Двухполюсные устройства СВЧ, трансформаторы и переходы
Согласованные нагрузки
|
|
|
Согласованные нагрузки |
Условное |
|
графическое |
|
обозначение |
|
Назначение |
Согласованные нагрузки предназначены для поглощения мощности, передаваемой по линии передачи. |
|
Их применяют в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры, в лабораторных измерениях в виде меры |
|
волнового сопротивления и при измерении параметров СВЧ устройств. |
Основные |
Основной характеристикой согласованной нагрузки является модуль ее коэффициента отражения |Г| (или соответствующие значения |
характеристики КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. |
|
|
Технически возможно создание нагрузок с |Г| <0,01 в относительной полосе частот 20-30 % и более. |
Волноводное |
|
исполнение |
|
В маломощных нагрузках вставки имеют вид тонких диэлектрических пластин, покрытых графитовыми или металлическими пленками (рис. а).
Объемные поглощающие вставки (рис. б-г) с большой мощностью рассеяния выполняют из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или карбида кремния. Для уменьшения отражений поглощающим вставкам придают вид клиньев или пирамид. Если вносимое вставкой ослабление превышает 20-25 дБ, отражения от оконечного короткозамыкателя пренебрежимо малы.
Для улучшения теплоотвода площадь соприкосновения вставки со стенками волновода делают максимальной, а внешнюю поверхность волновода снабжают радиатором.
Коаксиальное
исполнение
Коаксиальная нагрузка с объемным поглощающим элементом в виде конуса показана на рис. а. Хорошее качество согласования в этой конструкции достигается при длине поглощающего элемента l .
Более распространены коаксиальные нагрузки с поглощающими элементами в виде керамических цилиндров, покрытых металлооксидными или углеродистыми проводящими пленками. Толщину пленки выбирают малой по сравнению с глубиной проникновения поля, поэтому поверхностное сопротивление пленки почти не зависит от частоты. Чтобы входные сопротивления коаксиальных нагрузок с цилиндрическими поглощающими элементами были чисто активными и почти не менялись в нужной полосе частот, такие нагрузки снабжают нерегулярными металлическими экранами со специально подобранными профилями и размерами.
На рис. б показана коаксиальная нагрузка с экраном ступенчатой формы. Установлено, что оптимальное качество согласования при
l 
6 получается при выборе уменьшенного диаметра экрана в соответствии с соотношением 138 lg D
d Z B 
5 где ZB - волновое
сопротивление тракта. Длина уступа внешнего проводника должна быть несколько меньше длины пленочного поглотителя. Наиболее широкополосные коаксиальные нагрузки имеют внешний экран воронкообразной формы (рис. в).
Полосковое
исполнение
В полосковых нагрузках широко используются поглощающие ленты толщиной 0,1—0,2 мм, имеющие поверхностное сопротивление порядка 100 Ом/см2, а также ленты из сплавов высокого сопротивления (например, нихрома). Для нихрома затухание на 9 ГГц составляет 20 дБ/м, а для посеребренного проводника 2 дБ/м.
Нагрузка в полосковой линии может быть образована путем подпаивания кусков поглощающей ленты определенной формы к диэлектрической пластине и к центральному проводнику полосковой линии.
Если нагрузка выполняется в виде короткозамкнутой нихромовой линии, то для сокращения габаритов эта линия сворачивается в спираль. Затухание нихромовой короткозамкнутой линии на 1 м составляет 40 дБ. Центральный проводник основной линии в месте подсоединения нагрузки делается со скосами, чтобы устранить отражения от места стыка, при этом длина скосов выбирается равной
l 2 3 d (d — ширина центрального проводника).
Вузкополосной согласованной нагрузке роль короткозамыкателя может выполнять разомкнутый четвертьволновой шлейф.
Внагрузках, рассчитанных на малые мощности, используются поглощающие пластины (например, текстолит с графитовым покрытием), помещаемые в максимум электрического поля параллельно вектору Е. Чаще применяются нагрузки с клиньями из поглощающих масс типа СКБ-90, ПМ и др. В нагрузках, рассчитанных на единицы Вт, используются армированные поглощающие материалы.
Реактивные нагрузки
|
|
|
Реактивные нагрузки |
Условное |
|
графическое |
|
обозначение |
(короткозамыкатель подвижный скользящий) |
|
|
Назначение |
Реактивные нагрузки применяются в качестве мер при измерениях на СВЧ, а также в согласующих и управляющих устройствах. |
|
Реактивные нагрузки должны обладать стабильным нормированным входным сопротивлением. |
Основные |
Идеальная реактивная нагрузка имеет |Γ| = 1 и характеризуется только фазой коэффициента отражения. |
характеристики Реальная реактивная нагрузка имеет |Γ| близкий к единице, и характеризуется коэффициентом стоячей волны (КСВ) kсв, который может |
|
|
достигать значений порядка 100 и более. |
|
На практике реактивная нагрузка реализуется в виде неподвижного (запаянного) или подвижного поршня. |
Волноводное |
|
исполнение |
|
1 – волновод, 2 – поршень, 3 – тяга.
а) - разрезные пружинные контакты А вынесены от закорачивающей стенки В внутрь волновода на расстояние B 
4 . Поэтому контакты
оказываются в сечении волновода с нулевыми значениями продольного тока на стенках и неидеальность контактов не приводит к потерям мощности.
б) - контакты А включены в волновод через два трансформирующих отрезка линии передачи с низкими нормированными волновыми сопротивлениями Z B1 и Z B2 Предполагая, что активное сопротивление контактов в точке А равно rA и применяя дважды формулу
пересчета сопротивления через четвертьволновый трансформатор, находим входное сопротивление в точках В: |
r |
r |
A |
Z |
B1 |
Z |
B2 |
2 . |
|
B |
|
|
|
|
При Z B1 Z B2 удается существенно уменьшить эквивалентное сопротивление контакта rB и увеличить КСВ поршня.
в) - точки контакта помещены в середину свернутого короткозамкнутого полуволнового отрезка линии передачи, состоящего из двух каскадно включенных четвертьволновых отрезков с волновыми сопротивлениями Z B1 и Z B2 К активному сопротивлению контакта rA
добавляется бесконечное реактивное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа с волновым сопротивлением Z B2 и сумма сопротивлений контакта и шлейфа трансформируется четвертьволновым отрезком с волновым сопротивлением Z B1 в практически нулевое сопротивление в точке В (т. е. в точке В создается виртуальное короткое замыкание для токов СВЧ).
Четвертьволновой и полуволновой трансформаторы
|
|
|
|
|
|
Четвертьволновой трансформатор |
|
|
|
Условное графическое |
|
|
|
|
обозначение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Назначение |
Четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением ZTP |
|
|
можно использовать для согласования |
|
R1 R2 |
|||
|
генератора е внутренним активным сопротивлением R1 с произвольной чисто активной нагрузкой R2 |
|||
|
Точное согласование обеспечивается только на расчетной частоте 0 |
2 Ф |
B |
|
Основные характеристики |
Полоса рабочих частот, КСВ на входе |
|
|
|
Волноводное исполнение |
|
|
|
|
а) – волноводы с различным диэлектрическим заполнением (WTP 
W1 W2 );
б) - волноводы с различными размерами узких стенок (bTP |
b1 b2 |
); |
|
|
|
в) - волноводы с различными размерами широких стенок ( B |
aTP |
|
|
). |
|
B1 B2 |
a1 a2 |
||||
Коаксиальное исполнение |
|
|
|
|
|
Wтр < W; |
|
|
|
|
Wтр > W |
Полосковое исполнение |
|
|
|
|
|
В полосковых линиях реализация трансформатора осуществляется изменением ширины полоски (WTP 
W1 W2 ).
|
|
|
|
Полуволновый трансформатор |
|
Условное графическое |
|
|
обозначение |
|
|
|
|
|
Назначение |
Ряд применений полуволнового трансформатора связан с тем, что нормированные напряжения на его входе и выходе равны по |
|
|
модулю и противоположены по фазе: Это «опрокидывание» фазы следует при l , где l - длина трансформатора. |
|
|
Свойство опрокидывания фазы используется в симметрирующем устройстве типа «U-колено», применяемом для строго |
|
|
противофазного питания симметричной нагрузки 2R от коаксиального кабеля. |
|
|
Сопротивление нагрузки коаксиального кабеля в точке А вследствие действия полуволнового трансформатора состоит из двух |
|
|
параллельно включенных сопротивлений R, т. е. оказывается точно равным волновому сопротивлению кабеля Z B R 2 и |
|
|
обеспечивает в нем согласованный режим. |
|
Основные |
Полоса рабочих частот, КСВ на входе |
|
характеристики |
|
|
Исполнение |
Коаксиальное исполнение |
Полосковое исполнение |
|
|
|
Ступенчатые трансформаторы Ступенчатые трансформаторы
Условное
графическое
обозначение
|
|
Назначение |
Ступенчатые трансформаторы применяются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую |
|
реактивную составляющую. |
|
|
|||
Основные |
Ступенчатые трансформаторы представляют собой каскадное включение отрезков линий |
|||
характеристики |
передачи с различными волновыми сопротивлениями, но имеющими одинаковую длину |
|||
|
Наибольшее распространение имеют трансформаторы с частотными характеристиками двух |
|||
|
типов: чебышевская характеристика и максимально плоская характеристика. |
|||
|
Чебышевская характеристика (а) описывается полиномами Чебышева и имеет вид |
|||
|
L 1 h2 T 2 t cos , где h, t - масштабные коэффициенты; |
T |
n |
- полином Чебышева первого |
|
n |
|
|
|
|
рода n-го порядка; п - число ступенек трансформатора. |
|
|
|
|
Типичный график чебышевской характеристики при п=3 представлен на рис. а. На рисунке |
|||
|
обозначено: bП - затухание в полосе пропускания 2 П , bЗ |
- затухание в полосе заграждения |
||
|
2 З . Характерным для чебышевских характеристик является наличие равноамплитудных |
|||
|
осцилляции, количество которых п+1 на единицу превышает число ступенек трансформатора. |
|||
|
Максимально плоская характеристика (б) описывается функцией вида L 1 h2 t cos 2n . |
|||
|
График максимально плоской характеристики показан на рис. б. Основное отличие |
|||
|
трансформаторов с чебышевской и максимально плоской характеристиками состоит в том, что |
|||
|
при одинаковых параметрах перехода (bП , 2 П , 2 З ) bЗ ,) трансформатор с максимально |
|||
|
плоской характеристикой имеет большую длину, но более линейную фазочастотную |
|||
|
характеристику. |
|
|
|
|
Относительно аргумента графики функции рабочего затухания L периодические с периодом |
|||
|
. Практически используется лишь первый период функции, для которого длины ступенек |
|||
|
получаются наименьшими. |
|
|
|
Конструктивное
исполнение
Волноводное |
коаксиальное |
полосковое |
Плавные переходы Плавные переходы
Условное
графическое
обозначение
|
|
Назначение |
Плавные переходы применяются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную |
|
составляющую в заданной полосе частот. |
Основные |
Плавные переходы используются также для согласования активных нагрузок и могут рассматриваться как предельный случай |
характеристики |
ступенчатого перехода при увеличении числа ступенек п до бесконечности и неизменной длине перехода. |
|
Частотные характеристики плавных переходов непериодические. |
|
Наиболее часто употребляются на практике экспоненциальный переход, чебышевский переход и вероятностный переход, являющийся |
|
предельным случаем ступенчатого перехода с максимально плоской характеристикой. |
|
Волновое сопротивление в экспоненциальном переходе изменяется по экспоненциальному закону: W W0 eb z , b 0 . |
Конструктивное |
|
исполнение |
|
Волноводное |
коаксиальное |
полосковое |
Сравнение ступенчатых и плавных переходов показывает, что при одинаковых параметрах длина ступенчатого перехода заметно меньше, чем плавного. Однако при этом полоса пропускания плавного перехода гораздо шире. При повышенных требованиях к электрической точности плавный переход предпочтительнее ступенчатого. Снижение электрической прочности последнего объясняется концентрацией электромагнитного поля в местах стыков отдельных ступенек.
Существует теоретическое ограничение на ширину полосы согласования, которое устанавливается теоремой Фано: 2 f |
|
|
, |
|
|
|
|||
f0 |
|
Q ln |
|
|
|
|
|
||
где 2 f -полоса пропускания, Q - добротность нагрузки, определяемая как отношение реактивной мощности, накапливаемой в нагрузке на средней частоте f0 к мощности тепловых потерь, - коэффициент отражения.
Согласование невозможно также на частотах, соответствующих бесконечно большим реактивным сопротивлениям или проводимостям нагрузки.
Управляющие устройства СВЧ, вентили, фильтры СВЧ
Устройства, управляющие амплитудой колебаний: выключатели, коммутаторы, ограничители мощности, аттенюаторы Выключатели СВЧ
Условное
графическое
обозначение 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.
Простейший выключатель 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 r1, Kr1. Ослабление мощности в параллельном выключателе в двух состояниях коммутационного элемента
определяется формулами L |
З |
1 |
|
s |
|
2 1 1 2r 2 , L |
П |
1 |
|
s |
|
2 1 1 2K r 2 , где L и |
L |
П |
- ослабления выключателя в режиме |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
21 |
|
|
|
|
21 |
|
З |
|
|
запирания и пропускания соответственно; s21 и s21 - элементы матрицы рассеяния выключателя при двух состояниях
коммутационного элемента (закрытое и открытое).
|
|
|
|
а) параллельная схема выключателя, б) последовательная схема |
||
Основные |
Диапазон частот входного сигнала; КСВ на входе; допустимая мощность входного коммутируемого радиосигнала; ослабление в |
|||||
характеристики |
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). |
|||||
|
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. |
|||||
|
Оптимальный по критерию максимума управляемой мощности выключатель вносит ослабление в режиме запирания |
|||||
|
LЗ 1 |
|
2 и в режиме пропускания LП 1 1 |
|
|
2 , что соответствует LЗ =30,3 дБ при К=103 и LП =0,27 дБ. |
|
K |
|
K |
|||
Выключатель СВЧ с n-i-p-i-n диодом в волноводном исполнении
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.
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.
Ток, потребляемый диодом, I составляет 100 мА. В этом режиме диод способен пропускать токи СВЧ до 100 А. 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.