Тема 12. Управляющие устройства свч

1. Аттенюаторы

В процессе настройки и измерения параметров различных устройств возникает необходимость в регулировке уровня мощности, передаваемой по тракту, либо в развязывающих устройствах, ослабляющих реакцию нагрузки на генератор. Устройства, выполняющие подобные функции, называют аттенюаторами (ослабителями). Такие устройства, имеющие, как правило, два плеча, характеризуются вносимым затуханием lg (Р_вх/Р_Вых), где Р_вх и Р_Вых - мощности на входе и выходе аттенюатора соответственно. В регулируемых аттенюаторах N_зат может меняться плавно или принимать ряд дискретных значений (плавные или дискретные аттенюаторы). При конструировании реальных аттенюаторов обычно требуют, чтобы затухание N_зат в рабочей полосе частот оставалось постоянным, обеспечивалось требуемое согласование аттенюатора с подводящими линиями передачи, а фазовый сдвиг , получаемый волной при прохождении через аттенюатор, был пропорционален частоте. Поэтому подобные двухплечные устройства могут быть представлены эквивалентным взаимным четырехполюсником, описываемым матрицей || S || при N=2. В идеальном случае это согласованный четырехполюсник, элементы матрицы || S || которого равны S₁₁ =S₂₂ =0, S₁₂= S₂₂ = exp[-N_зат /(20lg е)]ехр(-i)ехр(-N_зат /8,68)ехр(-i).

В волноводных трактах обычно используют два типа аттенюаторов: поглощающие и предельные. В поглощающих часть входной мощности рассеивается внутри аттенюатора, а оставшаяся часть поступает на его выход. На рис.77 схематично показана одна из возможных конструкций поглощающего аттенюатора. Она состоит из отрезка прямоугольного волновода, работающего в одноволновом режиме, в который помещается параллельно линиям электрического поля тонкая диэлектрическая пластина, покрытая слоем поглощающего материала (графит, слой металла, толщина которого меньше глубины проникновения, и т.д.).

Рис.77

Для уменьшения отражений концы пластины заостряют. Под влиянием электрического поля в поглощающем слое возникает ток проводимости, что вызывает увеличение затухания распространяющейся волны. Поскольку амплитуда вектора Е волны Н₁₀ изменяется вдоль широкой стенки, то, перемещая пластину в этом направлении, можно в широких пределах изменять величину вносимого затухания N_зат. Максимальное вносимое затухание получается при расположении пластины в центре широкой стенки, а минимальное вблизи узкой. При фиксированном положении пластины величина N_зат зависит от длины пластины, параметров диэлектрика и свойств поглощающего материала. К недостаткам таких аттенюаторов можно отнести: зависимость N_зат от частоты; изменение фазового сдвига , получаемого волной при распространении со входа на выход, при изменении вносимого затухания, поскольку перемещение пластины в поперечной плоскости вызывает изменение фазовой скорости распространяющейся волны; изменение вносимого затухания со временем из-за старения материалов.

Предельный аттенюатор обязательно содержит отрезок волновода, размеры которого выбраны так, что он является предельным для всех типов волн. В такой отрезок (рис.78) на некотором расстоянии друг от друга вводятся два электрических или магнитных вибратора, один из которых подсоединяется к источнику электромагнитных колебаний, а другой соединяется с нагрузкой. Мощность, поступающая от источника, вызывает токи в первом вибраторе, что приводит к возбуждению разных типов волн в волноводе. Однако в данном случае для каждого возбуждаемого типа вдоль волновода устанавливается стоячая волна с экспоненциальным убыванием амплитуды вдоль волновода Е_ВЬ|Х=Е₀ехр(-), где Е_вых-амплитуда напряженности электрического поля в месте расположения приемного вибратора, а Е₀-в месте расположения возбуждающего вибратора, , а - критическая длина волны возбуждаемого типа, обычно волны Н₁₀. Электромагнитное поле возбужденной волны вызывает ток в приемном вибраторе, вследствие чего часть входной мощности поступает в нагрузку. Поскольку величина тока в приемном вибраторе пропорциональна величине Е_вых, то величина мощности, поступающей в нагрузку, зависит от . Перемещением приемного вибратора вдоль волновода можно менять величину мощности, поступающей в нагрузку, остальная

Рис.78

м

Рис.79

Рис.80

ощность отражается от входа аттенюатора, т.е. регулирование мощности на выходе такого аттенюатора осуществляется за счет изменения уровня отражений от его входа.

В полосковых трактах обычно применяют дискретные ступенчатые аттенюаторы на сосредоточенных резисторах. Каждая ступень аттенюатора, как правило, имеет вид или Т- или П-образного соединения активных сопротивлений, ко входу и выходу которого подключены подводящие полосковые линии с волновым сопротивлением Z_B. На рис.79 и 80 показаны эквивалентные схемы ступени.

для Т-образной схемы

R= Z_B /A, R₂= Z_B/B;

для П-образной схемы

R= Z_B A, R₂= Z_BB,

А=(К+1)/(К-1), В=(К²-1)/(2К), где K² = 10.

Следует отметить, что сосредоточенные резисторы применяют в полосковых конструкциях устройств диапазона СВЧ на частотах вплоть до 12...18 ГГц. Однако на частотах выше 1...2 ГГц используют специальные конструкции резисторов, называемые ЧИП-резисторы. Это элементы, специально разработанные для применения в микрополосковых линиях в составе гибридных интегральных схем. Такой резистор представляет собой весьма малую диэлектрическую пластину, на которую нанесены резистивный слой (поглощающая пленка) и контактные площадки (рис.81). Например, один из типичных размеров пластины 1x1x 0,6 мм, при этом размер участка

Рис.81

Рис.82

с резистивным слоем 0,5x1 мм, а контактных площадок 0,25x1 мм. Столь малые размеры и позволяют рассматривать такие элементы в качестве сосредоточенных резисторов на частотах до 12... 18 ГГц. На рис.82 показана микрополосковая конструкция Т-звена с использованием ЧИП-резисторов. Иногда ступень выполняется в виде отдельного ЧИП, при этом Т- или П-образная схема размещается на подложке малых размеров, где имеется три вывода (контактные площадки) для установки на полосковую плату. Используя набор отдельных ступеней с разными вносимыми затуханиями, можно построить дискретный аттенюатор, обеспечивающий ряд фиксированных значений вносимого затухания, отличающихся на постоянную величину N_зат, называемую дискретом затухания. Управление такими аттенюаторами обычно осуществляется с помощью электрически управляемых переключателей на р-i-n диодах .