Соединительные устройства
Они предназначены для сочленения отрезков различных типов линий передачи между собой, линий с приборами или отдельных блоков в СВЧаппаратуре и должны обеспечивать: надежный электрический контакт, высокий уровень согласования, высокую электрическую и механическую прочность, низкие вносимые потери.
Для сборки и разборки элементов тракта СВЧ они оснащаются специальными разъемами или соединительными устройствами. Такие разъемы должны обеспечивать надежный электрический контакт между соединяемыми устройствами. Они не должны снижать электрическую прочность тракта и вносить значительные отражения в тракт. Кроме того, разъемы должны обеспечивать необходимый уровень электрогерметичности тракта, т.е. минимальный уровень излучения электромагнитных волн из места соединения линий передачи.
Волноводные тракты состоят, как правило, из множества элементов, соединенных друг с другом. С целью упрощения ремонта и транспортировки волноводные тракты делаются разборными.
Любое нарушение целостности волновода в тракте эквивалентно введению неоднородности. Поэтому даже едва заметный зазор между сочленяемыми отрезками линий передачи, либо небольшое смещение их друг относительно друга вызывают ощутимые отражения в тракте. Излучение через зазор части энергии электромагнитной волны, распространяющейся по линии, приводит к увеличению потерь и паразитным связям между элементами. При передаче по линии большой мощности через сочленение проходят весьма значительные по величине токи. Например, амплитуда продольного тока в стандартном прямоугольном волноводе с воздушным заполнением при как показывает расчет, достигает 3000λ0 [А], т. е. при =0,1 м ток через сопротивление контакта равен 300 А. Сопротивление контакта является хотя и малой, но конечной величиной.
При таком токе в сочленении будет выделяться весьма значительная тепловая энергия, что может привести к ухудшению контактов, выходу из строя герметизирующих прокладок и др.
Волноводные стыки.
В ступенчатых переходах и фильтрах широко используют соосное соединение двух прямоугольных волноводов различного поперечного сечения (рис.
2.20). Упрощенная схема замещения такого соединения представляет собой стык линий передачи с нормированными волновыми сопротивлениями |
и |
|
отношение которых определяется формулой |
(2.1) |
|
где а и b – ширина и высота волновода; λВ – длина волны в волноводе; индексы указывают на принадлежность этих величин первому или второму волноводу.
Более точная схема замещения содержит параллельно включенную емкость С, обусловленную наличием вблизи стыка волн не-распространяющихся типов. Эта емкость может быть определена по графикам, приводимым в справочной литературе. Влияние добавочной емкости на характеристики волноводных трансформаторов может быть скомпенсировано некоторым укорочением отрезков линий.
1
Соединения волноводов.
Различают три основных вида соединения:
-неразъемные,
-разъемные для редкой и частой разборки.
Соединения характеризуются следующими основными электрическими параметрами: |
|
||
– коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН), |
|
|
|
– коэффициентом электрогерметичности, дБ, |
, |
|
|
– коэффициентом вносимых потерь |
|
|
|
(Р0 – мощность в месте соединения; |
– мощность паразитного излучения через соединение; |
– мощность активных потерь из-за несовершенства |
|
конструкции и ошибок монтажа).
Контактное соединение может быть неразъемным и разъемным. Неразъемное соединение волноводов осуществляется с помощью внешних муфт, надеваемых на место соединения с последующей сваркой или пропайкой (рис. 3.16,а). Разъемное контактное соединение выполняется в виде гладких фланцев, припаиваемых к концам волновода (рис. 3.16,б). Направляющие штифты обеспечивают необходимую точность установки волноводов. Фланцы имеют отверстия, через которые с помощью болтов осуществляется стягивание соединения. Для улучшения контакта и обеспечения электрогерметичности между соединяемыми волноводами помещают тонкую контактную прокладку, выполняемую из бериллиевой бронзы. Края этой прокладки, примыкающие к стенкам волновода, рассечены и отогнуты в разные стороны. При необходимости герметизации тракта используют также резиновые прокладки. Контактное разъемное фланцевое соединение обеспечивает <0,1 в рабочей полосе частот волновода.
2
Неразъемные соединения прямоугольных волноводов с волной Н10 при прецизионной сборке обладают КСВН≤1,005, α≤0,05 дБ и N>120 дБ (рис. 2.10).
Разъемные соединения прямоугольных волноводов осуществляются при помощи фланцев двух основных типов: контактных (рис. 2.11) и дроссельных
(рис. 2.12).
Контактные соединения просты по конструкции, широкополосны, требуют высокой точности изготовления, обладают низкой надежностью при многократных переборках тракта. Контактные поверхности фланцев стягиваются между собой болтами. Высокие требования к электрическим параметрам соединений обусловливают жесткие требования к точности выполнения контактных фланцев: перпендикулярности поверхности фланца к оси волновода, плоскостности контактной поверхности, расположению фиксирующих элементов (штифтов). Повышение электрогерметичности достигается использованием тонких контактных прокладок из бериллиевой бронзы БрБ2М, обладающих хорошими пружинящими свойствами, толщиной 0,12...0,25 мм в зависимости от сечения волновода (рис 2.13).
Контактные притертые фланцы требуют тщательной обработки и строгой параллельности соприкасающихся поверхностей и могут обеспечивать высокое качество сочленения, которое, однако, ухудшается при многократных переборках тракта. Для улучшения качества контакта между фланцами на штифтах помещают бронзовую прокладку, имеющую ряд разведенных пружинящих лепестков, прилегающих к внутреннему периметру поперечного сечения соединяемых волноводов (рис. 2.8). Защита соединения от пыли и влаги осуществляется резиновыми уплотнительными кольцами, уложенными в канавках на
3
фланцах.
При контактном сочленении волноводов с прямоугольной или любой другой формой поперечного сечения к концам сочленяемых отрезков припаиваются плоские фланцы, как показано на рис. 17.6.1. Качество электрического контакта в месте сочленения зависит в основном от тщательности механической обработки, параллельности и чистоты контактирующих поверхностей. Чтобы уменьшить тепловые потери и потери на излучение, между фланцами вводят тонкую металлическую контактную прокладку с пружинящими лепестками. Герметизация контактного сочленения достигается введением в специально выполненную канавку резиновой прокладки. Герметизация предохраняет линию от попадания внутрь грязи, влаги, плесени, т. е. от всего того, что приводит к увеличению затухания и снижению допустимой мощности. Герметизация дает также возможность поддерживать повышенное давление газа в линии, что позволяет повысить допустимую мощность.
Коэффициент отражения от хорошо выполненного контактного сочленения обычно не превышает 0,001 при потерях менее 0,01 дб во всей рабочей полосе частот волновода. Поэтому контактные сочленения применяют в особо точной измерительной аппаратуре, в широкополосных системах связи (радиорелейных, кабельных) и других (устройствах. Недостатками контактного сочленения являются относительно высокая стоимость из-за жесткости требований, которые приходится предъявлять к точности изготовления, а также ухудшение качества контакта при многократных сборках и разборках вследствие окисления металла в месте контакта. В коаксиальных линиях конструкция контактного сочленения несколько усложняется тем, что одновременно требуется обеспечить хороший контакт как центрального, так и внешнего проводников коаксиальной линии.
Если требования к качеству согласования, уровню потерь и широкополосности не столь жестки, то целесообразно использовать дроссельные сочленения.
4
Дроссельные соединения (см. рис 2.12) менее чувствительны к перекосам фланцев, зазорам и смещениям; допускают частые переборки; более узкополосны (10...20)λСР; электрогерметичность ≤60 дБ. Конструктивные размеры дроссельных фланцев даны в табл. 2.13. Основными достоинствами дроссельных соединений являются надежность и нечувствительность к небольшим перекосам, загрязнениям, шероховатостям поверхности, неплотностям прилегания. Недостатки – сложность конструкции и зависимость электрических параметров от частоты.
В дроссельном фланце (рис. 2.9) контакт между волноводами осуществляется через последовательный короткозамкнутый шлейф длиной λВ/2, выполненный в форме канавок и углубления внутри фланца. Четвертьволновый участок между точкой короткого замыкания А и точкой контакта В является коаксиальным волноводом с волной типа Н11, а второй четвертьволновый участок между точкой контакта В и точкой включения шлейфа в волновод С является отрезком радиальной линии передачи. Точка контакта попадает в узел распределения поверхностного тока J, и поэтому на сопротивлении контакта r не происходит заметного выделения мощности. Виртуальное короткое замыкание между соединяемыми волноводами в точке С обеспечивается тем, что суммарная длина дроссельных канавок от точки А до точки С составляет λВ/2. Для защиты полости тракта от внешних воздействий применяют уплотнительную прокладку. Дроссельные фланцы не критичны к качеству контакта и небольшим перекосом, не снижают электрической прочности тракта. Их недостатками являются заметная частотная зависимость КСВ и сложность конструкции.
5
Дроссельно-фланцевое соединение обеспечивает надежный контакт между соединяемыми волноводами электрическим путем. Такое соединение показано на рис. 3.17,а и отличается от контактного наличием кольцевой канавки во фланце глубиной d, шириной y и радиальной проточки с размером и шириной z. Канавка представляет собой короткозамкнутый коаксиал, в котором возбуждается волна Н11, а радиальная проточка - участок так называемого радиального волновода. Структура силовых линий электрического поля в волноводе и канавке с волной Н11 показана на рис. 3.17,б. На рис. 3.17,в представлена эквивалентная схема дроссельно-фланцевого соединения. Место механического контакта на этой схеме отмечено стрелкой. Дроссельная канавка вместе с радиальной проточкой представлена на эквивалентной схеме как два последовательно включенных короткозамкнутых шлейфа. Чтобы входное сопротивле-
ние этих шлейфов на рабочей частоте равнялось нулю, необходимо взять их общую длину |
, а механический контакт расположить в нуле тока, т.е. на |
|||
расстоянии |
от короткозамыкающей перемычки. Таким образом, глубину канавки d следует взять равной |
, а размер проточки |
. Диапазон- |
|
ность дроссельного соединения увеличивается, если у>z. Обычно у=(2...5)z. Дроссельно-фланцевые соединения обеспечивают <0,01 в полосе частот 20%.
Дроссельные сочленения выполняются обычно таким образом, чтобы механический контакт между сочленяемыми отрезками имел место там, где продольный ток равен или близок к нулю. Это позволяет существенно снизить требования к точности изготовления фланцев и качеству контакта.
Принцип действия дроссельных сочленений основан на том, что входное сопротивление короткозамкнутого полуволнового отрезка линии равно нулю. Поэтому последовательное включение в разрыв между двумя регулярными линиями полуволнового короткозамкнутого отрезка (рис. 17.6.2) соответствует включению нулевого сопротивления между точками а и б, т. е. идеальному контакту между сочленяемыми отрезками линии передачи.
Чертеж дроссельного сочленения, предназначенного для волноводов прямоугольного сечения, изображен на рис. 17.6.3. Сочленение, как видно из рисунка, состоит из двух различных по конструкции фланцев: левого дроссельного с кольцевой канавкой и правого - обычного контактного. Между частью торцевой поверхности дроссельного и контактного фланцев оставлен зазор, через который в канавку проникает электромагнитная волна. Конфигурация силовых линий электрического поля в дроссельном сочленении изображена на рис. 17.6.3. Сравнивая рисунки 17.6.3 и 14.4.4, замечаем, что канавку можно рассматривать как короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии, в которой возбуждается волна . Если глубину канавки 
выбрать равной четверти длины волны распространяющегося в ней колебания то отрезок линии между сечениями аб и вг оказывается нагруженным на сопротивление, равное сумме двух последовательно включенных сопротивлений: входного сопротивления канавки и сопротивления контакта между точками вг. Входное сопротивление четвертьволновой канавки (бесконечно велико, так как на ее входе ток равен нулю, а напряжение максимально (рис. 17.6.2). Поэтому независимо от сопротивления контакта отрезок линии между сечениями аб и вг нагружен на бесконечно большое сопротивление и работает в режиме холостого хода. Нулевое сопротивление между точками аб достигается выбором высоты зазора , равной четверти длины волны колебания, распространяющегося в зазоре между фланцами. Как показало теоретическое и экспериментальное исследование, фазовая скорость волны в зазоре весьма близка к скорости света. Следователь-
но, глубина канавки и высота зазора должны равняться: |
, где – длина волны, соответствующая средней частоте рабочего диапазона. |
|
У волны |
продольная составляющая плотности тока проводимости достигает максимума в центре широкой стенки и убывает к ее краям (рис. 17.6.3). |
|
В узких стенках волновода ток проводимости вовсе не имеет продольной составляющей. Поэтому достаточно обеспечить, хороший контакт между сочленя-
6
емыми волноводами в середине широкой стенки и в непосредственно прилегающих к середине тючках. В связи с этим высота зазора точно равна четверти длины волны лишь в центре широкой стенки волновода (рис. 17.6.3.).
Очевидным недостатком дроссельного сочленения является зависимость его параметров от частоты, поскольку только на средней частоте рабочего диапазона (глубина канавки и высота зазора в сумме составляют половину длины волны, а сопротивление между точками а и б равно нулю. Практически дроссельное сочленение имеет удовлетворительные параметры в некоторой полосе частот: при тщательном изготовлении коэффициент отражения не превышает 0,025 (Ксв<=1,05) в полосе частот ±15% от центральной частоты рабочего диапазона.
7
Соединительные устройства для коаксиальной ЛП – вилка и розетка.
Обычно для каждого типа кабеля разрабатываются свои разъемы, хотя существуют ГОСТы для них (например, ГОСТ 20265-80). У вилки поверх корпуса надевается накидная гайка, у розетки имеется штепсельное гнездо для вилки со штырем и резьба для накидной гайки.
Жесткие коаксиальные волноводы сочленяются с помощью специальных соединителей (рис. 2.14). Штырь и гнездо обеспечивают точность соединения центральных проводников не хуже 0,1 мм; надежный гальванический контакт создается цангой из фосфористой или бериллиевой бронзы с серебряным покрытием; высокая механическая стабильность обеспечивается накидной гайкой; допустимая передаваемая мощность в непрерывном режиме 100 Вт. При повышенной СВЧ-мощности, больших динамических нагрузках и вибрациях применяют дроссельные соединения, обеспечивающие надежный электрический контакт. Пример простейшего дроссельного соединения, состоящего из двух короткозамкнутых коаксиальных полуволновых линий ABC и DEG, показан на рис. 2.15.
Радиочастотные кабели сочленяются с помощью стандартных радиочастотных соединителей с номинальными значениями волнового сопротивления 50, 75 и 100 Ом. По конструктивному выполнению CP разделяются на кабельные, приборные, переходы, тройники и четверники; по типу соединения внешних проводников - резьбовые (накидная гайка), байонетные (быстросъемный фигурный замок) и врубные (непосредственное сочленение).
Марки ряда радиочастотных кабелей (РК) и соответствующие им стандартные соединители (CP) приведены в табл. 2.14. Условное обозначение соединителя, например СР-50-130П, расшифровывается так:
CP – соединитель радиочастотный;
50 – номинальное волновое сопротивление, Ом; 130 – порядковый номер разработки (1-100 – байонетные соединители; 101-500 – резьбовые; 501-700 – врубные);
П – опорная шайба из полиэтилена (Ф – из фторопласта-4, С – из полистирола).
Величина КСВН стандартных соединителей до частоты 3 ГГц не превышает 1,2...1,3; согласование в сильной степени зависит от способа заделки кабеля в соединитель.
8
Таблица 2.14 Марки стандартных ВЧ соединителей для соответствующих РК кабелей
Выбор типа соединителя определяется требованиями к электрическим параметрам (рабочему диапазону частот, волновому сопротивлению, допустимому рабочему напряжению, стабильности параметров при воздействии механических и климатических факторов). Резьбовые и байонетные соединители рекомендуется использовать до частот 3 ГГц, врубного типа – до 10 ГГц. При размещении в аппаратуре необходимо исключить механические воздействия на кабели е месте их заделки в соединитель и обеспечить свободный доступ к ним.
В высокочастотных соединителях для гибких коаксиальных кабелей контакты обеспечивают с помощью пружинных цанг и штекеров (рис. 2.7, а), удерживаемых в соединении с помощью внешних резьбовых соединений или иных фиксирующих приспособлений. Соотношение диаметров проводников на любом участке внутри коаксиальных соединителей подбирают таким образом, чтобы с учетом параметров диэлектрика обеспечивалось постоянство волнового сопротивления линии. Согласование в разъемах сильно зависит от заделки кабеля, и при аккуратном выполнении КСВ характеризуется среднеквадратическим значением 1,05-1,15.
Высокочастотные соединители для жестких коаксиальных линий на повышенный уровень мощности выполняют без опорных диэлектрических шайб (рис. 2.7, б). Соединение отрезков прямоугольных волноводов осуществляют с помощью фланцев двух типов: контактных и дроссельных.
9
Полосковые соединители
При сборке схемы, состоящей из отдельных полосковых элементов, применяются полосковые соединители, позволяющие сократить время настройки и измерения характеристик узлов на этапе предварительной отработки.
Переход с полоски на полоску в симметричной линии показан на рис. 2.25. Соединение осуществляется за счет прижима печатных плат. Место соединения стягивается (по обе стороны полоски) крепежными винтами, которые также обеспечивают подавление высших типов волн, возникающих в переходе. Следует отметить, что сдвиг полосок на величину 0,5 мм (при W=3 мм) не вызывает заметного увеличения потерь в полосковой линии.
Рис. 2.25 Полосковый соединитель симметричных печатных полосковых линии.
10