книги из ГПНТБ / Вальднер, О. А. Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория учеб. пособие

относятся: реактивные штыри и диафрагмы, четвертьволновый трансформатор сопротивлений, шлейфовые трансформаторы, пластинчатые диэлектрические трансформаторы и отрезки неод­ нородных линий передач с плавным и ступенчатым характером изменения волнового сопротивления. Перечисленные трансфор­ маторы полных сопротивлений осуществляют согласование ком­ пенсацией отраженной от нагрузки волны. Обычно использова­ ние трансформаторов не приводит к увеличению потерь в высо­ кочастотных трактах.

Помимо трансформаторов сопротивлений для целей согласо­ вания часто используют аттенюаторы и невзаимные ферритовые устройства. Однако следует иметь в виду, что применение атте­ нюаторов сильно уменьшает коэффициент полезного действия схемы, поэтому предпочтительнее использовать ферриты.

Согласование принято характеризовать зависимостью ком­ плексного коэффициента отражения Г от частоты колебаний /, так называемой полосовой характеристикой. Наряду с полосо­

частот А/, внутри которого КСВ не выходит из заданного зна­ чения.

Вопросы широкополосности ВЧ-трактов в настоящее время особенно актуальны в связи с разработкой и применением генераторов с большим диапазоном механической и электрон­ ной настройки (например, ламп обратной волны, клистронов и т. д.). Чтобы достичь широкополосного согласования, необхо­ димо знать, как изменяются согласуемые и согласующие сопро­ тивления от частоты.

При согласовании всегда желательно согласующий элемент устанавливать возможно ближе к согласуемой неоднородности. В частности, установка трансформатора вблизи нагрузки обес­ печивает режим бегущей волны во всей линии передачи, что увеличивает электрическую прочность и уменьшает потери последней.

В настоящей работе рассмотрены основные типы согласую­ щих устройств — реактивные штыри, одношлейфовые и пластин­ чатые трансформаторы.

Реактивный штырь представляет собой металлический, обычно медный, стержень, помещаемый в волновод прямоуголь­ ного сечения (рис. 58).

112

штыря б меняется соотношение между емкостной и индуктивной составляющими проводимости, т. е. полная схема должна вклю-

Рис. 58. Волновод со штырем.

чать в себя индуктивность L и емкость С (см. рис. 59, б). При малой глубине ö<W 4 преобладает емкостная составляющая В. При б~А.в/4 имеет место резонанс последовательного типа (BL=

может перемещаться втулка с резьбой. Внутрь втулки ввертывается медный цилиндри­

ческий штырь, глубина погружения которого может регу­ лироваться. При изменении положения штыря вдоль щели меняется фаза отраженной волны, а при изменении глуби­ ны его погружения — амплитуда волны. Иными словами, ука­ занными настройками можно в достаточно широких пределах изменять модуль и фазу коэффициента отражения от штыря и тем самым добиться компенсации отраженных волн. Поясним принцип согласования с помощью штыря на круговой диаграм­

ме полных проводимостей.

Пусть нагрузка на конце линии передачи имеет приведенную проводимость Уп=ф \ и изображается точкой А на диаграмме рис. 61.

113

Перемещая штырь вдоль линии, нетрудно найти такое ее

•сечение, где полная проводимость нагрузки выражается соот­ ношением У = \ ± \ В (точки Б на рис. 61). Изменяя теперь глу-

!

Рис. 60. Согласующий трансформатор.

бину погружения или диаметр штыря, можно подобрать значе­ ние его реактивной проводимости Вш, чтобы Вш + В = 0. При этом в найденном сечении полная проводимость будет равна ■единице.

Рис. 61. Согласование нагрузки реактивным штырем по круговой диаграмме сопротивлений.

Следует заметить, что описанная выше конструкция штыре­ вого согласователя пригодна лишь на низком уровне мощно­ сти. Для высокого уровня мощности предпочтительнее оказы­ вается реактивный штырь, установленный вплотную у боковой стенки волновода. Необходимая реактивность штыря в этом

•случае подбирается изменением его диаметра, а фаза — пере­

114

мещением вдоль волновода. После подбора диаметра и поло­ жения штыря его обычно впаивают в волновод.

щателя и волноводного тройника, в свободное плечо которогопомещен закорачивающий подвижной поршень — шлейф. Шлей­ фовый трансформатор можно выполнить как из коаксиальных,, так и из волноводных узлов.

/

Принцип согласования сопротивлений шлейфовым транс­ форматором аналогичен описанному выше. Изменяя фазовый сдвиг в линии передачи между шлейфом и согласуемой на­ грузкой, получаем полную проводимость последней в сечении шлейфа в виде У =\±\В . Перемещая короткозамыкающий пор­ шень шлейфа, подбирают нужное значение компенсирующей, реактивности Вш. Ее значение связано с входной проводимостью длинной линии следующей формулой:

где I — переменная координата поршня.

Пластинчатый диэлектрический трансформатор, конструкция которого приведена на рис. 63, состоит из волновода прямоуголь­ ного сечения 1, где установлены две диэлектрические пластиньг 2 длиной а ~ Х ' /4 (X' — длина волны в волноводе, заполненном

диэлектриком). С помощью стержней, проходящих через про­ дольную щель в широкой стенке волновода, пластины можно перемещать относительно друг друга, меняя размер Ь, и сов­ местно относительно волновода z.

Если шайбы сдвинуть вместе, то участок волновода, запол­ ненный диэлектриком, будет иметь длину X' /2 и, следовательно,

диэлектрик не возмущает линию, и трансформация сопротивле­ ний при этом отсутствует. Если же расстояние между пластина­ ми сделать Яв/4, то такая система будет иметь максимальный КСВ, приблизительно равный квадрату относительной диэлект­

115

рической проницаемости е. Перемещая пластины вдоль волно­ вода, можно при этом получить любую фазу отраженной волны и, значит, скомпенсировать имеющиеся отражения волны в диа­ пазоне, определяемом рМакс-

г

Рис. 63. Схема пластинчатого диэлектрического трансформатора:

1 — волновод; 2 — диэлектрические пластины.

Одношлейфовый и пластинчатый трансформаторы исполь­ зуют обычно на низком уровне мощности, так как наличие шлейфа или диэлектрических пластин уменьшает электрическую прочность этих устройств.

Предварительное задание

1. Рассчитать зависимость КСВ пластинчатого трансформа­ тора от взаимного расположения пластин. Геометрические раз­ меры и тип материала пластин указываются преподавателем.

2. Рассчитать зависимости КСВ от частоты колебаний для согласующего устройства с реактивным штырем. Геометриче­ ские размеры устройства и КСВ нагрузки задаются препода­ вателем.

Описание экспериментальной схемы

Согласуемый объект (нагрузка) и согласующее устройство (трансформатор) присоединены к панорамному измерителю КСВ. В панорамный измеритель включены генератор качаю­ щейся частоты и измерительный блок. Кроме того, в схему можно добавить эталонную согласованную нагрузку (р^1,02) и отрезок волновода с фланцами.

Задание и порядок выполнения работы

1. Включить и прогреть панорамный измеритель КСВ со­ гласно инструкции. Установить заданную преподавателем ча­ стоту колебаний.

116

2.Измерить КСВ объекта (нагрузки), исключив из схемы со­ гласующий трансформатор. Частота задается преподавателем.

3.Включить в схему согласующее устройство с реактивным штырем и согласованную эталонную нагрузку (р^1,02). Установить значение КСВ штыря равным КСВ объекта.

4.Заменить в схеме согласованную нагрузку на объект и произвести согласование последнего. Измерить и зарисовать за­ висимость КСВ в полосе частот, указанной преподавателем.

Найти полосу пропускания по уровню КСВ = 1,5.

5.Включить между объектом и согласующим устройством отрезок волновода. Произвести согласование и измерения по п. 4.

6.Найти зависимость КСВ пластинчатого диэлектрического трансформатора от расстояния между его пластинами.

7.Произвести согласование объекта с помощью одношлей­ фового и пластинчатого диэлектрического трансформаторов, ис­

пользуя методы п. 2—3.

Оформление отчета

1.Зарисовать схему установки и конструкцию согласующих трансформаторов.

2.Привести данные по измеренному значению КСВ согла­ суемого объекта и полосе пропускания.

3.Привести данные измерения и построить графики зависи­

мости КСВ от частоты колебаний для четырех исследуемых случаев согласования.

4.Сравнить данные предварительного расчета с данными экспериментального исследования.

5.Сравнить полосу пропускания согласующих устройств.

Сделать выводы.

Факультативное задание

Рассчитать согласующий ступенчатый переход. Значение КСВ нагрузки и диапазон частот согласования задаются преподавателем.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается процесс согласования линий передач?

2.Какие устройства можно использовать для согласования ВЧ-трактов?

3.Поясните на круговой диаграмме проводимостей принцип согласова­ ния нагрузки с помощью реактивного штыря.

4.Поясните метод согласования реактивным штырем при использовании

панорамного измерителя КСВ.

5. Поясните методику согласования нагрузок одношлейфовым транс­

форматором.

6. Как устроен пластинчатый диэлектрический согласующий транс­ форматор? Опишите принцип согласования нагрузки с его помощью.

7.Что такое полоса пропускания и фазовая характеристика тракта?

8.Почему согласующие элементы целесообразно располагать непосредст­

венно у нагрузки?

9. Укажите факторы, влияющие на точность согласования.

117

Рекомендуемая аппаратура 3-см диапазона

1. Автоматический (панорамный) измеритель КСВ Р2-23А. 2. Погло­ щающая нагрузка Э9-21. 3. Трансформатор полных сопротивлений из комп­ лекта Д5-1. 4. Реактивное нагрузочное сопротивление (подвижной короткозамыкающий поршень) Э9-24. 5. Фазовращатель Э4-3. 6. Согласующий транс­ форматор Э1-11. 7. Поглощающая нагрузка Э9-21 со штырем на входе (КСВ устройства — 1,5). 8. Волноводный тройник (нестандартный).

Р а б о т а 14

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ

Цель работы

Ознакомление с устройством и принципом действия направ­ ленного ответвителя, определение основных параметров этого прибора.

Общие положения

Направленный ответвитель предназначен для ответвления из ВЧ-тракта части мощности падающей или отраженной волны.

цип действия ответвителя основан на интерференции возбуж­ денных во вспомогательной линии волн. Падающая волна ос­ новной линии возбуждает во вспомогательной линии две или не­ сколько волн, которые интерферируют таким образом, что в

волны, распространяющиеся во вспомогательной линии в раз­ ные стороны. Направленный ответвитель характеризуется коэф­ фициентами переходного ослабления и направленнности, а так­ же рабочим диапазоном частот.

Коэффициент переходного ослабления определяется отно­

Коэффициент направленности характеризует качество на­ правленного ответвителя. Он определяется как отношение мощ­ ности Ра, ответвленной в заданном направлении вспомогатель­ ной линии, к мощности Рб, ответвленной в обратном направле­ нии (направления движения соответствующих волн показаны на рис. 64, а и б):

118

Для идеального направленного ответвителя Р^-^-0 и 0->оо. При конструировании направленных ответвителей стремятся обеспечить высокий коэффициент направленности во всей задан­

в плече 3 будет Ра. Отраженная от нагрузки в плече 3 мощность Ра I Гн 12 уже соизмерима с мощностью Рб, ответвленной из ос­ новной линии к индикаторному прибору. Поэтому полную мощ­ ность, поступающую к индикаторному прибору, можно записать следующим образом:

где множитель ехр(іф) учитывает возможную разность фаз .ме­ жду двумя волнами. Экстремальное значение направленности

где D0= 10 lg (РаІРб)-

119