Проектирование СВЧ-устройств (РТФ 6 семестр Анисимов) / Зачет

Ответвитель Ланге (гребенчатая структура)

В этом ответвителе используется несколько связанных проводников, образующих встречно-штыревую структуру. С помощью металлических перемычек некоторые проводники соединены между собой.

Число полосок n в гребенчатой структуре могут принимать значение 4 <n< 10. При n>10 ширина полоски оказывается очень малой. Длина перемычек, соединяющих полоски гребенчатой структуры для выравнивания их потенциалов, должна быть минимальной; их число равно 2–3.

В конструкции Ланге обеспечивается Ф Ф0 и компенсировать их дисперсию в широкой полосе частот: практически в октавной полосе частот сохраняются постоянство величины К, хорошее согласование и направленность не хуже 24 дБ.

Двухшлейфный НО

Двухшлейфовый ответвитель является аналогом двухдырочного волноводного ответвителя. Шлейфы длиной B 4 выполняют роль отверстий и расположены на расстоянии B 4 друг от друга.

Требуемое переходное ослабление и согласование входов обеспечивается подбором волновых сопротивлений шлейфов и соединяющих их линий. Позволяет получить сильную связь и имеет электрическую прочность, мало отличающуюся от прочности подводящих линий.

Это шлейфный направленный ответвитель, который весьма прост в изготовлении на основе МПЛ или СПЛ.

На рис. показана микрополосковая конструкция ответвителя с двумя соединительными шлейфами, имеющими волновое сопротивление ZВ ШЛ. Длина каждого шлейфа равна Λ0/4, где Λо-длина волны в МПЛ, образующей шлейф, на расчетной частоте f0.

Принцип действия ответвителя похож на принцип действия волноводного двухдырочного ответвителя.

Для ответвления части мощности из основной линии, имеющей входы 1 и 3, в связанную, имеющую входы 2 и 4, используются два четвертьволновых

8

шлейфа, включенные на расстоянии Λ0/4 друг от друга.

При распространении по основной линии волны от входа 1 к выходу 3 часть ее мощности будет проходить на выход 3, часть отражаться обратно в плечо 1, а часть через шлейфы ответвляться в связанную линию.

Каждый шлейф возбуждает в связанной линии по две волны с равными амплитудами и фазами, бегущие в направлении плеч 2 и 4. Поэтому на выходах 2 и 4 появляются по две волны, причем фазы векторов Е этих волн на расчетной частоте f0 на выходе 4 совпадают, а на выходе 2 отличаются на π, ответвленная через шлейфы мощность из основной линии будет поступать на выход 4 и не поступит на выход 2.

Фаза вектора Е волны на выходе плеча 4 отстает на π/2 от фазы вектора Е на выходе плеча 3.

Идеальное согласование входа с выходными плечами, а также деление выходными плечами в требуемом отношении можно обеспечить с помощью соответствующего выбора волновых сопротивлений линий в выходных плечах.

В шлейфном ответвителе используются четыре Т-тройника, поэтому для обеспечения согласования и требуемого коэффициента связи К ответвителя соответствующим образом подбирают величины ZВ ШЛ и ZB1.

На расчетной частоте f0 в шлейфном ответвителе обеспечивается заданная величина К, максимальная направленность и согласование с подводящими линиями, имеющими волновое сопротивление ZB, при ZB1 1 K 2 ZB и ZВ ШЛ 1 K 2 K 2 ZB .

Например, при равном делении входной мощности между выходными плечами 3 и 4 (К=0,707 или К[ДБ]=-3 дБ) ZB1 ZB 2 и ZВ ШЛ ZB .

Приведенные формулы получены в пренебрежении реактивными сопротивлениями в эквивалентной схеме Т-тройников.

Для увеличения переходного затухания С41 в ответвителях на связанных линиях применяется также каскадное включение нескольких ответвителей с более слабой связью.

При конструировании полосковых шлейфных ответвителей с сильной связью (К→1 или К[ДБ] →0дБ) возникают определенные трудности, поскольку при сильной связи величины ZB1 и ZВШЛ оказываются малыми, что приводит к недопустимо большой ширине полосок. Максимальная ширина полоски МПЛ ограничивается тем значением, при котором в линии возникают высшие типы волн в заданном диапазоне частот. Поэтому для обеспечения сильной связи используют или большее число соединительных шлейфов (например, три) в конструкции, или применяют каскадное соединение нескольких двухшлейфных ответвителей, каждый из которых имеет физически реализуемый коэффициент связи.

Четырехшлейфный НО

По сравнению с ответвителями на связанных линиях они имеют большие габариты и более узкую полосу частот, однако получение сильных связей в них не представляет технологических трудностей.

9

Мостовые устройства СВЧ (мосты)

УГО

Представляет собой два прямоугольных волновода, часть общей узкой стенки которых длиной l вырезается. В результате образуется широкий прямоугольный волновод с размерами поперечного сечения A b .

Размер А этого волновода выбирают таким образом, чтобы в нем распространяющимися были волны H10 и H 20 , т.е. A 3 2 .

При возбуждении плеча 1 волной H10 в широком волноводе возбуждаются волны H10 и H 20 .

В области второго входа моста волны H10 и H 20 широкого волновода находятся в противофазе, поэтому плечо 2 является развязанным. Волны H10 и H 20 в широком волноводе имеют разные фазовые скорости.

Поэтому в месте расположения плеч 3 и 4 они приобретают разность фаз H10 H 20 , где H10 kz H10 l , H 20 kz H 20 l . Здесь

Чтобы мощность поделилась поровну между плечами 3 и 4 необходимо так выбрать длину l , чтобы 2 n , n=0, 1, 2, … Таким образом, наименьшая длина моста определяется из условия 2 и l 2 kz H10 kz H 20 .

На острых рёбрах окна связи возникают волны высших типов, вызывающие рассогласование моста. Для его настройки в середине окна связи в верхней стенке волновода ставится емкостной винт.

Чтобы уменьшить возможность возбуждения волны Н30, в месте окна делается небольшое сужение волноводов. Волноводно-щелевой мост – система достаточно широкополосная.

Полоса рабочих частот моста с ёмкостным винтом на уровне 3 ± 0,5 дБ составляет 12…20 %; направленность моста при этом D>20 дБ.

Волноводно-щелевой Е-мост

Представляет собой два прямоугольных волновода, в общей широкой стенке которых прорезано два примыкающих к узким стенкам прямоугольных отверстия. Таким образом, на участке длиной l образуется прямоугольный коаксиал. В области отверстий связи возбуждаются волны Т и H10 .

Длину моста l выбирают из условия обеспечения разности фаз между этими волнами 2 : l 2 k kz H10 , где k 2 .

Матрица рассеяния

Кольцевой мост (гибридное кольцо)

Кольцевой мост представляет собой свернутую в кольцо линию передачи длиной 3 B 2 в которую с интервалом B 4 включены четыре входные линии

передачи.

При возбуждении первого плеча в обе стороны по кольцу распространяются волны, которые в области плеч 2 и 4 оказываются синфазными, а в области плеча 3 – противофазными.

Поэтому мощность делится поровну между плечами 2 и 4, а плечо 3 – развязано.

При этом плечи 2 и 4 возбуждаются в противофазе, так как расстояние между ними по кольцу B 2 .

Согласование входов моста обеспечивается подбором волновых сопротивлений входных линий и линий кольца. Различают Н-мост, образованный Н-тройниками, и Е-мост, образованный Е-тройниками

Для Е-моста необходимо учитывать дополнительный вносимый фазовый сдвиг при прохождении волной сечений кольца, в которые включены плечи: Основными недостатками кольцевых мостов являются:

-узость рабочей полосы частот, так как выбор длины всех отрезков линий в кольце жестко связан с центральной частотой рабочего диапазона;

-весьма значительные габариты.

Двойной Т-мост (двойной тройник)

Двойной Т-мост представляет собой объединение волноводных Е- и Н-тройников.

В месте соединения четырёх волноводов возникают высшие типы волн и для согласования тройника в нём размещают два согласующих устройства: в плече 4 – индуктивный штырь и в плече 3 – емкостной штырь.

При возбуждении плеча 1 мощность делится поровну между плечами 3 и 4, возбуждая их синфазно. Плечо 2 оказывается развязанным, так как вектор электрического поля волны H10 плеча 1 оказывается ориентированным вдоль волновода плеча 2 и в нем возбуждаются волны типа Е, которые находятся в

закритическом режиме.

При возбуждении плеча 2 мощность также делится поровну между плечами 3 и 4, возбуждая их однако в противофазе. Плечо 1 оказывается развязанным, так как вектор электрического поля волны H10 плеча 2 ориентирован параллельно широким стенкам волновода плеча 1 и в нем возбуждаются волны типа

H0n (n=1,2, ...), которые находятся в закритическом режиме.

Отличительной особенностью двойного Т-моста является то, что он складывает мощности синфазных равноамплитудных источников, подключенных к плечам 3 и 4, в плече 1, а противофазных – в плече 2.

Поэтому такие устройства находят применение в антеннах моноимпульсных радиолокационных станций для формирования суммарно-разностных диаграмм направленности.

Направленность двойного тройника составляет D≈20 дБ.

Свернутый двойной Т-мост является разновидностью двойного Т-моста и имеет такую же матрицу рассеяния.

Квадратный мост

Возбуждение плеча 1 волной единичной амплитуды эквивалентно одновременно синфазному и противофазному возбуждению плеч 1 и 4 волнами половинной амплитуды.

В точках Е и F моста, равноудаленных как от входа 1, так и от входа 4, напряжения, создаваемые синфазными волнами, складываются в фазе, а токи вычитаются, что соответствует режиму холостого хода в сечении линий, где расположены точки Е и F.

Анализ моста при синфазном возбуждении сводится к анализу двух одинаковых и не связанных друг с другом сочленений.

Синфазное возбуждение Временная векторная диаграмма полей в плечах моста при синфазном возбуждении показана на рис. а.

Противофазное возбуждение

Векторная диаграмма полей в плечах моста при противофазном возбуждении изображена на рис. б. Суммарная векторная диаграмма изображена на рис. в.

Как видно из рисунка, при возбуждении плеча 1 волной единичной амплитуда энергия делится поровну между плечами 2 и 3, причем поля в плечах 2 и 3 сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90°.

Так как в режиме синфазного и противофазного возбуждения плечо 4 идеально согласовано, то из плеча 1 в плечо 4 энергия не поступает. Основным недостатком описанного квадратного моста является сравнительная узость рабочей полосы частот.

Ширина полосы может быть существенно расширена путем увеличения числа поперечных шлейфов и соответствующего удлинения моста.

Коаксиальное исполнение Кольцевой мост (гибридное кольцо)

Кольцевой мост представляет собой свернутую в кольцо линию передачи длиной 3 B 2 в которую с интервалом B 4 включены четыре входные линии

передачи.

Каждый вход нагружен на два таких же входа, включённых на расстоянии, равном нечётному числу четвертей длин волн, поэтому для согласования входов с кольцевой линией её волновое сопротивление должно быть W = 2W0 , W0 – волновое сопротивление входных линий.

При возбуждении первого плеча в обе стороны по кольцу распространяются волны, которые в области плеч 2 и 4 оказываются синфазными, а в области плеча 3 - противофазными.

Поэтому мощность делится поровну между плечами 2 и 4, а плечо 3 - развязано.

При этом плечи 2 и 4 возбуждаются в противофазе, так как расстояние между ними по кольцу B 2 . Согласование входов моста обеспечивается подбором волновых сопротивлений входных линий и линий кольца.