуется сдвиг по фазе, величина которого определяется длиной стержня. Этот фазовый сдвиг определяет поворот на угол ψ плоскости поляризации
волны Н11, образованной сложени- Рисунок 9.11 – Поворот плоскости по- |
||
ем этих двух волн круговой поля- |
ляризации волны Н11 в круглом вол- |
|
ризации на выходе поляризатора. |
||
новоде с продольно подмагниченным |
||
Рассмотренные поляризаторы СВЧ |
||
ферритом |
||
используются как самостоятельно |
||
|
||
для изменения поляризации проходящей волны, так и в качестве элемента сложных устройств СВЧ.
125
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2–е доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2006. - 376 с.
2.Антенно – фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов/Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В.Г. Кочержевский; Под ред. Г.А. Ерохина. – 2–е изд. испр. – М.: Горячая линия - Те-
леком, 2004. – 491 с.
3.Корогодов В.С. Микроволновые устройства. Конспект лекций. - Томск, ТУСУР, 2001 - 191 с.
4.Бова Н.Т. Микроэлектронные устройства СВЧ. – Киев: Техника, 1984