Делители мощности.

В диапазоне высоких и сверхвысоких частот чаще всего используется режим близкий к бегущей волне, когда стремятся обеспечить согласование импедансов в смысле передачи мощности. Волновое сопротивление входов и выходов должно приближаться к волновому сопротивлению генераторов и нагрузок.

В качестве волноводных коаксиальных делителей мощности чаще всего используют:

• одиночные направленные ответвители – шестиполюсники);

• сдвоенные направленные ответвители – восьмиполюсники);

• симметричные тройники.

Под коэффициентом преобразования масштабных преобразователей на основе делителей мощности понимают отношение мощностей на выходах делителя, поскольку наибольший интерес представляет получение размеров двух мощностей, отличающихся в известное число раз. Поэтому для таких делителей , где - коэффициенты матрицы рассеяния ответвителей. Важным параметром делителя является направленность ответвителя и согласование выходов 2 и 3, так как они влияют на погрешность , зависящую от модуля и фазы коэффициентов отражения нагрузок, присоединенных к выходам делителя, так называемую погрешность рассогласования.

Тройники представляют собой симметричное трехплечное соединение, симметричное относительно осевой линии входного волновода. В случае идеальной симметрии коэффициент преобразования равен единице на любой частоте. Однако, в силу нулевой направленности, их коэффициент преобразования изменяется в зависимости от модулей фаз коэффициентов отражения, присоединенных к выходам в бесконечное число раз, так что они не могут использоваться как масштабные преобразователи в рассогласованных цепях. Этот недостаток устраняется в резистивных тройниках, в которых в выходных плечах располагаются согласованные 4хполюсники с коэффициентом передачи, равным 0,5 по мощности, т.е. . Такие тройники имеют при достаточно малой погрешности в диапазоне частот.

Измерительные аттенюаторы.

Волноводпые и коаксиальные СВЧ-аттенюаторы предназначены для внесения в согласованный тракт (линию передачи) известного (калиброванного) затухания. Таким образом, они являются масштабными преобразователями и одновременно мерами (рабочими или образцовыми) затухания (ослабления). По принципу действия аттенюаторы подразделяются на:

• поглощающие - имеющие элемент, который поглощает энер­гию электромагнитного поля и превращает ее в тепловую энергию;

• реактивные предельные — имеющие предельный волновод, ослабляющий интенсивность электромагнитного поля.

По характеру изменения затухания аттенюаторы подразделяются на:

• фиксированные - вносящие одно значение затухания;

• ступенчатые — вносящие ряд дискретных значений затухания;

• переменные—вносящие любое значение затухания в пределах динамического диапазона;

• комбинированные — со ступенчатой и плавной частями.

К основным метрологическим характеристикам аттенюаторов относятся:

1)наименование и назначение (развязывающий, измерительный и т. п.);

2)динамический диапазон затуханий и значение начального за­тухания для переменных или значение (значения) вносимого затухания для фиксированных и ступенчатых аттенюаторов;

3)волновое сопротивление тракта (сечение волновода);

4)допустимая основная погрешность установки затухания, ко­торая нормирована для работы аттенюатора в согласованном тракте и в определенном участке диапазона частот; эта погреш­ность выражается в децибелах или пропорционально установлен­ному значению затухания (например, ±0,01 А), или в виде алгеб­раической суммы двух членов, один из которых постоянен, а дру­гой пропорционален значению вносимого затухания, например. ± (0,1+0,01 А).

Когда допустимая погрешность не зависит от значения вно­симого затухания, второй член формулы может быть равен нулю. В ряде случаев отдельно указывают вариацию затухания, т. е. случайную погрешность шкалы и системы перемещения подвижных узлов прибора. У некоторых конструкций аттенюаторов значение вносимого затухания зависит не только от положения поглощающих элементов, но и от частоты. В этих случаях необходимо независимым способом определить частоту колебаний для определения значения затухания без внесения дополнительной погрешности.

На практике реализовать идеально согласованный тракт не удается даже в процессе градуировки аттенюаторов. Поэтому потери, вносимые аттенюатором в тракт измерительной установки, не равны затуханию, а отличаются от него на величину погрешности из-за рассогласования в тракте этой установки.

При эксплуатации аттенюаторы используют в еще более рас­согласованных трактах. В таких случаях правильнее говорить о вносимых потерях. Они также отличаются от затухания на величину погрешности из-за рассогласования в данном, конкретном, тракте. Таким образом, затухание — это потери, вносимые в согласованный тракт. Чем меньше КСВН аттенюатора, тем меньше разница между этими параметрами.

Переменные аттенюаторы (за исключением предельных с большим начальным затуханием и поляризационных) при изменении затухания вносят и переменный фазовый сдвиг. При работе в рассогласованном тракте, имеющем фазочувствительные элементы, этот сдвиг рассматривается как неизмеряемый паразитный параметр.

Поскольку методы измерения затухания и вносимых потерь одни и те же (различна лишь погрешность, для вычисления которой нужно знать КСВН аттенюатора и тракта), мы далее для простоты будем говорить только об измерении затухания.

Наиболее употребительные конструкции поглощающих коак­сиальных и волноводных аттенюаторов схематично показаны на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Поглощающие аттенюаторы (заштрихованы поглощающие элементы).

У аттенюатора (рис. 5.6,а) поглощающий элемент выполнен в виде части среднего проводника. В конструкции (рис. 5.6,б) поглощающий элемент, кроме того, соединяет средний и наружные проводники, шунтируя таким образом нагрузку. В конструкции (рис. 5.6,в) он выполнен в виде диэлектрической пластины, покрытой проводящим слоем и вдвигаемой в коаксиал через щель, как это делается в фазовращателях. Аналогичные волноводные аттенюаторы изображены на рис. 5.6, г, д. В первом пластина погружается в волновод через щель, во втором - одна или две пластины перемещаются внутри волновода от стенок к центру. В качестве фиксированного аттенюатора можно применить направленный ответвитель, закрыв выход его основного тракта согласованной нагрузкой (рис. 5.6, е).

Разновидностью поглощающих СВЧ-аттенюаторов являются, ферритовые вентили. Они не безразличны, как обычные СВЧ-аттенюаторы, к направлению распространения в них электромагнитной энергии. В одном, “прямом”, направлении, они пропускают ее почти целиком. Их “прямое” затухание (прямые потери) не превышают обычно 0,5-1,0 дБ. В противоположном направлении их “обратные потери” могут превышать 20-30 дБ.

Ферритовые вентили обычно являются фиксированными и выполнены в виде самостоятельных устройств, хотя вполне возможно применять их и в виде узлов приборов.

В ферритовых вентилях при воздействии постоянного магнитного поля на ферритовый стержень или пластину возникает деформация электромагнитного поля. Пусть, например, оно концентрируется у правой по направлению распространения стенки волновода. Если поглощающий элемент расположить вблизи левой стенки (рис. 5.7), он не окажет влияния на падающую волну, но будет интенсивно поглощать отраженную.

Рис. 5.7. Ферритовый вентиль (а) и картины поля падающей (б) и отраженной (в) волн: 1-феррит; 2-поглотитель; 3-магнит.

В последнее время широкое распространение получили поглощающие волноводные аттенюаторы поляризационного типа. Ha рис. 5.8 схематически показаны его устройство и принцип действия.

Рис. 5.8. Принцип действия поляризационного аттенюатора.

Пусть Е - амплитуда электрической составляющей поля на его входе. Переход с прямоугольного на круглый волновод трансформирует поле таким образом, что направление силовых линий электромагнитного поля - вектора Е - не меняется (поле в круглом волноводе отличается по структуре от поля в прямоугольном волноводе). Затем следует отрезок круглого волновода с поглощающей пластиной, установленной в его диаметральной плоскости. Поглощающие слои действуют на электрическое поле только в том случае, если направление его силовых линий совпадает с плоскостью слоя. Поэтому, если поглощающая пластина горизонтальна (угол ), волна беспрепятственно проходит через эту часть прибора и на выходе, во втором переходе с круглого на прямоугольный волновод, претерпевает обратную трансформацию. Если повернуть круглый волновод и поставить погло­щающую пластину вертикально, параллельно вектору Е (угол ), вся энергия поля поглотится (при достаточной длине пластины) и затухание станет максимальным. При промежуточных значениях угла , очевидно, поглотится лишь части энергии. Какая же? Разложим вектор Е, находящийся под углом к плоскости пластины, на две составляющие: - параллельную пластине и - перпендикулярную к ней. Очевидно, первая составляющая поглотится, и на выходе круглого волновода коле будет иметь амплитуду и новое направление. Затем на пути поля встретится поглощающая пластина в выходном переходе, расположенная под тем же углом . Процесс повторится. Со­ставляющая поглотится, и поле на выходе опять будет иметь первоначальную ориентацию и амплитуду . Мощность, пропорциональная квадрату поля, изменится пропорционально . Выразим затухание поляризационного аттенюатора в децибелах:

. (5.11)

А какой же была роль поглощающей пластины в первом переходе? Благодаря ей достигается симметричность прибора и сохраняется неизменным направление вектора Е при трансформации поля: при любых его поворотах относительно пластины вследствие поглощения составляющей, параллельной ей, восстановится перпендикулярность между полем и пластиной, правда, при увеличении начального затухания.

Чрезвычайно важными преимуществами поляризационных ат­тенюаторов являются: расчетная зависимость значения затухания от угла поворота круглого волновода, независимость его от ста­бильности поглощающих слоев и практическое отсутствие частотной зависимости; Для выполнения этих условий необходимо лишь одно: поглощение составляющей, параллельной пластине, всегда должно заканчиваться на некотором расстоянии от ее конца.

Характерные для поглощающих аттенюаторов значения основных параметров приведены в табл. 5.

Погрешность поглощающих аттенюаторов (кроме поляри­зационных) определяется в основном погрешностью метода измере­ния затухания, числом частот, на которых его измеряют, и частотной зависимостью (при работе не на частоте градуировки). Выбор метода и числа частот диктуется назначением аттенюатора. Фиксированные аттенюаторы применяют в основном как развязывающие, для пассивного согласования тракта, поэтому их затухание определяют с небольшой точностью. Пере­менные аттенюаторы применяют для измерения затухания, их градуируют возможно точнее.

Коэффициентом преобразования измерительного аттенюатора является соотношение входной мощности к выходной , когда генератора и нагрузки равны волновому сопротивлению линии, т. е. идеально согласованы.