Согласование вентилем
Вентиль включается между генератором и нагрузкой таким образом, чтобы энергия падающей волны, распространяющейся от генератора к нагрузке, проходила вентиль в прямом направлении (оно указывается стрелкой на корпусе вентиля) с малыми потерями, а волна, отраженная от нагрузки и распространяющаяся в обратном направлении, поглощалась в вентиле.
Применение вентилей резко улучшает работу генераторов СВЧ колебаний, способствует уменьшению затягивания частоты, улучшению спектра частот, устранению эффекта длинной линии и т.д.
Недостатками такого способа согласования являются уменьшение мощности, отдаваемой в нагрузку и снижение КПД линии передачи, так как мощность отраженной волны полностью поглощается, а не возвращается в нагрузку. Также участок между выходом вентиля и нагрузкой не согласован.
Согласование аттенюатором
Аттенюатор, имеющий ослабление N, ослабляет амплитуду прямой волны в N раз. Амплитуда отраженной волны также ослабляется в N раз.
В результате амплитуда отраженной волны при использовании аттенюатора в N2 раз меньше, чем без него, следовательно, КСВ уменьшается. Недостатками такого способа согласования являются уменьшение мощности, отдаваемой в нагрузку и снижение КПД линии передачи, так как мощность
падающей волны уменьшается при прохождении через аттенюатор, а мощность отраженной волны не возвращается в нагрузку.
7
О ШИРОКОПОЛОСНОМ СОГЛАСОВАНИИ КОМПЛЕКСНЫХ НАГРУЗОК
Впервые задача широкополосного согласования комплексных нагрузок из сосредоточенных элементов была поставлена и решена американским ученым Фано в 1950 г.
Фано показал, что даже при бесконечном числе степеней свободы в реактивном согласующем устройстве невозможно достичь режима чисто бегущей волны в непрерывной конечной полосе частот и что не всякую комплексную нагрузку можно согласовать в заданной полосе частот при указанном допустимом КБВ.
Выводы Фано основаны на анализе схемы передачи мощности от согласованного генератора через синтезируемый реактивный четырехполюсник РЧП1 в комплексную нагрузку, представляемую, в свою очередь, каскадным соединением произвольного, но фиксированного реактивного четырехполюсника РЧП2 и постоянного активного сопротивления 
(рис. 5.19).
Присутствие фиксированного реактивного четырехполюсника в эквивалентном представлении нагрузки как раз и приводит к появлению ограничений на
возможности широкополосного согласования. Если в этом четырехполюснике имеется цепь, не пропускающая колебаний какой-либо частоты 
, то никакое согласующее устройство не сможет обеспечить передачи мощности в нагрузку на этой частоте. Примеры простейших запирающих цепей приведены на рис. 5.20.
Из рисунка видно, что любой реактивный элемент (т.е. накопитель электромагнитной энергии) является запирающей цепью для определенной частоты. Возможности согласования в стороне от запирающих частот, как показал Фано, ограничиваются необходимостью выполнения системы интегральных неравенств вида
i=1, 2, 3, ..., N, (5.22)
где 
– коэффициент отражения на входе согласующего устройства; 
– известные функции частоты, так называемые весовые функции, вид ко-
торых зависит от структуры четырехполюсника РЧП2 в эквивалентном представлении нагрузки; 
– постоянные коэффициенты, определяемые номиналами реактивных элементов в РЧП2 и сопротивлением резистора 
число интегральных неравенств N непосредственно связано с числом независимых реактивных элементов в эквивалентном представлении нагрузки.
При геометрической интерпретации интегральные неравенства вида (5.22) представляют собой ограничения на площади, расположенные под функцией
[с учетом различных весовых функций 
]. При изменении характеристик реактивного согласующего устройства вид функции 
может существенно изменяться, однако ограничиваемые ею площади [с весом 
] не могут превышать значений 
8
Для простейшей комплексной нагрузки в виде последовательной 
-цепи (рис. 5.21, а) ограничения (5.22) сводятся к единственному неравенству
(5.23)
Исходя из этого неравенства можно установить вид оптимальной частотной характеристики 
обеспечивающей максимальную полосу согласования при заданном допустимом КБВ 
-
.
Очевидно, что в пределах полосы согласования от нулевой частоты до граничного значения 
величина 
должна оставаться постоянной и равной 
а за пределами этой полосы функция 
должна быть равна нулю.
Подобные оптимальные характеристики показаны на рис. 5.21,б для двух значений: 
В предположении прямоугольного вида оптимальной частотной характеристики интеграл в (5.23) легко вычисляется и для оценки предельно возможной
полосы согласования получаем формулу
где – минимально допустимый КБВ.
Заменой частотной переменной этот результат легко переносится на случай согласования резонансной нагрузки в виде последовательного колебательного контура с известной собственной добротностью
где 
– резонансная частота.
Предполагая, что частотная характеристика КБВ в окрестности резонансной частоты имеет идеальную прямоугольную форму при ширине полосы согласования 
(рис. 5.22), находим
9
Это соотношение показывает, что максимально возможная полоса согласования 
получается тем меньшей, чем выше добротность нагрузки 
и
допустимое значение КБВ. Например, при 
=10 и 
=0,7 верхний предел полосы согласования составляет около 18,5%. При 
=0,85 он уменьшается примерно до 11%. Формула, разумеется, справедлива и для нагрузки в виде параллельного колебательного контура.
Исследование ограничений на достижимую полосу частот согласования комплексных нагрузок показывает, что при расчете широкополосных согласующих цепей не следует стремиться к идеальному согласованию в одной или нескольких точках заданной полосы частот.
Действительно, наличие частот, в которых 
соответствует неэкономному использованию ограниченных значений интегралов в соотношениях вида (5.22). Чем большее число точек идеального согласования комплексной нагрузки достигнуто в нужной полосе частот, тем более глубоких провалов КБВ следует ожидать между ними.
Напротив, для правильного решения задачи широкополосного согласования комплексной нагрузки следует стремиться равномерно распределять допустимое рассогласование в нужной полосе частот, за пределами этой полосы рассогласование должно быть возможно большим.
Синтез конкретных широкополосных согласующих цепей во многом напоминает задачу синтеза фильтров и обычно производится с использованием чебышевских частотных характеристик. Отличие состоит в том, что часть реактивных элементов в схеме замещения синтезируемой согласующей цепи принадлежит заданной нагрузке и поэтому имеет фиксированные номиналы. Номиналы остальных реактивных элементов согласующей схемы подбирают такими, чтобы они дополнили эквивалентное представление нагрузки до чебышевского фильтра (возможно, с дополнительным рассогласованием, как показано на рис. 5.22).
10
УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СВЧ
E Em cos t
Управляющие устройства СВЧ предназначены для изменения амплитуды, фазы или поляризации волны в тракте СВЧ.
Параметры колебаний в тракте могут изменяться за счет механического перемещения его элементов. Такие управляющие устройства называются механическими.
Параметры колебаний могут изменяться также при изменении свойств среды, заполняющей элементы тракта, под действием электрических сигналов. Такие управляющие устройства называются электрическими. Среда с электрически управляемыми параметрами может быть выполнена в виде полупроводниковых диодов СВЧ, подмагниченных ферритов, ионизированной плазмы, сегнетоэлектриков.
Существуют также электромеханические управляющие устройства, в которых под действием электрических сигналов происходят механические перемещения в элементах тракта, изменяющие параметры колебаний СВЧ. Такие устройства выполняются, например, на основе пьезоэлектрических элементов.
Куправляющим устройствам, изменяющим амплитуду СВЧ-колебаний, относятся
– выключатели,
– коммутаторы,
– ограничители мощности,
– аттенюаторы.
Куправляющим устройствам, изменяющим фазу СВЧ-колебаний, относятся фазовращатели. Устройства, изменяющие плоскость поляризации проходящей волны, называются поляризаторами.
1
ВЫКЛЮЧАТЕЛИ СВЧ НА КОММУТАЦИОННЫХ ДИОДАХ
УГО |
|
|
|
Назначение |
Выключатели СВЧ имеет два режима работы: режим пропускания, в котором мощность СВЧ беспрепятственно проходит от входа к |
|
выходу, и режим запирания, в котором мощность СВЧ не проходит на выход из-за поглощения в выключателе или отражения от него. |
Основные ха- |
Диапазон частот входного сигнала; КСВ на входе; допустимая мощность входного коммутируемого радиосигнала; ослабление в разо- |
рактеристики |
мкнутом состоянии; потери в замкнутом состоянии; длительность переключения; вид соединителей; вид цепи управления; износостой- |
|
кость; напряжение электропитания и стандартные уровни управляющих сигналов; стойкость по отношению к внешним воздействиям |
|
(вибрациям, ударам, вариациям температуры окружающей среды ∆Т). |
|
Основной характеристикой полупроводникового выключателя СВЧ является его качество (К), определяемое как отношение активных |
|
сопротивлений диода в закрытом и открытом состояниях и равное 103-104. |
|
Качество определяет ослабление мощности СВЧ в выключателе в режимах запирания и пропускания. |
Простейший выключатель (рис. 6.10) содержит один коммутационный элемент с парой сопротивлений r, Kr , установленный параллельно или последовательно в линию передачи (рис. а, б), причем сопротивление должно быть подобрано в соответствии с неравенствами r 1, Kr 1.
Ослабление мощности в параллельном выключателе в двух состояниях коммутационного элемента определяется формулами LЗ 1
s21 2 1 1
2r 2 ,
L |
П |
1 |
|
s |
|
2 |
1 1 2K r 2 , |
|
|
||||||
|
|
|
21 |
|
|
|
где LЗ и LП – ослабления выключателя в режиме запирания и пропускания соответственно;
s21 и s21 – элементы матрицы рассеяния выключателя при двух состояниях коммутационного элемента (закрытое и открытое).
Ослабления LЗ и LП не являются независимыми величинами – между ними существует связь
LЗ 1 К (6.1)
LП 1
2
Таким образом, параметр качества коммутационного элемента действительно определяет предельно достижимые характеристики выключателя: лишь одна из величин LЗ или LП при расчете выключателя может быть задана произвольно, а другая величина жестко связана с первой соотношением
(6.1). Значения величин LЗ и LП можно изменять путем подбора величины r . Например, выключатель может управлять максимальной мощностью СВЧ, если в каждом его состоянии одинаковы мощности потерь в коммутационном элементе.
Оптимальный по критерию максимума управляемой мощности выключатель вносит ослабление в режиме запирания LЗ 1 
K 2 и в режиме пропускания LП 1 1
K 2 , что соответствует LЗ =30,3 дБ при К=103 и LП =0,27 дБ.
Механическая реализация такого устройства сводится к простому перекрыванию поперечного сечения линии передачи СВЧ отражающей заслонкой или поглощающей нагрузкой. Такие волноводные выключатели типа заслонки находят применение в радиолокационных станциях для защиты входных цепей приемника от помех, создаваемых соседними близко расположенными станциями. Они имеют скорость переключения 10-5 с.
В настоящее время наиболее часто применяются в диапазоне СВЧ полупроводниковые выключатели. Их основу составляет полупроводниковый СВЧ-диод, который может иметь структуру типа p-n, p-i-n или n-i-p-i-n.
Диоды типа p-n имеют время переключения порядка 10-7-10-8 с.
Варакторные диоды с p-n- переходом, выполняемые из монокристаллов кремния, германия или арсенида галлия, имеют самое высокое быстродействие (10-10 с), однако могут управлять мощностью СВЧ в сотые доли ватта.
Диоды типа p-i-n имеют быстродействие 10-7-10-6 с при импульсной мощности в сотни киловатт. Диод типа n-i-p-i-n представляет собой сдвоенный p-i-n -диод.
Конструктивно диоды СВЧ выполняются бескорпусными, имеющими максимальный размер 1 мм, бескорпусными с металлическим радиатором, в металлокерамическом корпусе, а также в сочетании с резонансной вол-новодной диафрагмой. В волноводах обычно используется параллельное включение диодов (рис. 9.1,а,б).
На рис. 9.1 обозначено: Сб , Lб – элементы высокочастотной блокировки цепи питания диода; и - управляющее напряжение на диоде; L – индуктивность ввода диода; Ri – сопротивление базы диода; Сi – емкость базы диода. Базой диода называют высокоомную область i с электропроводностью
3
собственного типа.
При нулевом или отрицательном напряжении UУПР диод обладает большим сопротивлением (десятки килоОм). Его эквивалентная схема показана на рис. 9.1,е. При этом емкость Сi составляет 0,3-1 пФ.
При UУПР>0 (~1...2 В) база диода насыщается электронами и дырками, ее сопротивление резко уменьшается, значение Ri (рис. 9.1,г) составляет
единицы Ом. При этом ток, потребляемый диодом, I составляет 100 мА. В этом режиме диод способен пропускать токи СВЧ до 100 А.
На рис. 9.2 представлена конструкция простейшего волноводного выключателя в виде резонансной диафрагмы с n-i-p-i-n - диодом. Подведение к диоду UУПР >0 соответствует режиму запирания выключателя, так как малое сопротивление диода шунтирует параллельный колебательный контур резонансной диафрагмы. При непосредственном включении диода в диафрагму ее резонансная частота изменяется из-за емкости диода С,. Эта емкость компенсируется укорочением щели диафрагмы.
Рис. 9.2
4
Коммутаторы СВЧ
УГО |
|
|
|
|
, |
или |
(переключатель диодный) |
Назначение |
Коммутаторы СВЧ предназначены для передачи мощности СВЧ с одного или нескольких входов на один или несколько |
||
|
изменяемых выходов (на эквивалентной схеме отображаются в виде многополюсника). При передаче мощности СВЧ с входа на |
||
|
выходы коммутатора потери должны быть минимальными. |
||
Основные |
Диапазон частот входного сигнала; КСВ на входе; допустимая мощность входного коммутируемого радиосигнала; |
||
характеристики |
конфигурация (число направлений и положений); ослабление в разомкнутом состоянии; потери в замкнутом состоянии; |
||
|
длительность переключения; вид соединителей; вид цепи управления; износостойкость; напряжение электропитания и |
||
|
стандартные уровни управляющих сигналов; стойкость по отношению к внешним воздействиям (вибрациям, ударам, вариациям |
||
|
температуры окружающей среды ∆Т). |
|
|
Механический поворотный коммутатор
На рис. 9.3 показан механический поворотный коммутатор. Коммутация входов в нем достигается простым поворотом ротора на угол, кратный 
2 .
Коммутируются плечи 1-3 или 2-4 или 1-2 и 3-4 или 1-4 и 2-3.
Электрически управляемые многоканальные коммутаторы могут быть построены на основе полупроводниковых выключателей СВЧ и делителей мощности, например, мостов.
Рис. 9.1
1
Коммутатор СВЧ диодный.
На рисунке представлен коммутатор на три выходные линии.
При подаче UCM на коммутационный диод в соответствующем плече, он открывается, и это плечо отключается. Конденсаторы нужны для развязки по постоянному току, чтобы при подаче UCM на один из диодов остальные диоды не открывались.
Расстояние от места разветвления линий до места включения коммутационных диодов равно λ/4.
2