книги из ГПНТБ / Негурей, А. В. Конструкции и техника СВЧ учебное пособие

структивно. В этом случае п выбирается отличным от нуля, т. е. длина линии увеличивается на целое число полуволн, условие резонанса сохраняется.

Следует отметить, что подобные колебательные системы являются многоволновыми, т. е. при выбранной геометриче­ ской длине линии они одновременно могут резонировать на нескольких частотах, причем каждой частоте будет соответ­ ствовать свое значение п и /ь «Многоволновость» является вообще характерным свойством колебательных систем с рас­ пределенными параметрами и составляет существенное отли-

Рис.. 5. Эквивалентная схема колебательной сис­ темы, состоящей из начальной емкости С0 и от­ резка линии с распределенными параметрами.

чие от свойств низкочастотных резонансных контуров, что* всегда необходимо учитывать при конструировании СВЧ ко­ лебательных систем.

Уравнение (3) позволяет определить резонансную длину линии передачи. Чтобы провести электрический расчет си­ стемы, удобно воспользоваться эквивалентной схемой с со­ средоточенными эквивалентными параметрами.

Эквивалентная схема резонансной системы, образованнойсосредоточенной емкостью С0 и отрезком короткозамкнутой линии, представлена на рис. 5. Причем контур Ск, LK с соб­ ственной резонансной частотой соо'>юо эквивалентен короткозамкнутому бтрезку линии. На частоте мо контур Сп, LK экви­

лось, в реальной схеме роль индуктивности Ьэ играет входное сопротивление короткозамкнутого отрезка линии. Характери­ стическое сопротивление эквивалентного контура

10

Таким образом, добротность колебательной системы мож­ но определить по известным частотным характеристикам реактивных сопротивлений ветвей контура и эквивалентному

метод определения добротности и резонансного эквивалент­ ного сопротивления [3] назван импедансным и весьма успешно применяется для расчета и исследования контуров коакси­ ального типа. С увеличением числа п условие резонанса (3) сохраняется, но частотная зависимость входного сопротивле­ ния линии увеличивается, т. е. растет значение производной

d X L (со)

rfco ш=о>0 , что в соответствии с формулой (10) говорит

о росте добротности. Но с увеличением п возрастает длина ли­ нии, что приводит к росту потерь и увеличению гэ, поэтому рост добротности замедляется, а величина эквивалентного резонансного сопротивления R30 снижается (5). И Q, и /?эо увеличиваются с уменьшением потерь в системе, т. е. с умень­ шением г3.

§ 4. Общие вопросы конструирования СВЧ колебательных систем

В этом параграфе основное внимание уделено вопросам конструирования СВЧ колебательных систем метрового и де­ циметрового диапазонов, образованных отрезками линий пе-

12

редачи и электронными лампами. Наличие сосредоточенной межэлектродной емкости у лампы и подключаемой к ней ли­ нии с индуктивным входом позволяют называть такие си­ стемы СВЧ контурами. СВЧ контуры находят широкое при­ менение, и в то же время их конструирование представляет значительную трудность, заключающуюся в том, что высокое качество резонансной системы (высокое значение добротно­ сти, резонансного сопротивления и т. д.) необходимо получить при наличии электронной лампы и сложных элементов конст­ рукции.

Выбор типа конструкции колебательной системы опреде­ ляется прежде всего ее назначением и диапазоном рабочих частот. Открытые системы, например системы на двухпровод­ ных линиях, обладают приемлемыми характеристиками в диа­ пазоне метровых волн, поскольку в этом диапазоне потери энергии, связанные с поверхностным и антенным эффектами, еще малы, а по'габаритам и весу они значительно меньше закрытых систем.

В дециметровом диапазоне (Х= 10-е 100 с.м) чаще приме­ няются закрытые колебательные системы (тороидальные, коаксиальные, спиральные), обладающие в этом диапазоне милыми собственными потерями. На более длинных волнах закрытые системы становятся в большинстве случаев непри­ емлемыми по габаритам и весу.

При проектировании СВЧ колебательных систем обычно ставится одна из следующих задач: получить колебательную систему с максимальной добротностью (резонаторы волно­

колебательную систему, но с высоким резонансным сопротив­ лением (например, резонаторы широкополосных СВЧ уси­ лителей).

Обеспечить высокую добротность системы это, значит, уве­ личить запас ее энергии и уменьшить собственные потери. Первое, как уже отмечалось, требует увеличения объема, в котором запасается энергия, т. е. увеличения габаритов си­

ния /?яо зависит от собственных потерь колебательной си­ стемы, которые так же, кай и в случае высокодобротных си­ стем, должны быть сведены к минимуму. Высокое резонанс­ ное сопротивление повышает и коэффициент полезного дей­

13

ствия системы, поскольку малые собственные потери позво­ ляют направить большую часть энергии к полезной нагрузке при той же величине запасенной энергии.

Уменьшение физических размеров колебательной системы может быть достигнуто двумя путями. Из уравнения (3) сле­ дует, что резонансная длина линии контура 1Хувеличивается с уменьшением ее волнового сопротивления Z0. Этим можно

объем, в котором запасается энергия, будет уменьшен, не­ смотря на несколько возросшую длину lh Таким образом, снижением волнового сопротивления линии при определенных условиях можно добиться сокращения объема системы и ее габаритных размеров. Второй путь уменьшения размеров колебательной системы заключается в ее рациональном кон­ струировании, что иллюстрируется примером 1.

Пр и м е р I. Предположим, что нужно сконструировать анодно-сеточный контур широкополосного СВЧ усилителя, работающего с металлокерамическим триодом типа ГИ-70Б на длине волны Х = 20 см. Расчет геометрической длины ко­ роткозамкнутой коаксиальной линии по формуле (3) пока­ зывает, что при волноводном сопротивлении линии Z0 = 60 Ом и емкости сетка—анод Сса= 5 пФ работа на основной волне невозможна, поскольку Л = 10 мм, а уменьшение Z0 в пределах возможного, например до 40ч-30 Ом, не увеличивает сущест­ венно этого размера. Постараемся уменьшить габариты си­ стемы за счет рационального конструирования. На рис. 6 по­ казана схема конструкции анодно-сеточного контура, в кото­ рой контакт сеточного цилиндра металлокерамической лампы с коаксиальной короткозамкнутой линией осуществляется в точках 9, находящихся вблизи катода лампы 4. При таком выборе точки контакта контур становится двусторонним, т. е. существуют два отрезка короткозамкнутой коаксиальной ли­ нии, расположенные слева (I) и справа (II) от промежутка сетка—анод. Входное сопротивление каждого участка линии должно быть индуктивным. Как видно, объем контура дву­

14

сетки лампы с коаксиальной линией вправо и расположим его вблизи анода лампы. При таком выборе возможно по­ строение одностороннего контура, коаксиальная линия кото­ рого состоит из одного участка, расположенного справа от

Рис. 6. Двусторонний контур коаксиального

роннего контура. Соответственно уменьшится объем, занимае­ мый всем устройством, и упадет добротность, что необходимо

.для увеличения широкополосности контура. Заметим, что в большинстве существующих конструкций традиционно при­ меняется двустороннее построение контуров и потому в пол­ ной мере не используются возможности получения наиболее высокого значения резонансного сопротивления и к.п.д.

15

Теперь рассмотрим задачу об уменьшении собственных потерь, которая, как отмечалось, должна решаться при кон­ струировании как высокодобротных, так и широкополосных колебательных систем с высоким резонансным сопротивле­ нием. Собственные потери СВЧ колебательной системы сла­ гаются из следующих частных составляющих:

—потерь в проводящих поверхностях и контактных соединениях, где протекают СВЧ токи:

—потерь в диэлектрических деталях, находящихся

вСВЧ поле;

—потерь на излучение энергии из колебательной системы;

—потерь в электронной лампе, включающие в общем случае все перечисленные виды потерь.

Рассмотрим более подробно основные причины, вызываю­ щие потери энергии в СВЧ колебательной системе, и возмож­ ности уменьшения этих потерь. Величина поверхностного со­ противления проводника зависит от физических свойств ма­ териала, частоты поля и состояния проводящей поверхности. Такими проводниками в колебательной системе могут быть, проводники отрезка линии передачи, короткозамыкателн, пружины контактных систем, бесконтактные металлические плунжеры, элементы связи, элементы подстройки кошура и пр.

Наиболее существенными обычно являются потери в про­ водниках линии и короткозамыкателях. Поэтому особое вни­ мание при выборе материала поверхностного слоя или по­ крытия, метода и качества обработки поверхности следует уделить именно этим элементам и в первую очередь тем уча­ сткам их поверхности, где существует наибольшая плотность тока. Количественно потери в проводниках могут быть оце­ нены, если известна конфигурация колебательной системы н распределение в ней токов СВЧ [2], [4]. В работе [4] приве­ дены результаты экспериментального исследования доброт­ ности коаксиальных резонаторов в зависимости от материала и шероховатости поверхности на длине волны 40 и 10 см. В частности, оказывается, что полирование шероховатых по­ верхностей резонаторов, работающих на волнах длиной 40 и 10 см, у:величивает добротность на 8 -г-10% и приближает ее к расчетным значениям. Естественно, что материал и качество токопроводящих поверхностей резонаторов сантиметрового и миллиметрового диапазона более существенно влияют на ве­ личину добротности.

16

Контактные соединения бывают подвижными, например соединение плунжера настройки с линией контура, и непод­ вижными, которые включают разъемные (пружинные, стяж­ ные) и неразъемные соединения (паяные, сварные, стяжные). Для уменьшения потерь в контактных соединениях при кон­ струировании следует контактные соединения располагать, в местах, где токи СВЧ минимальны (например, в районе узлов тока); переходное сопротивление контактных соедине­ ний делать минимальным, для чего в первую очередь необхо­ димо обеспечить возможно большую протяженность контакт­ ного соединения (в идеале контакт между двумя проводни­ ками должен осуществляться по всей линии раздела двух.

Рис. 7. Варианты конструкции разъемного стяжного контактного соединения корпуса резонатора: а — обес­ печиваются контакт по линии (по окружности), высокое удельное контактное давление и малое переходное со­ противление; б — контакт осуществляется по поверх­ ности в неопределенных точках, удельное контактное давление уменьшено при той же затяжке винтов, пере-

ходное сопротивление увеличено.

токонесущих поверхностей). Для улучшения качества кон­ такта сопрягаемые детали разъемных соединений до нанесе­ ния гальванических покрытий, как правило, притираются.

Контактное давление в разъемных соединениях должно находиться в пределах 40ч-100 кг/см2 [4]. Эта величина осо­ бенно критична для устройств сантиметрового и миллиметро­ вого диапазона волн и обеспечивается выбором материала и конструкции пружинных контактных элементов, величиной стягивающих усилий и т. д. (рис. 7). Для уменьшения по­ терь в паяных соединениях целесообразно ^применение при­ поев с малым электрическим сопротивлением и хортшим за­

: 41

теканием в зазоры, с этой точки зрения предпочтительными являются серебряные припои. Особое влияние на величину и постоянство электрического сопротивления оказывает каче­ ство гальванических покрытий, наносимых на паяные или сварные швы, либо на сопрягаемые детали разъемных соеди­ нений. Для трущихся элементов важно обеспечить малую шероховатость поверхностей, плотность гальванического по­ крытия, а также подобрать пару материалов, имеющую ма­ лый коэффициент трения. Все это уменьшает механическое истирание контактных поверхностей.

Диэлектрические потери растут с увеличением объема диэлектрика, с увеличением напряженности электрического поля и тангенса угла диэлектрических потерь материала. Отсюда ясно, какие меры должны быть приняты конструкто­ ром для уменьшения потерь в диэлектриках.

Потери на излучение в большой степени зависят от рабо­ чей частоты, типа колебательной системы и ее конструкции. Они принципиально свойственны всем открытым системам, а у закрытых систем возникают в результате несовершенной экранировки электромагнитного поля и вызваны наличием контактных соединений, всякого рода отверстий, щелей, свя­ зывающих внутренний объем колебательной системы с внеш­ ним пространством. Способы уменьшения потерь на излуче­ ние для открытых систем состоят, главным образом, в пра­ вильном выборе поперечных геометрических размеров линии по отношению к длине волны и в экранировании колебатель­ ной системы.

Рассматривая потери на излучение реальных закрытых систем, следует учитывать влияние толщины стенки конструк­ ции. Бели нарушение экранировки происходит в электрически «тонкой» стенке закрытой системы (толщина стенки мала по отношению к длине волны А), то для расчета потерь приме­ нима теория излучения через отверстия тонкостенных СВЧ систем, и уменьшение излучения может быть достигнуто раз­ мещением щелей, отверстий в районе минимальных токов колебательной системы, а также правильной ориентацией ще­ лей и некруглых отверстий относительно направления проте­ кания СВЧ токов по внутренним токонесущим поверхностям конструкции. Если экранировка нарушается в результате не­ совершенства конструкции «толстой» стенки (толщина стен­

18