Современные технологии и системы автоматизированного измерения на СВЧ

ответвляемой волны. Чем меньше направленность, тем больше соответствующая ошибка, поэтому в интересах повышения точности измерения мы заинтересованы в увеличении направленности. Достигаемая направленность зависит от конструкции НО, частоты излучения, тщательности исполнения конструкции, рабочей полосы частот. Последняя зависимость носит брутальный характер: если в узкополосном применении СВЧ НО достигают направленности порядка 20-40 дБ, то с расширением рабочего диапазона частот излучения минимальная направленность в диапазоне неуклонно падает и при сверхширокой полосе может стать неприемлемо малой. Это особенно фатально при необходимости па- норамно-частотных измерений в сверхширокой полосе.

Параметры третьей группы – коэффициенты развязки (просачивания) по напряжению Nk и по мощности NkP , развязка (просачивание) NkdB (k = 1, 2) – не являются мате-

матически независимыми от показателей первой и второй групп и введены для удобства. Действительно, как нетрудно видеть,

Другая причина введения показателей третьей группы – необходимость оценки уровня протечки в запрещенный порт вне зависимости от уровня ответвления в ответвительный порт.

Параметры четвертой группы – коэффициент отражения, его модуль, возвратные потери, КСВН – как известно, характеризуют степень согласования НО с подводящими линиями. Идеальный НО – полностью согласованное устройство, в реальности этого достичь невозможно. Если бы свойство симметрии эквивалентной схемы, присущее идеальному НО (см. ниже), сохранялось и в реальном НО, то соответствующие параметры четвертой группы были равны. Однако, и это, вообще говоря, не обязательно выполняется. Индекс показывает номер порта, согласование с которым характеризует параметр.

Не только параметры второй группы, но и параметры третьей и четвертой групп неуклонно «ухудшаются» с расширением рабочего диапазона частот НО (в смысле «наихудшего» значения параметра в полосе); это обстоятельство учитывается параметром пятой группы – допустимым диапазоном рабочих частот.

Идеальный НО

Идеальный НО без потерь избавлен от диссипативных потерь при распространении волн внутри него, полностью согласован с подводящими линиями, является взаимным симметричным относительно двух плоскостей восьмиполюсным (четырехпортовым) устройством, обладает бесконечной направленностью (нулевой протечкой в запрещенный порт).

Вследствие указанных свойств идеального НО элементы его матрицы рассеяния подчиняются соотношениям:

Соответственно, с учетом симметрии матрица рассеяния идеального НО имеет вид:

101

Аргументы отличных от нуля элементов этой матрицы зависят от конструкции НО и положений плоскостей отсчета в его плечах. Специальным выбором плоскостей отсчета можно сделать ϕ12 = ϕ13 = ϕ24 = ϕ34 = 0 , т. е. все элементы действительными.

Применения НО

Наиболее частые применения НО [15.1] можно разделить на две группы. К первой группе относятся те применения, в которых используется высокая развязка по высокой частоте между каналом главной линии НО и цепью, на которую поступает ответвленная мощность. В этих применениях направленность НО не является определяющим параметром, хотя ее величина связана с количественной мерой указанной развязки. Примерами применений этой группы является мониторинг мощности и (или) частоты генератора СВЧ, выравнивание мощности генератора при сканировании частоты или стабилизация мощности синтезатора частот при их переключении, построение матриц Батлера для фазированных антенных решеток [15.1.], сложение выходных мощностей транзисторных усилителей в широком диапазоне частот [15.1], индикация мощности в фидерных трактах СВЧ радиолокаторов [15.1]. При выравнивании мощности генератора и стабилизации мощности синтезатора частот ответвленная часть мощности генератора или синтезатора подается в цепь отрицательной обратной связи, в которой детектируется, фильтруется и вырабатывает сигнал ошибки, подающийся в цепь управления генератором (синтезатором). Кроме того, НО на связанных ЛП применяются [15.2] в смесителях, переключателях, модуляторах, фазовращателях, балансных усилителях.

Ко второй группе относятся те применения, в которых эксплуатируется способность НО физически разделять падающий и отраженный потоки, которые затем отдельно обрабатываются. В этих применениях особенно нуждаются измерительные приборы и системы, в частности, анализаторы цепей. Заметим, кстати, что в современных анализаторах цепей НО используются и для стабилизации мощности синтезаторов, и для разделения падающих и отраженных потоков. В применениях второй группы первостепенное значение имеет направленность НО, в особенности в частотно-панорамных измерительных системах, поскольку дефицит направленности является источником существенной ошибки измерения отраженного потока.

Исторические конструкции НО

Замечательные свойства идеального НО еще в начале развития техники СВЧ вызвали энтузиазм по поводу возможностей его применения. Однако, создание НО, близких по своим свойствам к идеальным, оказалось трудной задачей, прежде всего в отношении получения высокой направленности и широкополосности. Это вызвало огромный поток разработок и изобретений в области принципов создания и конструкций НО, не прекращающийся до сего времени, и, разумеется, им посвящена огромная литература, в частности, [15.1–15.37]. Тем не менее, и сейчас подбор удовлетворительного НО для конкретного применения в измерительной технике СВЧ непрост. Рассмотрим некоторые конструкции НО с целью уяснения возможностей преодоления названных трудностей.

Простейшая и исторически едва ли не первая конструкция НО представляет собой два прямоугольных волновода с общей узкой стенкой, в которой проделаны два неболь-

102

ших отверстия на расстоянии λ / 4 друг от друга, где λ – расчетная длина распространяющейся волны (рис. 15.7.1) [15.1– 15.4, 15.7– 15.9]. Пусть по основному волноводу из плеча 1 в плечо 2 распространяется волна H10 . Это волна через каждое отверстие в узкой

стенке создает в дополнительном волноводе по две волны H10 , одна из которых направляется в плечо 3, а другая – в плечо 4 (рис. 15.7.2). В плече 3 поступающие волны складываются противофазно, т. к. одна отстает от другой на λ / 2 , и в идеале гасят друг друга. В плече 4 поступающие волны складываются синфазно, т. к. проходят одинаковые пути. В результате ответвленная часть мощности на длине волны λ поступает в плечо 4, неответвленная – в плечо 2, в плечо 3 мощность не поступает. Если же на расчетной частоте волна H10 поступает из плеча 2 в плечо 1, то ответвленная мощность поступает в плечо 3

и(в идеале) не поступает в плечо 4. Переходное ослабление этого НО зависит от размеров

иформы отверстий. Такой НО имеет узкий рабочий диапазон частот, т. к. при отклонении частоты от расчетной, соответствующей расстоянию между центрами отверстий в λ / 4 , полной компенсации волн в запрещенном плече не происходит и направленность НО ухудшается.

Волноводный НО с двумя отверстиями в узкой общей стенке

Объяснение направленности НО в конструкции рис. 15.7.1

Микрополосковым или симметрично-полосковым аналогом рассмотренного волноводного НО с двухдырочной связью является двухшлейфный НО (рис. 15.7.3). Роль отвер-

103

стий, соединяющих волноводы, теперь выполняют шлейфы – отрезки МПЛ или СПЛ длиной λ / 4 ( λ – длина волны в линии), отстоящие друг от друга также на λ / 4 . Подбирая волновые сопротивления шлейфов и отрезков линий передачи между ними, можно получить требуемое переходное ослабление. Как и его волноводный аналог, такой НО имеет узкий рабочий диапазон частот.

Двухшлейфный НО

Для расширения рабочей полосы частот и увеличения реализуемых значений коэффициента связи применяют многодырочные волноводные НО, для чего в общей узкой стенке двух прямоугольных волноводов проделывают n отверстий связи, отстоящих друг от друга на расстояние l , меньшее или равное четверти расчетной длины волны. Подбирая число, размеры и расстояния между отверстиями связи, можно добиться нужного коэффициента связи, большей максимальной направленности в диапазоне, большей ширины диапазона с заданной минимальной направленностью в нем, ценой сложности изготовления, больших цены, размеров и трудоемкости использования. Например, при умеренных допустимых направленностях можно добиться отношения октавного диапазона частот. Обычно отверстия связи попарно идентичны, коэффициенты связи распределены по биномиальному или чебышевскому закону, а форма и размеры отверстий определяются по полуэмпирическим формулам и графикам [15.9].

Микрополосковыми или симметрично-полосковыми аналогами волноводного НО с многодырочной связью являются многошлейфные НО [15.2]. В целом многодырочные волноводные и многошлейфные микрополосковые и симметрично-полосковые НО не удовлетворяют требованиям современных векторных анализаторов цепей в отношении направленностей и широкополосности. Значительно большие возможности при меньших сложности изготовления и эксплуатации предоставляют НО на связанных линиях передачи. В этом случае используется распределенная электромагнитная связь между близко расположенными проводниками. Она может реализоваться как боковая связь микрополосковых линий (рис. 15.7.4 а) или симметрично-полосковых линий (рис. 15.7.4 б), или как лицевая связь симметрично-полосковых линий (рис. 15.7.5). Простейшая конструкция НО на связанных МПЛ показана на рис. 15.7.6, для устранения связи между подводящими линиями использован уголковый поворот на 900 в местах соединения подводящих линий с отрезками линий передачи. Аналогичные строятся конструкции НО на связанных полосковых линиях других типов.

104

НО с боковой связью МПЛ (а) и СПЛ (б)

НО с лицевой связью СПЛ

Простейшая конструкция НО на связанных МПЛ

105

Эпюры силовых линий электрического поля четной (а) и нечетной (б) волн в НО с боковой связью СПЛ

К объяснению однонаправленности в связанной линии

Направленные свойства ответвителя на связанных отрезках ЛП возникают благодаря явлению распространения и сочетания четных и нечетных нормальных T -волн. Например, в НО с боковой связью СПЛ (рис. 15.7.4) четная и нечетная волны имеют эпюры силовых линий электрического поля, показанные на рис. 15.7.7, и их сочетание обеспечивает направленное свойство ответвителя [15.27]. Хотя строгий электродинамический вывод параметров НО на связанных отрезках ЛП (в идеализированном случае) [15.2, 15.26, 15.27] непрост, саму возможность однонаправленности в связанной линии легко аргументировать на качественном уровне [15.31]. Рассмотрим четырехпортовое устройство на отрезках связанных ЛП, схематично показанное на рис. 15.7.8. Между основной (порт 1 – порт 2) и дополнительной (порт 3 – порт 4) линиями имеется как распределенная индуктивная, так и распределенная емкостная связи. Пусть в основной линии распространяется T -волна или квази- T -волна тока I от порта 1 к порту 2. За счет емкостной связи в дополнительной линии наводятся две волны тока I3 и I4 , распространяющиеся в противо-

положных направлениях, а за счет индуктивной связи – одна волна тока IL , распространяющаяся, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в направлении, противоположном волне тока I . На порте 3 волны тока I3 и IL синфазны, поэтому некоторая часть входной мощности волны тока I попадает в порт 3. В идеале электрические и геометрические параметры НО должны быть подобраны так, чтобы волны тока I4 и IL на порте 4 были противофазны, тогда они взаимно уничтожатся и никакая мощность не попадает в порт 4. В результате в идеале имеем противонаправленный НО с бесконечной направленностью.

Вернувшись к конструкции НО на связанных МПЛ, показанной на рис. 15.7.6, заметим, что она имеет более узкий диапазон рабочих частот, чем НО на СПЛ или НПЛ, и даже после экспериментальной доработки ее направленность не превышает 12…14 дБ [15.26]. Усовершенствованные конструкции НО на МПЛ описаны в [15.2]; среди них наилучшей является конструкция, известная как НО Ланге, использующий несколько связанных проводников и металлические перемычки между ними; в этом НО удается добиться [15.32] практически постоянного коэффициента связи и направленности не менее 24 дБ в октавном диапазоне частот.

Важнейшие требования приложений к характеристикам НО СВЧ-диапазона: достаточно высокая минимальная по диапазону направленность, ширина рабочего частотного диапазона, заданное значение коэффициента связи и достаточно малая его вариабельность

106

в рабочем диапазоне. Неудовлетворенность конструкторов СВЧ-техники выполнением этих требований первоначальными конструкциями НО на связанных ЛП стимулировала создание в последнюю четверть века значительного числа все более сложных и критичных к технологическим допускам НО высокой направленности и сверхширокополосности. Значительное разнообразие этих конструкций позволяет составить некоторую классификацию по признакам: регулярности-нерегулярности, однородности-неоднородности связываемых линий, конфигурации линий, ступенчатости-плавности их структуры, симмет- ричности-несимметричности конструкции относительно вертикальной плоскости.

Отечественные конструкции

Приведем несколько конструкций НО отечественной разработки на связанных плавных нерегулярных линиях передачи (НЛП) [15.17]. Сейчас общепринято, что именно использование таких ЛП создает принципиальную возможность реализации сверхширокополосных НО, наилучшим образом сочетающих выполнение вышеприведенных требований. Необходимым условием этого является стабильность диэлектрических свойств заполнения связанных линий, чему в наибольшей степени удовлетворяют высокодобротные линии с воздушным заполнением.

На рис. 15.8.1 показана конструкция унифицированного несимметричного НО на нестандартных полосковых линиях. Расстояние «в» между частями 1 и 2 корпуса в зоне проводников равно 5, 54 мм, при этом волновое сопротивление одиночной полосковой линии с круглым внутренним проводником диаметром 3.04 мм равно 50 Ом. Проводники 3 и 4 основного и дополнительного каналов имеют слева от плоскости 5 постоянное круглое сечение диаметром 3,04 мм (см. сечение А-А), а затем их ширина монотонно убывает (см. сечение Б-Б) вплоть до начала изгиба проводников 7 в зоне перехода от связанных ЛП к подводящим коаксиальным линиям 8.

Конструкция несимметричного НО на нестандартных полосковых линиях

Оси проводников в области связи расположены под углом друг к другу; этот угол выбирается из компромисса между максимальной направленностью в рабочей полосе и шириной этой полосы; при угле менее 3 градусов достигается максимальная направленность не менее 40 дБ. Форма и положение подстроечного элемента 9 определяются из компромисса

107

между максимальной направленностью в рабочей полосе и степенью согласования плеч НО. Для повышения направленности приняты дополнительные меры: введение в конструкцию поглощающих диэлектрических пластин 6, 11 вдоль стенок камеры связи, уменьшение сечения проводников и размеров камеры связи.

Конструкция симметричного НО [15.17] на связанных полосковых линиях с прямоугольными внутренними проводниками показана на рис. 15.8.2. В частотном диапазоне с перекрытием f2 / f1 =13 он имеет переходное ослабление C1dB равное 10 дБ или 20 дБ. Для

простоты изготовления и лучшего согласования параметры линий t и b были выбраны равными, соответственно, диаметрам внутреннего и внешнего проводников подводящих коаксиальных линий. Параметры w и S при расчете линий варьировались: расстояние S между проводниками и ширина проводников w плавно увеличиваются от центра области связи (z = l/2) к ее краям. В качестве подводящих линий были выбраны коаксиальные линии стандартного поперечного сечения 7/3,04 мм. Отклонение переходного затухания от номинального значения в полосе 0,5…12,5 ГГц не превышает 0,3 дБ, направленность в той же полосе выше 20 дБ. Введение подстроечных элементов, положение которых выбирают экспериментально, позволяет увеличить минимальную направленность до 25 дБ в рабочем диапазоне частот 1..13 ГГц. В качестве подводящих линий были выбраны коаксиальные линии стандартного поперечного сечения

7/3,04 мм.

Конструкция симметричного НО на НПЛ

Другая конструкция симметричного НО [15.17] использует ЛП с

усеченными круглыми внутренними проводниками (рис. 15.8.3).

108

Симметричный НО на ПЛ с усеченными внутренними проводниками

Такие линии обладают достоинствами связанных полосковых ЛП с внутренними проводниками как прямоугольной, так и круглой формы поперечного сечения. Это позволяет технологически просто и эффективно изменять значение коэффициента связи, исключая необходимость изгибания проводников, а также обеспечивает возможность хорошего согласования области связи с подводящими коаксиальными линиями с круглыми внутренними проводниками. Корпус НО состоит из двух частей 1 и 2, содержит проводники 3 и 4 линий основного и вспомогательного каналов, а также поглощающие пластины 5. Выходы НО заканчиваются присоединительными разъемами. Расстояние h между рабочими поверхностями корпуса в зоне одиночных подводящих коаксиальных линий, как и в конструкции несимметричного НО (рис. 15.8.1), постоянно и равно 5,54мм. Геометрические размеры t и h связанных полосковых линий плавно меняются вдоль области связи так, что в каждом поперечном сечении выполняются условия идеальной направленности и согласования. При изготовлении НО значения t и h контролируются в 180 точках по длине области связи. Поглощающие пластины 5 обеспечивают подавление волн высших типов, возбуждаемых на частотах выше 8 ГГц. Их введение в

область связи способствует также повышению направленности НО. Измерения экспериментальных образцов в диапазоне 0,5 – 12 ГГц дали следующие результаты: переходное ослабление C1dB =10,6 дБ; его неравномерность C1dB = ± 0,6 дБ; направлен-

ность D1dB ³ 28 дБ; КСВ K1 £ 1,29.

109

В [15.17] выражено мнение, что для достижения сверхширокополосным НО минимальной в рабочем диапазоне частот направленности более 30 дБ необходимо использовать связанные коаксиальные ЛП с деформированными внешними проводниками. Конструктивно такие ЛП состоят из двух половин (рис. 15.8.4). Каждую из них предложено обрабатывать фрезой с шарообразной режущей частью, погружаемой в заготовку на глубину внешнего про-

Нижняя половина корпуса НО на связанных коаксиальных ЛП с деформированными внешними проводниками

водника коаксиальной ЛП. Этот подход реализован [15.17] в серии унифицированных НО с переходными ослаблениями 10, 20, 30 дБ. Оптимальная конфигурация отрезка плавной НЛП характеризуется тремя варьируемыми размерами, которые обеспечивают технологичность и плавность конфигурации линии: деформированная коаксиальная ЛП в средней части отрезка НЛП длиной l на его краях плавно переходит в коаксиальную ЛП с круглыми проводниками. Одновременно связанные ЛП плавно переходят на границах области связи (сечение СС) в подводящие однородные ЛП. Расстояние S между осями внутренних проводников изменяется от центра области связи НО (сечение ОО) до ее краев (сечение СС) по линейному закону S=Smin - 2z / l(S min - D), где Smin -расстояние между осями проводников в центре области связи, z -продольная координата, отсчитываемая от центра области связи. Линейный закон изменения S задан для исключения технологически сложной операции изгибания внутренних проводников. Компенсировать изменение диаметра внутреннего проводника на центральном участке области связи можно путем варьирования расстояния S1 между осями внешних проводников. Расстояние S между осями внутренних проводников 1 и 2 дополнительно не меняется. На центральном участке области связи S1 > S; вне данного участка S1 и S совпадают.

Геометрические размеры были оптимизированы в 180 поперечных сечениях области связи по ее длине l и в 140 поперечных сечениях подводящих (одиночных) ЛП по их длине l1. При этом полагалось Smin = 4,00мм (для Со = 20 дБ); d = 3,04мм, D = 7,00мм. Наиболее сложные детали – внутренние проводники и корпус симметричного НО на плавной НЛП – были изготовлены на фрезерном станке с ЧПУ. При изготовлении корпуса требовалось обеспечить заданное перемещение фрезы по всем трем пространственным координатам (х, у, z) одновременно и реализовать заданные размеры в указанных точках. Верхняя половина корпуса была выполнена составной из трех частей. В результате оказался возможным в про-

110