книги из ГПНТБ / Андреев Д.П. Механически перестраиваемые приборы СВЧ и разделительные фильтры

расстроенные резонаторы представляют небольшое индуктивное сопротивление, включенное в линию последовательно. Для улуч­ шения согласования на основной частоте эта реактивность ком­ пенсируется уменьшением высоты волновода в области резонато­ ров. Размеры выступов 7 подбираются экспериментально.

Данные экспериментального исследования такого фильтра сле­ дующие: затухание фильтра в области второй гармоники в полосе частот 15% — не менее 50 дБ, в области третьей гармоники — око­ ло 30 дБ; коэффициент бегущей волны фильтра на основных ча­ стотах — около 0,85, в области второй и третьей гармоник — око­ ло 0,3, потери в фильтре на основной частоте — 0,1 дБ.

Волноводный фильтр нижних частот1)

Фильтр предназначен для использования в трактах с невы­ соким уровнем мощности. Фильтр прост по конструкции, имеет ма­ лые потери и высокое согласование в полосе пропускания, обеспе­ чивает затухание на основном типе и высших типах волн в широкой полосе частот (например, от второй до четвертой гармоники основ­ ной частоты).

Волноводный поглощающий фильтр нижних частот (рис. 4.55) состоит из входного 1 и выходного 2 волноводов и коаксиального фильтра нижних частот 3, который связан с йолноводами с помощью коаксиально-волноводных переходов 4. Волноводы с од­ ной стороны разделены на два запредельных волновода 5, запол-

Рис. 4.55. Схема волноводного фильтра нижних частот: а) с диэлектриком; б) без диэлектрика.

*) Название условно, так как согласование в полосе пропускания опреде­ ляется диапазонностыо коаксиально-волноводных переходов.

ценных поглотителем 6. Винты 7 служат для подстройки коакси­ ально-волноводных переходов. Для уменьшения потерь в полосе пропускания коаксиальный фильтр нижних частот может быть выполнен без диэлектрика (рис. 4.566). Для этого центральный проводник фильтра выполняется из натянутой стальной посереб­ ренной, проволоки (устройство для натяжения на рис. 4.55 не по­ казано). Коаксиально-волноводный переход в этом случае выпол­ няется ■ивдуктнівіноро фиугавіімного) типа. Для івшініоідадов широ­ кого сечения (а = 2Ь) коаксиально-волноводный переход согласует­ ся с помощью широкополосного ступенчатого перехода.

Энергия основной частоты поступает во входной волновод, от­ ражается от запредельных волноводов и через коаксиально-волно­ водные переходы и коаксиальный фильтр нижних частот переходит в выходной волновод. Энергия на основной частоте в запредельный волновод с поглотителем іне попадает. Энергия на более высоких частотах (начиная с частоты среза коаксиального фильтра нижних частот и критической частоты запредельного волновода) отра­ жается от коаксиального фильтра нилених частот и частично погло­ щается в запредельных волноводах.

Размеры коаксиального фильтра нижних частот выбираются такими, чтобы в нем не могли распространяться высшие типы волн. Возбуждение коаксиального фильтра волноводными высшими ти­ пами волн (Нго, Н30 и т. д.) будет заведомо слабее, чем возбужде­ ние основным типом волн (Ню). Это обусловлено тем, что для чет­ ных типов волн (Н20 и т. д.) коаксиально-волноводный переход на­ ходится в области нулевого электрического поля, а для нечетных типов волн (Н30 и т. д.) связь будет слабее, чем на основной волне. Возникновение побочных резонансов в полосе заграждения исклю­ чается, так как благодаря наличию поглотителя имеется согласо­ вание на всех типах волн. Таким образом, фильтр обеспечивает большое затухание на высоких частотах как основного, так и выс­ ших типов волн.

Расчет затухания фильтра сводится к расчету затухания коак­ сиального фильтра нижних частот отражающего типа. Расчет вы­ полняется по известной методике [63]. Волновое сопротивление коаксиального фильтра нижних частот определяется из конструк­ тивных соображений и обычно лежит в пределах 50-М00 Ом. Ши­ рина волновода для нагрузки выбирается так, чтобы его критичес­ кая частота была близка к частоте среза коаксиального фильтра.

Макет фильтра сантиметрового диапазона имеет следующие характеристики:

— коэффициент бегущей волны в полосе пропускания около 10% 0,85;

—потери в полосе пропускания — менее 0,2 дБ;

—затухание на частотах от второй до четвертой гармоник ос­ новной частоты — не менее 40 дБ;

— коэффициент бегущей волны в полосе заграждения — око­ ло 0,3.,

202

Г л а в а

5

Элементы сеч тракта

5.1. ПЕРЕМЕННЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ

Общие сведения

Рассматриваемые аттенюаторы предназначаются для ре­ гулировки мощности в свч трактах малой и большой мощности. Основными требованиями, предъявляемыми к этим аттенюаторам, является обеспечение малого начального затухания, высокого со­ гласования и небольших габаритов. Аттенюаторы на малую мощ­ ность выполняются, как правило, в виде поглотителя, вводимого

влинию. Аттенюаторы на большую мощность, в связи с трудно­ стями отвода тепла от поглотителей, более рационально выполнять

ввиде переменных ответвителей іс полной связью или на мостовых схемах с переменными реактивностями. Мощность в этом случае поглощается вынесенной нагрузкой, которую легко охлаждать. Параметры таких аттенюаторов получаются стабильными, так как не зависят от свойств поглотителя (нагрузки). В зависимости от диапазона частот и назначения переменные аттенюаторы выпол­ няются волноводными или коаксиальными.

Волноводный аттенюатор с поглощающей пластиной

Наиболее распространенный и удобный тип переменного аттенюатора представляет собой отрезок прямоугольного волно­ вода, внутрь которого через широкую «ли узкую стенку параллель­ но силовым линиям электрического поля вводится поглощающая пластина небольшой толщины.

Когда пластина вводится в волновод на различную глубину че­ рез узкую щель, прорезанную в центре широкой стенки волново­ да, то для уменьшения излучения через щель она экранируется либо с помощью соответствующего поглотителя, располагаемого около краев щели, либо с помощью общего экрана. При введении через узкую стенку волновода пластина закрепляется в двух тонких

диэлектрических или металлических стержнях, разнесенных при­ близительно на нечетное число четвертей длин волн в волноводе. Минимальное затухание 'получается, когда пластина прижата к боковой стенке, максимальное — когда пластина находится от бо­ ковой стенки на расстоянии около 1/3 ширины волновода. Атте­ нюатор с пластиной, вводимой через широкую стенку, предпочти­ тельнее, так как в нем легче обеспечить малые начальные потери.

Эквивалентная схема аттенюатора может быть представлена в виде последовательного соединения сопротивления и индуктив­ ности (поглощающего слоя) с емкостью (между пластиной и стен­ ками волновода). Эти параметры сложным образом зависят от свойств поглотителя, пластины, опоры и их положения в волно­ воде. Начальное затухание аттенюаторов такого типа зависит от максимального и составляет в сантиметровом диапазоне около 0,24-0,5 дБ, при максимальном затухании около 30 дБ. Большие затухания обеспечиваются при применении поглощающих пластин с более низким поверхностным сопротивлением. Однако уменьше­ ние Піоверхіноспн'аго ісоп:р>отиівлш,ия (до порядка 100 Ом іна квад­ ратный сантиметр) может способствовать возникновению резонан­ са между индуктивным и емкостным сопротивлениями. Это про­ явится как искажение частотной характеристики затухания.

Согласование аттенюатора обычно достигается выполнением концов поглощающей пластины в виде плавных скосов (длиной

порядка — ) или в виде согласующих четвертьволновых транс­

форматоров. Это увеличивает габариты аттенюатора и снижает жесткость пластины, что ограничивает точность аттенюатора.

Волноводный малогабаритный аттенюатор

С целью уменьшения габаритов аттенюатора и повышения его точности пластина аттенюатора выполняется прямоугольной без скосов. Для компенсации отражений от пластины с обеих сто­ рон от нее вводятся согласующие стержни из диэлектрика. Раз­ меры и материал согласующих стержней подбираются такими, что­ бы коэффициент отражения от них равнялся коэффициенту отра­ жения от поглощающей пластины. Согласующие стержни распо­ лагаются от поглощающей пластины на расстояниях, при которых отражения от пластины и от стержней компенсируются. Такая конструкция обеспечивает высокое согласование па всем рабочем участке погружения и в рабочей полосе частот. Размеры аттенюа­ тора в этом случае сокращаются приблизительно’в два раза по сравнению с аттенюатором, имеющим пластину со скосами.

На рис. 5.1 представлен общий вид аттенюатора с подстроеч­ ными стержнями. Крепежная планка 3 скользит по направляю­ щим 4 й «перемещается перпендикулярно широкой стенке волно­ вода 10. К планке 3 крепятся поглощающая пластина 9 и подстро­ ечныестбржни 2-из керамики. Пластина и подстроечные стержни

204

погружаются одновременно. Перемещение планки с пластиной и стержнями осуществляется винтом 5, который фиксируется гай­ кой 6. Планка прижимается к регулировочному винту -пружина­ ми 8.

Коэффициент бегущей волны аттенюатора в диапазоне частот около 10% легко получается не менее 0,85. Начальное затухание аттенюатора близко к нулю, максимальное — около 25 дБ.

Волноводный аттенюатор с переменными реактивностями

Аттенюатор предназначается для использования в трактах большой мощности. Аттенюатор работает на принципе отражения части энергии и поглощения оставшейся части в отдельной нагруз­ ке. Аттенюатор (рис. 5.2) состоит из входных волноводов 1, щеле­ вого трехдецибельного моста 2, нагрузки 3 и волновода с подвиж­ ными бесконтактными индуктивными стержнями 5. Высокочастот­ ная энергия, подводимая в плечо А, делится щелевым мостом по­ полам и поступает в волноводы с индуктивными стержнями. При выведенных индуктивных стержнях, энергия проходит волноводы без отражений и поглощается в нагрузке. В плечо Б энергия не поступает в силу направленных свойств моста. Это положение стержней соответствует максимальному затуханию аттенюатора, которое определяется конечной направленностью моста и началь­ ным рассогласованием, вносимым стержнями. При полностью вве­ денных стержнях, когда они располагаются в центре волновода, энергия отражается от них. и, складываясь, в силу свойств моста попадает в плечо Б. Это положение стержней сооответствует мини-

205

206

/ — разветвляющий волновод; 2 — 3-дб. мост; 3 — нагрузка; 4 — корпус; 3 — индуктивный стержень; 6 — диэлектрический стержень; винт; 8 — направляющая; 9 — подшипник; /0 — ручка; // — шкала

мальному затуханию аттенюатора, которое определяется просачи­ ванием мощности через них в нагрузку.

Расчет аттенюатора состоит из расчета трехдецибельного ще­ левого моста и определения диаметра индуктивных стержней. Мост рассчитывается по известной методике І[3].

Диаметр бесконтактных индуктивных стержней определяется из условия получения минимального начального затухания, кото­ рое оценивается следующим образом: при затухании 10, 17 и 20 дБ, вносимом стержнями, соответственно 0,1; 0,02 и 0,01 часть 'мощ­ ности будет просачиваться через стержни в нагрузку. Это будет соответствовать начальному затуханию аттенюатора приблизи­ тельно в 0,5; 0,1 и 0,05 дБ. Как известно, индуктивный стержень в прямоугольном волноводе имеет Т-образную эквивалентную схе­ му с индуктивной проводимостью у в параллельном плече и емкост­ ными сопротивлениями в последовательных плечах. Если прене­ бречь емкостными сопротивлениями, то вносимое индуктивным стержнем затухание

Диаметр стержня определяется затем через проводимость у 135]. Расчет показывает, что при начальном затухании, равном 0,1 дБ, диаметр стержней должен составлять приблизительно 1/4 часть от размера широкой стенки волновода. Это соответствует прово­ димости у, равной 15. Окончательно размеры стержней выбира­ ются с учетом конструктивных соображений. Например, в конструк­ ции на рис. 5.2 они имеют квадратное сечение.

Основной конструкции аттенюатора служит корпус 4, в котором перемещаются индуктивные стержни. Он состоит из двух частей с фрезерованными полостями для перемещения стержней. В кор­ пусе имеется цилиндр, в который помещен ходовой винт 7 с левой

иправой резьбой. Винт вращается в двух подшипниках 9, крепле­ ние которых исключает осевой люфт винта. Бесконтактные индук­ тивные стержни приклеены к диэлектрическим осям 6 из материа­ ла АГ-4, которые, в свою очередь, соединены с направляющими 8. Направляющие имеют внутреннюю резьбу, соответственно правую

илевую. При вращении винта 7 направляющие перемещают индук­ тивные стержни в полости корпуса. Длина индуктивного стержня равна высоте волновода плюс две четвертьволновые длины. Часть стержня, помещенная в полость корпуса, образует четвертьволно­ вую коаксиальную линию, открытую на конце. Следовательно, у верхней широкой стенки волновода будет обеспечено надежное бесконтактное соединение индуктивного стержня со стенкой вол­ новода.

Вописываемой конструкции аттенюатора затухание опреде­ ляется отражением от индуктивных стержней и поэтому мало из­ меняется в диапазоне частот. Аттенюатор имеет следующие пара­ метры:

2 0 7

■— минимальный коэффициент бегущей волны аттенюатора в диапазоне частот около 10% — не ниже 0,85 при любом положении индуктивных стержней;

—минимальное затухание — не более 0,2 дБ;

—максимальное затухание — не менее 20 дБ.

Коаксиальные аттенюаторы

Коаксиальные аттенюаторы используются в основном в де­ циметровом диапазоне волн. Затухание в них создается путем введения в линию поглощающих материалов. Для получения мак­ симального ослабления до 20-f-40 дБ при высоком согласовании длина участка линии с поглотителем должна быть равна двумтрем длинам волн. Для уменьшения линейных габаритов аттенюа­ торов внутренний проводник выполняется в виде объемной или плоской спирали.

В аттенюаторе с объемной спиралью ннзкоомная или высоко­ омная спираль поддерживается с помощью диэлектрической втул­ ки в цилиндрическом экране. Изменение затухания осуществляется введением в спиральную линию диэлектрического стержня с пог­ лощающим покрытием на его поверхности. Так как электромаг­ нитное поле сосредоточено в пространстве между спиралью и экраном, то поглощающий стержень вводится как можно ближе к виткам спирали, где поле имеет еще значительную величину. При использовании в аттенюаторе высокоомной спирали допускаются большие зазоры между поглотителем и спиралью, так как поле здесь сильнее, чем в случае низкоомной спирали.

Аттенюаторы со спиральной линией обеспечивают малое на­ чальное затухание при максимальном затухании до 20-^40 дБ. Они имеют линейную градуировочную характеристику и достаточ­ но высокое согласование (коэффициент бегущей волны равен 0,8 при двойном-тройном перекрытии по частоте). Недостатком атте­ нюаторов является критичность к радиальным люфтам поглощаю­ щего стержня.

Аттенюатор о плоской спиралью изображен схематически на рис. 5.3. Он представляет собой аттенюатор поглощающего типа, выполненный на несимметричной полосковой линии. Несимметрич­ ная полосковая линия состоит из внутреннего проводника 1, экра­ на 4, и твердого диэлектрика 3. Несимметричная полосковая линия удобнее для введения поглотителя в электромагнитное поле полос­ ковой линии.

Принцип действия аттенюатора заключается в следующем: в электромагнитное иоле полосковой линии над внутренним провод­ ником вводится поглотитель, который создает требуемое затуха­ ние. Поглотитель накладывается сверху на полосковую линию. Максимальное затухание получается, когда поглотитель соприка­ сается с внутренним проводником линии, минимальное — когда поглотитель выведен из области действия электромагнитного поля

208

полосковой линии. Начальное затухание аттенюатора определяется потерями в линии. Величина затухания, вносимого аттенюатором, зависит от длины полосковой линии.

Для сокращения длины аттенюатора внутренний проводник полосковой линии выполнен в виде плоской спирали. При сверты­ вании линии в спираль расстояние между витками определяется

Рис. 5.3. Схема коаксиального аттешо.ато,ра лз плоской спирали:

/ — внутренний проводник; 2 — поглотитель; 3 — диэлектрик; 4 — экран полосковой линии (пластина)

из условия отсутствия »взаимодействия электромагнитных полей рядом расположенных витков. Как известно, ширина экрана полос­ ковой линии выбирается таким образом, чтобы напряженность по­ ля на краях линии уменьшалась иа 30 дБ, т. е. практически отсут­ ствовала. Это справедливо, если ширина экрана превышает шири­ ну внутреннего проводника линии не менее, чем в 3 раза. Исходя из этого расстояние между витками спирали выбирается в три ра­ за большим, чем ширина -внутреннего проводника полосковой ли­ нии. -

В качестве поглотителя может использоваться, например, стек­ лотекстолит с поглощающим слоем и др.

Расчет аттенюатора состоит в определении: волнового сопро­ тивления несимметричной полосковой линии и, следовательно, размеров линии; собственных потерь -полосковой линии (или на­ чального затухания аттенюатора).

Волновое сопротивление несимметричной полосковой линии определяется по формуле 139]

1

, Ом,

яЬ [

209

где

е — относительная диэлектрическая 'проницаемость среды, запол­ няющей линию;

b

— --расстояние между проводниками линии;

w — ширина центрального проводника; t — толщина центрального проводника.

Потери в диэлектрике, выраженные в децибелах на метр, опре­ деляются по формуле [39]

ad = (27,3/Ао) ]/7tg б,

где Яо — длина волны, м;

е — относительная диэлектрическая проницаемость среды, запол­ няющей линию;

tg б — тангенс диэлектрических потерь.

Потери в проводниках на метр определяются по следующей формуле [39]:

_ 2|9/ ‘ «'<гг.о ( ‘ + Т + Т I+ 1" —

Ф+тИ ‘+т)]

где R — удельное сопротивление материала проводников, Ом-м;

И 1+тН + 2(1+ W F TF^"

— — расстояние между проводниками несимметричной линии;

2

w — ширина центрального проводника; t — толщина центрального проводника.

Расчет потерь носит ориентировочный характер: расчетное зна­ чение потерь по сравнению с экспериментальным меньше прибли­

зительно в два раза.

Конструкция аттенюатора показана на рис. 5.4. Аттенюатор состоит из корпуса 1 в виде уголка, к одной стороне которого при-

210