Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Семенов Н.А. Техническая электродинамика учеб. пособие для электротехн. ин-тов связи

.pdf
Скачиваний:
302
Добавлен:
27.10.2023
Размер:
23.29 Mб
Скачать

чиков и рассчитывается на высокие уровни мощности. Выполняя все функции квадратного и щелевого коаксиального моста, он вы­ годно отличается от них простотой конструкции и широкополос- ностью.

К о а к с и а л ь н ы й о т в е т в и т е л ь (рис. 15.22) представляет собой отрезок экранированной линии с двумя внутренними провод­ никами. Коэффициент связи такого ответвителя

На рис. 15.22а показано его использование для измерения сог­ ласования и мощности в коаксиальных трактах; ответвленная мощ­ ность свч поглощается детектором. В этой схеме длина ответви­ теля мала (/<СХ/4). Поэтому ответвляется незначительная доля волны, которая, согласно ф-ле (15.29), пропорциональна частоте:

Коаксиальные ответвители применяются также в телевизион­ ных распределительных сетях. При этом их нагрузкой являются

21

Рис. 15.22

коаксиальные кабели, идущие к телевизионным приемникам. Дли­ на / увеличивается вплоть до Х/4, чем достигается относительная

равномерность частотной

характеристики

ответвителя.

Н а д в у х п р о в о д н

ы х

л и н и я х

ответвителем является

участок параллельной линии той же конструкции. Такие ответви­ тели служат для измерений прямой и отраженной волн в двухпро­

водных фидерах

передающих радиостанций. Характеристические

сопротивления

и Zc рассчитываются по ф-лам (10.34).

На двухпроводных воздушных линиях связи ответвление сиг­ нала в соседние пары проводов является вредным, создающим пе­ реходную помеху между цепями. Коэффициент связи К между це­ пями мал, так как расстояние между ними сравнительно велико, однако длины линий велики. Дл я нейтрализации этой связи цепи скрещивают, т. е. меняют местами провода в каждой двухпровод-; ной линии через определенные промежутки, равные, например, Ятги/16. Тогда ответвленные на соседних участках сигналы оказы­ ваются в противофазе и переходная помеха устраняется.

О т в е т в и т е л ь

Б е т е (рис. 15.23) используется в

волновод­

ных трактах.

Круглое

отверстие

находится посредине

широких

стенок прямоугольных

волноводов

в максимуме поперечных со­

ставляющих

полей

Е и

Н. Поэтому

через отверстие осуществляет-

ся одновременно электрическая и магнитная связь. Если волна по­ ступает в плечо /, то в соответствии с ф-лой (13.22) фазы вторич­ ных волн, создаваемых за счет электрической и магнитной связи

через отверстие, совпадают в направлении

плеча 4 и противополож­

ны для плеча 3. Поэтому

при равен­

 

стве амплитуд этих волн узел ста­

 

новится

идеальным

направленным

 

ответвителем.

 

 

 

 

 

 

 

По ф-ле (13.20) магнитная поля­

 

ризуемость

круглого

отверстия

 

VM=d3/6

преобладает

над

электри­

 

ческой

Vp = d3/12.

Амплитуды

вто­

 

ричных волн зависят от интенсивно-

 

стей полей в волноводе у

отверстия. Рис.

15.23

На оси

волновода

(х = а/2)

Я 2

= 0.

 

Поперечные составляющие полей одинаковы для обоих волноводов и, согласно (9.24),

Е*у = -Ц(арЛ)Ня0;

Я_ = і (р7_) Яо." -

(15.30)

Оси волноводов ответвителя

расположены

под углом

в, что

уменьшает магнитную связь между волноводами

пропорционально

cos 8, так как направления векторов Н х в этом

случае не

совпа­

дают. Подставив ф-лы (15.30) в (13.22), получим следующие со­

отношения для элементов матрицы вида

 

(15.5)

ответвителя Бете

(без учета толщины

стенок):

 

 

 

 

 

 

 

баб U

1=Г7Г — COS 0

Л=

 

і баб

+

COS9 .

 

 

 

 

 

 

 

 

(15.31)

Волна из плеча / ответвляется

преимущественно

в плечо 4. Ус­

ловием идеальной направленности

(Г=Д

 

= 0) является

равенство

 

1

-

_

1

,

 

(15.32)

cos 9 = - І А _ ч 2

 

 

 

 

 

 

2 [ i - ( W / ) 2 l

'

 

 

которое удовлетворяется только на одной частоте. Если /<1,4/кр, это условие неосуществимо. При f=l,4/ K p 9 = 0, а при больших частотах идеальную направленность можно получить, увеличивая угол 9. Обычные конструкции ответвителя Бете имеют направлен­ ность не ниже 20 дБ в 20-процентной полосе частот и переходное ослабление 20 дБ или более (так как отверстие не может быть большим).

15.3. Направленные фильтры

РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ СВЧ ФИЛЬТР

Устройство, ответвляющее в определенном направлении сигнал в заданной полосе частот, называется направленным фильтром. Оно объединяет функции направленного ответвителя и фильтра н ис-

429

пользуется в многоканальных системах (например, в радиорелей­ ных линиях) для разделения общего сигнала по отдельным частот­ ным стволам.

Конструкция направленного фильтра с противонаправленными ответвителями на полосковых линиях показана на рис. 15.24 (изоб-

н

Пв-к\

Н

Пр-к\

- 5 Z Z Н

 

f3

 

 

 

 

I •

Основной тракт

Ржс 15.24

ражены только центральные проводники). Пусть в основной тракт подаются сигналы в трех частотных стволах со средними часто­

тами /і, / 2 и f3.

Этот тракт

через

направленные

ответвители

(обоз­

fr

наченные

перекрещивающимися

стрелками)

связан

с кольцевыми резонаторами,

настроен­

СТ

ными

на

соответствующие

частоты.

Каждый

 

из резонаторов через второй направленный от­

 

ветвитель передает сигнал в свою ветвь, в ко­

 

торую включен приемник на нужную частот­

 

ную полосу.

При

отсутствии

идеальной

нап­

 

равленности какая-то часть сигнала ответвля­

 

ется в обратном направлении и поглощается

 

согласованной нагрузкой Я. Вне полосы про­

 

пускания данного кольцевого резонатора энер­

 

гия передается по основному тракту. Таким

і Ч У

образом,

во

всем

частотном диапазоне источ­

ник сигналов работает на согласованную на­

 

 

грузку. Фильтр с

оптимальной

характеристи­

 

кой состоит

из

нескольких

последовательно

Рис 15.25

включенных

кольцевых

резонаторов

(рис.

 

1 5 . 2 5 ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частотная характеристика фильтра на кольцевых резонаторах, как и ранее рассмотренных, определяется нагруженными доброт­ ностями QH резонаторов. Соотношение (11.49) связывает QH с внеш­ ними добротностями QBX И QBUX, которые рассчитываются по

ф-ле ( 1 4 . 7 7 ) :

 

 

 

 

Q

l^-f,

(VK=\

для ТЕМ=волн)

(15.33)

<ва (вх, вых)

Внешняя добротность Q B H пропорциональна числу длин волн q, укладывающихся на длине кольца /ср = ^Л0 ; Su и Siz — элементы матрицы рассеяния устройства связи, в данном случае направлен-

«30

ного ответвителя. В проходном волноводном фильтре (параграф 14.8) эту роль играла диафрагма. Значение q выбирается обычно

равным 1 или 2 по следующим

соображениям. Собственная часто­

та резонатора

согласно (11.22)

f{04) =qvtJl.

Соседние резонансные

частоты ! / ^ ± "

не должны попадать в полосу

частот общего сигна­

ла (/ь §2, h—)- Это легче обеспечить

при

малых q, так как

#+ 1 ) //<<> = (<7+1)А7.

 

 

 

Направленные фильтры выпускаются также в волноводном ис­ полнении. В этих фильтрах принцип ответвления и конструкция резонаторов должны быть иными, так как непосредственное вопло­ щение схем рис. 15.24—15.25 на волноводах слишком громоздко.

 

РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР УВЧ

 

На телевизионных

станциях

направленные фильтры

служат для

подачи

в антенну

мощности

от передатчиков изображения (ft) н

звука

(>f2) или от двух передатчиков УКВ ЧМ радиовещания, ра­

ботающих в разных каналах

(/і и f 2 ) . Мостовые схемы для сложе­

ния в

одной антенне сигналов с разными частотами

непригодны.

В этом случае они передают половину мощности передатчиков в поглощающую нагрузку.

Направленный фильтр строится на базе трехшлейфного нап­ равленного ответвителя с полной связью (рис. 15.15), у которого все плечи и секции имеют одинаковые характеристические прово­ димости УсЛегко показать, что такой ответвитель 'согласован, представив его в виде последовательного соединения двух несим­

метричных

квадратных

 

 

 

U

мостов

1456

и

5623, в

 

 

/ ч / ч

которых

характеристи-

 

і 1'

//ж>

> 2

ческая

 

проводимость

 

 

 

 

секций

5—6

и

 

плеч 5

 

 

 

 

и 6

равна

YJ2,

 

а

все

 

 

 

 

остальные

 

проводимо­

 

 

 

 

сти равны Ус. Заметим,

 

 

 

 

что равенство Ус всех

 

 

 

 

секций

 

ответвителя

 

 

 

 

удобно

для

конструк­

 

 

 

 

тивного

 

выполнения

 

 

 

 

фильтра, но

не

приво­

 

 

 

 

дит к оптимальной

час­

 

 

 

 

тотной

характеристике.

 

 

 

 

В

узловые

точки 5

 

 

 

 

и 6

рассматриваемого

 

 

 

 

фильтра

включены

па­

 

 

 

 

раллельно

 

коаксиаль­

Рис.

15.26

 

 

ные

резонаторы

(рис.

 

 

 

 

 

 

15.26).

Целесообразно

 

 

 

 

Ш

использовать резонатор, разомкнутый на концах. Такой резонатор имеет более высокую добротность, чем короткозамкнутый, так как в нем отсутствуют потери в замыкающем поршне. Отрезки запре­ дельных волноводов устраняют излучение из концов резонаторов.

Длина каждого

резонатора равна тґкг, а нагруженная

доброт­

ность должна

обеспечивать

неискаженное воспроизведение

спектра

передатчика

^ 2 ; д л я

этого

передатчика направленный фильтр яв­

ляется ответвителем с полной связью и мощность целиком пере­ дается из плеча 2 в плечо 4. Расстояние от точек присоединения 5

или 6 до одного

из концов резонатора

выбирается равной li =

= (2m—l)A,i/4, что

создает для частоты

антирезонанс

(весьма

большую шунтирующую проводимость резонаторов в точках 5 я 6).

Тогда участки моста /—5 и 4—6

имеют на

входах 1 а 4 весьма

большое сопротивление. Сигнал частоты /і

по кратчайшему пути

направляется из плеча

У в плечо 4 к антенне. Таким

образом, здесь

используются частоты

резонанса

{RBX^>Z0)

и

антирезонанса

(Яи'С'^о) коаксиального резонатора для разделения двух близких частотных полос передатчика. Кратчайший путь /—4 выбирается для сигнала изображения, так как ответвитель не может быть хо­ рошо сбалансирован во всей полосе видеосигнала.

В полосе частот каждого передатчика входные сепротивления резонаторов конечны и не обеспечивают полной фильтрации сиг­ нала. Поэтому небольшая часть мощности из плеча 2 в полосе ча­ стот fa±A$2 отражается от точек 5 и 6 и попадает в плечо 3— к балластному сопротивлению. Какая-то часть волны из плеча / в спектре / І І ± Д І / І проходит через точки А и В и попадает также в плечо 3, т. е. отражений к передатчикам нет. Следовательно, пе­ редатчики взаимно развязаны и нагружены на согласованное со­ противление во всей полосе частот.

Свойства фильтра на частотах в окрестности

fi и / 2 описывают­

ся двумя различными по форме

матрицами:

 

 

 

 

"

0

0

бх

—і

 

-

[Sh

=

0

0

—1

бі

 

 

—1

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

—1

б!

0

0

 

_

 

"

0

0

1

- б 2

-

 

[Sh

= VT

0

0

- а .

1

(15.34)

1

- б 2

0

0

 

 

_ - 6 2

1

0

0

 

 

где | Л , ( / ) | < 1 ; | б 2

( / ) | < 1 .

 

 

 

 

 

 

В узловые точки ответвителя включены разомкнутые на конце шлейфы Ztf, которые служат для компенсации индуктивных проводимостей, возникающих в месте тройниковых соединений коакси­ альных линий.

15.4. Управление свч сигналами

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

К устройствам управления в свч тракте относятся: выключатели, переключатели, коммутаторы, модуляторы, управляемые аттеню­ аторы и фазовращатели, ограничители и стабилизаторы мощности. Их использование весьма многообразно, например, коммутация антенн, передатчиков и приемников, управление антенным лучом, переключения в вычислительных машинах свч диапазона.

По характеру управления управляющие устройства делят на двухпозиционные и многопозиционные, со ступенчатым и плавным изменением. Основными их параметрами являются: ослабление узла А [ф-ла (14.29)] (для двухпозиционных устройств различают ослабление в режиме пропускания Аа и запирания Л 3 ), время пе-^ реключения или регулирования (быстродействие), полоса частот, мощность свч сигнала, согласование с трактом, управляющий фак­ тор, энергия или мощность управления. Во многих, случаях важны малые габариты и масса, низкая шумовая температура. Наиболее употребительны механические, газовые, ферритовые и полупровод­ никовые управляющие устройства. а)

МЕХАНИЧЕСКИЕ

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Механические переключа­ тели имеют наибольшее время переключения (бо­ лее 1 мс), зависящее от инерционности их под­ вижных частей. Примене­ ние этих переключателей наиболее целесообразно в тех случаях, когда тре­ буется эпизодическое пе­ реключение. В них ис­ пользуется электромеха­ нический и ручной привод. Рассмотрим несколько ти­ пичных примеров.

К о а к с и а л ь н ы й пе-

р е к л ю ч а т е л ь н а

зна­

чительные мощности

(рис.

15.27а)

соединяет

внут­

ренний

проводник плеча /

с одним из трех осталь­ ных с помощью трущих-

Подвижные

Неподбижные

контакты

контакты

Рис. 15.27

ся контактов на плоских пружинах из фосфористой бронзы. Авто­ матические замыкатели разомкнутых плеч препятствуют просачи­ ванию в них волн. Дл я увеличения электрической прочности уст­ ройства переключающим элементам придают округленную форму. Интересна конструкция гнезда (рис. 15.276), обеспечивающая кон­ такт у наружной поверхности внутреннего проводника соединяе­ мых коаксиальных линий.

В о л н о в о д н ы е п е р е к л ю ч а т е л и .

На рис. 15.28а пока­

зан переключатель с уголковым

изгибом в плоскости Е; дроссели

создают эквивалентное короткое

замыкание

в зазоре, улучшая сог-

4

Рис. 15.28

ласование тракта и предотвращая утечку мощности в закрытые каналы. Малоинерционными переключающими элементами в дру­ гой конструкции (рис. 15.286) служат резонансные кольца в пле­ чах /і-тройника, которые поворачиваются вокруг горизонтальной оси. В вертикальном положении плоскость кольца параллельна линиям электрического поля, и кольцо является идеальным отра­ жателем (см. параграф 13.7); в горизонтальном — она перпенди­ кулярна Е и волна проходит почти беспрепятственно.

ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДНИКИ

 

 

 

Газовые разрядники служат для перекрытия тракта

антенна—при­

емник на время передачи мощного радиолокационного

импульса.

Разрядник представляет собой вакуумную камеру

или колбу, за­

полненную

одним из тяжелых инертных газов

 

при

давлении

~24-20 мм

рт. ст., что обеспечивает высокую плотность

электро­

нов в разряде. Конструкция разрядника должна

предусматривать

прохождение через него в погашенном состоянии

широкополосного

сигнала к приемнику и легкость возникновения электрического про­ боя при поступлении в него свч импульса с высокой напряженно­ стью электрического поля. Разряд, возникающий под действием импульса, является затем эффективным отражателем этого ж е импульса.

На рис. 15.29 показан разрядник," представляющий собой по­ лосовой фильтр из четырех сосредоточенных резонаторов с чет­ вертьволновыми связями. Его внешние резонаторы — вакуумплотные окна (см. параграф 13.5), внутренние — сочетание емкостных конусов с фигурными индуктивными диафрагмами. Электрический

разряд

создается

между

кону­

сами и быстро продвигается к

тому окну, к которому подво­

дится

сигнал

большой мощно­

сти.

Затухание

разрядника

в

этом

режиме

составляет

А3

=

= 80-100 дБ. Деионизация ка­

меры

после разряда

занимает

около

1 мкс, что препятствует

приему

отраженных

импульсов

с близких расстояний.

 

 

Разряд возникает с запаз­

дыванием примерно

на

5 не,

поэтому

часть мощного им­

пульса проходит через разряд­

ник В

приемник. Ускорению Рис. 15.29

разряда

способствует неболь­

шой уровень начальной ионизации, который поддерживается ра­ диоактивным источником. В некоторых случаях на вспомогатель­ ный электрод подается опережающий на 0,2ч-1 мкс, импульс, соз­ дающий тлеющий разряд. Газовые разрядники непригодны для защиты высокочувствительных приемников вследствие просачива­

ния через них части импульса, больших

вносимых потерь Л п «

л ; 0,5 дБ и высокой шумовой температуры

Г щ ^ З О К .

IПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ФЕРРИТОВЫЕ УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

П о л у п р о в о д н и к о в ы е у с т р о й с т в а успешно применяются в диапазоне от метровых до субмиллиметровых волн. Их достоин­ ствами являются: высокое быстродействие (от 0,1 не), малые га­ бариты и масса, незначительные мощности управления (от 1 пВт до 1 Вт), значительный срок службы (до 200 тыс. часов). Приборы изготавливаются на импульсную мощность до 1-+-10 кВт и среднюю до 10ч-100 Вт; в ближайшее время ожидается увеличение этих величин на порядок.

Для управления используется свойство полупроводниковых структур менять свое комплексное сопротивление при действии

внешнего напряжения

или тока. Например, р-п-диоды

(рис. 15.30а)

имеют

переменную емкость С, которая

создается в области

р-п-пе-

рехода

(ее

толщина

~>0,14-1 мкм) и

регулируется

внешним на­

пряжением

~ 1 ч - Ю В. Последовательное сопротивление г

соответ­

ствует

областям р и

п. В р-і-п-диодах

(рис. 15.306)

регулируется

в широких пределах сопротивление R центральной высокоомной і-области. Оно велико в обесточенном диоде и уменьшается при управляющем токе порядка 10ч-100 мА.

Эквивалентная схема диода (рис. 15.30в) учитывает емкость патрона или держателя Сп и индуктивность вводов L B . Дл я опти­ мизации работы диода необходимо, чтобы эквивалентное сопро­ тивление было активным. У р-я-диодов возможны два рабочих

Рис. 15.30

положения, соответствующих последовательному и параллельному резонансам. При отрицательном напряжении (к р-области прило­ жен «минус») емкость мала: С—С\; в этом случае получают после­

довательный резонанс

на

заданной

частоте; тогда

сопротивление

цепи LBCi равно г. При положительном

напряжении

С = С2~Э>_С\

выполняется условие

параллельного

резонанса и

эквивалентное

сопротивление контура LBCn

равно

R& В

современных

германие­

вых р-и-диодах отношение

Rg/r достигает нескольких

сотен на сан­

тиметровых и более длинных волнах. В устройствах с р-і-п-диода- ми обычно непосредственно изменяют их внутреннее сопротивле­

ние R

(с компенсацией

реактивностей), что

дает

возможность

строить не только переключатели, но и аттенюаторы

(или модуля­

торы)

с плавным

изменением

ослабления. В кремниевых р-г'-ге-дио-

дах

достигнуты

отношения

их

внутренних

сопротивлений

Ri/R2>\03.

 

с активным

шунтом

[см. ф-лы (14.16) и

Анализ отрезка линии

(14.29)] позволяет получить соотношение для ослабления в режи­

мах затухания Аа

и пропускания Ап:

я—1)/(Лп\)=R\/R2.

Та­

ким образом, отношение R1/R2 играет определяющую

роль в рабо­

те схемы. Часто ее называют качеством

коммутационного

диода.

Оси диодов располагают параллельно вектору Е распростра­

няющейся

волны

(рис. 15.31а). Кремниевые p-i-n-диоды часто вы­

полняются

без патрона, что уменьшает

паразитные

реактивности.

Тогда их

впаивают непосредственно

в

различные

конструкции

(низкие волноводы, щели, полосковые и коаксиальные линии).

При 1 < 2 ч - 3 см в миллиметровом

и

субмиллиметровом

диапа­

зонах используются распределенные p-j'-я-структуры, занимающие всю высоту волновода или линии. Ширина структуры может быть малой или близкой к ширине волновода а. На рис. 15.316 из вол­

новода выведены

низкоомные

приконтактные

области структуры.

По существу, эта

конструкция

не отличается

от переменного пог-

лощающего аттенюатора (рис. 13.17), только в данном случае пог­ лощение в материале управляется внешним током. Хорошее сог­

ласование p-t-R-ПЛаСТИНЫ С ВОЛНОВОДОМ В обеСТОЧеННОМ С О С Т О Я Н И И ' достигается при 1=А/2 либо с помощью дополнительных перехо­

дов на ее концах, выполненных из диэлектрика с тем же значе ­

нием е.

Рис. 15.31

В монолитных микросхемах свч используется общий полупро­

водниковый монокристалл, в состав

которого входят /ы'-я-области-

с соответственно ориентированными

осями.

Полупроводниковые элементы дают возможность создавать раз­ нообразные схемы с плавным и ступенчатым изменением затуха­

ния, коммутируемыми фазовращателями и переключателями на»

а).

,

_

s),

1і

Пі і 1

 

11

і 1

 

1

1 Г

У I

 

Ah

ш

 

 

Рис. 15.32

любое число каналов. Включение последовательно нескольких дио­

дов

с интервалом

Л/4 (рис. 15.32а) позволяет увеличить суммар­

ное

затухание А3

и одновременно уменьшить

затухание Ап.

В ко­

аксиальных и полосковых линиях для этой

же цели используют

смешанное параллельно-последовательное

включение

диодов,

(рис. 15.326).

 

 

 

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ