книги / Электрорадиоизмерения

В качестве простейшего трансформатора сопротивле­ ний в коаксиальных линиях и волноводах могут быть использованы втулочные диэлектрические трансформаторы (рис. 12-10, г и д), длина которых равна 1/4 длины волны электромагнитной энергии в диэлектрике, из которого выполнен трансформатор.

Нагрузочные сопротивления в радиоизмерительных схе­ мах СВЧ обычно используются как нагрузки коаксиаль­ ной линии или волновода, потребляющие определенную мощность.

В связи с этим к эквивалентным нагрузкам предъявля­ ются определенные требования, обусловливающие их кон­ струкцию, а именно:

а) реактивная составляющая сопротивления нагрузки должна быть равна нулю, а активная составляющая — волновому сопротивлению коаксиальной линии или вол­ новода;

б) допустимая мощность рассеивания эквивалента нагрузки должна быть равна или больше мощности, посту­ пающей в линию или волновод, нагруженный на данный эквивалент.

Существуют два вида нагрузочных сопротивлений: поверхностные, обладающие сравнительно малой мощ­ ностью рассеивания, и объемные, имеющие большую мощ­ ность рассеивания (до 1000 Вт).

На рис. 12-11, а изображена одна из конструкций нагру­ зочного сопротивления для коаксиальной линии. Погло-

тителем энергии служит графитовый или специальный углеродистый состав, нанесенный на керамическое осно­ вание. Согласование коаксиальной линии с эквивалентом нагрузки осуществляется с помощью конусного перехода, а также применением экрана специальной формы, служа­ щего одновременно для воздушного охлаждения. Подоб­ ные нагрузочные сопротивления применяются в диапазоне волн до 10 см на мощность рассеивания до нескольких десятков ватт. При использовании принудительного охлаж­ дения мощность рассеивания поверхностных нагрузочных сопротивлений коаксиальной линии может быть увеличена до нескольких сотен ватт.

*)

Рис. 12-11. Конструкция нагрузочного со­ противления для коаксиальной линии (а)

и для волновода (б).

Эквивалент нагрузки поверхностного типа для волно­ водов (рис. 12-11, б) представляет собой тонкие поглоща­ ющие пластинки, расположенные параллельно вектору Е электромагнитного поля волновода. Такие волноводные нагрузочные сопротивления используются в сантиметро­ вом диапазоне и имеют мощность рассеивания порядка нескольких ватт.

На рис. 12-12 изображены объемные нагрузочные сопро­ тивления для коаксиальных линий и волноводов. В качестве поглотителя эквивалентов нагрузки объемного типа исполь­

зуются различные диэлектрики с потерями, как, например, смесь песка с углем, кремний с графитом, вода и т. д.

Для охлаждения нагрузочных сопротивлений приме­

скошенные (рис. 12-12, б и д), а также клинообразные (рис. 12-12, г) переходные или же диэлектрические шайбы рис. 12-12, в.

°— п И г---™

''

а.

сг

Рис. 12-12. Объемные нагрузочные сопротивления для коаксиальных линий и волноводов.

Аттенюаторы. Аттенюатором называется устройство, предназначенное для уменьшения мощности электромаг­ нитных колебаний, поступающей от какого-либо источ­ ника.

Затухание, вносимое аттенюатором, определяется по формуле

Существует два основных типа аттенюаторов, исполь­ зуемых для коаксиальных линий и волноводов: поглощаю­

щие и предельные. Первые из них работают на принципе поглощения энергии электромагнитных колебаний матери­ алами с большим коэффициентом поглощения. К таким материалам относятся: резина, полистирол и др.

На рис. 12-13, а — в изображены различные типы атте­ нюаторов с постоянным затуханием коаксиальных линий и волноводов, согласование которых осуществляется при помощи косых, ступенчатых или других каких-либо срезов.

Рис. 12-13. Постоянные аттенюаторы поглощающего типа.

Вместо диэлектрического поглотителя применяется про­ водниковый материал с большими потерями, например нихром, из которого выполняется внутренний провод атте­ нюатора.

Волноводные аттенюаторы с переменным затуханием ножевого и пластинчатого типа приведены на рис. 12-14.

$

Рис. 12-14. Волноводные переменные ослабители но­ жевого (а) и пластинчатого (б) типа.

«Нож» и пластины таких аттенюаторов изготавливаются из диэлектрика, покрытого тонкой металлической пленкой, и помещаются параллельно электрическим силовым линиям электромагнитного поля. Регулировка величины затухания аттенюаторов производится погружением «ножа» в вол­ новод или сближением пластин, вследствие чего увеличи­ вается поглощение энергии диэлектриком аттенюатора,

Аттенюаторы подобного типа дают возможность плавно регулировать изменение затухания в пределах от нуля до 30—50 дБ.

В настоящее время для изготовления аттенюаторов с автоматической регулировкой затухания применяются ферриты, в которых изменение D а осуществляется элек­ трическим способом, основанным на способности ферри­ тов изменять поглощение ими энергии в зависимости от величины магнитного поля. Особенно удобны фиксирован­ ные ферритовые аттенюаторы для развязки нагрузки и генератора, так как они могут давать малое ослабление для прямой волны и большое — для отраженной. Такие устройства называются вентилем.

На рис. 12-15 изображен так называемый предельный аттенюатор с емкостной связью.

Подвижная

часть

Согласующие ииаиды

Рис. 12-15. Предельный аттенюатор с емкостной связью.

Предельный аттенюатор представляет собой отрезок волновода с размерами меньше критических для данного типа и длины волны. В таком волноводе ослабление мощ­ ности по его длине происходит по экспоненциальному закону. Энергия Р2 на выходе аттенюатора уменьшается по тому же закону при увеличении расстояния / между металлическими дисками. Наибольшее распространение получили предельные аттенюаторы с переменным затуха­ нием, в которых используются круглые волноводы. Для согласования коаксиальных и волноводной частей аттеню­ атора применяются согласующие шайбы.

Ответвители служат для отделения определенной части энергии из линии ее передачи, т. е. из волновода или от­ резка коаксиального фидера.

Ответвители могут быть ненаправленными или направ­ ленными.

Ненаправленные ответвители представляют собой вол­ новод или коаксиальную линию, связанную с главной линией передачи с помощью зонда, петли связи или отвер­ стия (рис. 12-16). Переходное ослабление таких ответви­ телей определяется степенью их связи с передающей коак­ сиальной линией или волноводом.

Рис. 12-16. Направленные ответвители в виде зонда (а) и петли связи (б).

Направленные ответвители служат для извлечения части энергии электромагнитного поля, распространяю­ щейся только лишь в одном направлении.

Рис. 12-17. Волноводный двухдырочный направленный ответвитель.

В радиоизмерительных устройствах СВЧ наибольшее распространение получили волноводные дырочные направленные ответвители, работающие на принципе интерферен­ ции радиоволн.

На рис. 12-17 изображен двухдырочный направленный ответвитель, состоящий из двух волноводов, связанных между собой двумя отверстиями с расстоянием между

ними, равным четверти длины волны. Один из волноводов ответвителя включается в исследуемый тракт, а другой подключается к измерительному устройству, причем в зак­ рытом его конце помещается поглощающее сопротивление. Этот ответвитель позволяет отделить определенную мощ­ ность только лишь падающей волны, что обусловлено четвертьволновым расстоянием между отверстиями и объясняется следующим образом.

Оба отверстия возбуждают во вспомогательном вол­ новоде две волны, распространяющиеся в противополож­ ных направлениях, т. е. к измерительному устройству и к поглотителю. Падающие волны (сплошная линия), про­ ходящие через отверстия в направлении измерительного устройства, складываются, так как вследствие равенства пути волны имеют одинаковую фазу. В обратном же направ­ лении (к поглотителю) волны, прошедшие через отверстия, будут изменяться в противофазе ввиду разницы в пути на величину К/2 и взаимно скомпенсируются. То же самое произойдет и с отраженной волной (пунктирная линия): во вспомогательном волноводе она будет распространяться только лишь к эквиваленту нагрузки и им поглощаться, а в направлении измерительного устройства будет отсут­ ствовать из-за противофазности волн того и другого отвер­ стия.

На рис. 12-18 показан однодырочный направленный ответвитель, работающий, как и двухдырочный, на прин­ ципе интерференции электромагнитных полей. Во вспомо­ гательном волноводе у отверстия, расположенного в его стенке, перпендикулярной вектору £, создается электри­ ческое поле, состоящее из поля, проникшего через отвер­ стие ответвителя, и поля, существующего между краями отверстия. Как видно из взаимного расположения сило­ вых линий этих полей, их результирующее поле в одном направлении усиливается, а в другом ослабляется. Практи­ чески можно подобрать такое направление вспомогатель­ ного волновода, чтобы возбуждаемая в нем волна вызыва­ лась волной одного какого-то направления.

Фазовращатели предназначены для изменения фазы электромагнитных колебаний СВЧ, передаваемых по вол­ новоду или коаксиальной линии, и используются при некоторых измерениях, например для измерения фазы. Наиболее простые фазовращатели, используемые в коак­ сиальных линиях и волноводах, изображены на рис. 12-19.

женность электрического поля максимальна, происходит уменьшение и, а соответственно и укорочение длины волны, так как X = v/f, в результате чего [см. формулу (12-7)] увеличивается фазовый сдвиг.

Детекторные и термисторные головки. Детекторные головки применяются главным образом в измерительных линиях и индикаторах поля и представляют собой отрезок коаксиальной линии или волновода, снабженный элемен­ тами согласования и устройством для подключения детек­ тора и измерительного прибора.

Детекторная головка с микроамперметром магнито­ электрической системы является простейшим выпрямитель-

Гибкий кабель

Рис. 12-19. Фазовращатели СВЧ.

а — коаксиальный удлинитель для гибкого фидера; б — тромбон-уд­ линитель для жесткого коаксиального фидера; в — волноводный фазо­ вращатель с гибкой стенкой; г — волноводный фазовращатель с под­

вижной диэлектрической пластиной.

ным прибором, выполненным по однополуперйодной схеме. В таких устройствах обычно используются кремниевые или германиевые кристаллические детекторы.

Принцип использования детекторной головки в про­ стейших измерителях мощности (индикаторах поля) осно­ ван на использовании квадратичного участка вольт-ампер- ной характеристики детектора. При малом уровне мощно­ сти в линии можно предположить, что ток детектора I пропорционален потребляемой им мощности Р СВЧ, т. е. / = КЯ, где К — коэффициент, зависящий от чувствитель­