Вращающиеся сочленения
На практике часто возникает задача передачи мощности СВЧ от неподвижного генератора к вращающейся антенне. Эта техническая задача решается с помощью перехода, называемого вращающимся сочленением. Для вращающихся сочленений используют линии передачи, имеющие осевую симметрию поперечного сечения, и выбирают тип волны, у которой силовые линии поля обладают азимутальной симметрией.
Вращающиеся сочленения необходимы в тех случаях, когда энергия электромагнитных волн передается от неподвижного передатчика к антенне, вращающейся в горизонтальной или вертикальной плоскости. Вращающиеся сочленения должны быть, очевидно, выполнены так, чтобы уровень мощности, поступающей в антенну, не зависел от ее углового положения. Для этого во вращающихся сочленениях применяют симметричные относительно оси вращения линии передачи со структурой поля, имеющей осевую симметрию.
Этому требованию удовлетворяют коаксиальные линии с волной ТЕМ, круглые волноводы с волной Е01 или Н01.
Применяют также круглые волноводы с волной Н11, причем для обеспечения круговой симметрии поля в волноводе возбуждают волну Н11 с круговой поляризацией.
На рис. 17.8.1 схематически изображена одна из возможных конструкций вращающегося сочленения. Как видно из рисунка, энергия через волновод- но-коаксиальный переход поступает в коаксиальную линию. Центральный проводник коаксиальной линии поддерживается с помощью двух Г- изоляторов, представляющих собой включенные параллельно основной линии четвертьволновые отрезки коаксиальной линии, замкнутые на конце. Входное сопротивление этих отрезков значительно выше волнового сопротивления коаксиальной линии, поэтому Г-изоляторы слабо влияют на распространение энергии по линии (если вращающееся сочленение работает в узкой полосе частот). Через второй волноводно-коаксиальный переход энергия вводится в прямоугольный волновод на выходе сочленения. Между подвижной частью 1 (рис. 17.8.1) вращающегося сочленения и неподвижной 2 включено дроссельное сочленение, благодаря чему сохраняется хороший электрический контакт между вращающейся и неподвижной частями сочленения даже при наличии небольшого зазора в сечении АА (рис. 17.8.1).
Аналогично строятся вращающиеся сочленения с круглым волноводом.
На рис. 3.27 схематично представлено вращающееся сочленение на основе круглого волновода с волной Е01. Оно представляет собой основной круглый волновод диаметром 2a1, перпендикулярно которому присоединены два прямоугольных волновода, являющихся входами устройства. Основной круглый волновод сверху и снизу заканчивается гасящими объемами. Они представляют собой короткозамкнутые круглые волноводы диаметром 2a2 и длиной l. Внутри основного волновода на расстоянии L друг от друга размещены резонансные металлические кольца диаметром 2rk. Рабочим типом волны во вращающемся сочленении является волна Е01 круглого волновода. Структура силовых линий полей этой волны показана на рис. 3.6,б.
|
Диаметр основного круглого волновода 2a1 выбирают из условия распространения в нем волны Е01: |
Ближайший высший тип волны |
|
круглого волновода Н21 должен находиться в закритическом режиме |
Из этих неравенств определяем интервал возможных значений |
||
: |
. При возбуждении прямоугольным волноводом круглого в нем, кроме волны Е01, возбуждается паразитная волна, Н11 которая явля- |
||
ется основной волной круглого волновода и при выбранном радиусе a1 находится в докритическом режиме, так как |
Наличие вол- |
||
ны Н11 в основном волноводе недопустимо, так как структура поля этой волны не обладает азимутальной симметрией, вследствие чего при работе вращающегося сочленения, могут изменяться условия передачи мощности с одного входа сочленения на другой. В реальных конструкциях вращающихся сочленений для подавления волны Н11 предназначены гасящие объемы или резонансные кольца.
Эквивалентная схема вращающегося сочленения с гасящими объемами показана на рис. 3.28. Длину шлейфов l выбирают таким образом, чтобы для волны Е01 линия от клемм 1 к клеммам 2 была прозрачной, а для волны Н11 имела разрыв в месте подключения шлейфов. Это обеспечивается выполне-
нием равенств , первое из которых обеспечивает нулевое входное сопротивление шлейфов для волны Е01, а второе - бесконечное входное сопротивление для волны Н11 Одновременное выполнение этих равенств достигается выбором радиуса a2 круглого волновода гасящего объема.
Резонансные металлические кольца могут быть использованы для подавления волны Н11 вместо гасящих объемов. Так как кольца тонкие, они не оказывают заметного влияния на распространение волны Е01. Силовые линии магнитного поля этой волны параллельны кольцу и не вызывают появления в нем кольцевого поверхностного тока. Однако структура магнитных силовых линий волны Н11 такова, что в кольце возбуждается поверхностный
кольцевой ток (рис. 3.29). Амплитуда этого тока максимальна при резонансной длине кольца |
В этом случае кольцо интенсивно отражает волну |
|
Н11. Для усиления эффекта гашения этой волны используют два резонансных кольца, размещаемых на расстоянии L друг от друга: |
где |
|
n=1,2. |
|
|
Применение коаксиально-волноводных переходов для возбуждения волны Е01 в круглом волноводе показано на рис. 2.12 на примере вращающегося сочленения. Короткие отрезки коаксиального волновода с Т-волной обеспечивают фильтрацию воли высших типов и исключают возможность возбуждения в круглом волноводе паразитной волны Н11 (эта волна более низкого типа, чем волна Е01). Соединение вращающихся частей круглого волновода осуществляют с помощью коаксиального дросселя длиной λВ/2, аналогичного дросселям коаксиального сочленения.
Вращающиеся сочленения обеспечивают поворот одной части тракта относительно другой без нарушения электрического контакта и качества согласования. При выполнении вращающихся сочленений обычно используют короткие отрезки коаксиального волновода с Т-волной или круглого волновода с осесимметричной волной Е01 В круглом волноводе возможно использование во вращающихся сочленениях также волны типа Н11 с круговой поляризацией поля.
Существуют вращающиеся сочленения с трущимися контактами, которые, однако, ненадежны при непрерывном вращении и высоком уровне мощности.
Вращающиеся сочленения с дроссельными канавками обеспечивают более надежный электрический контакт, однако параметры таких сочленений зависят от частоты.
В коаксиальном вращающемся сочленении (рис. 2.10,а) дроссельные канавки устанавливаются как во внешнем, так и во внутреннем проводниках. Каждый дроссель представляет собой последовательный двухступенчатый короткозамкнутый шлейф длиной λ0/2, где λ0 – рабочая длина волны. Схемы замещения дросселей во внешнем и внутреннем проводниках волновода одинаковы и показаны отдельно на рис. 2.10,б. Внутри дросселя образуется стоячая электромагнитная волна с узлом распределения тока в точке расположения трущихся контактов, отнесенных на расстояние λ0/4 от короткозамкнутых концов шлейфов. Поэтому падение напряжения на сопротивлениях контактов равно нулю, потери мощности СВЧ отсутствуют и электрические характеристики вращающегося сочленения на рабочей частоте не зависят от качества трущихся контактов.
При отклонении частоты от рабочей входные сопротивления дросселей и отличны от нуля и вращающееся сочленение вносит отражения в тракт. При небольших расстройках f относительно рабочей частоты f0 входное сопротивление отдельного дросселя можно вычислить, рассматривая
его как отрезок линии передачи с электрической длиной |
нагруженный на второй короткозамкнутый отрезок линии передачи с вход- |
|||||
ным сопротивлением |
|
Полагая |
, после несложных преобразований получим |
|||
|
|
|
|
• |
|
|
Из выражений для |
и |
следует, что для уменьшения отражений в сочленении надо снижать волновые сопротивления проходных канавок дрос- |
||||
селей |
и |
и увеличивать волновые сопротивления короткозамкнутых канавок дросселей |
и |
|||
Пользуясь схемой замещения сочленения, показанной на рис. 2.10, в, можно вычислить входной КБВ сочленения при идеальном согласовании на его
выходе: |
|
где |
– волновое сопротивление основного тракта; f – частотная расстройка относительно f0. |
Вычитание в квадратных скобках связано с разносом зазоров во внутреннем и внешнем проводниках сочленения на λ0/4 вдоль линии передачи и свидетельствует о взаимной компенсации соответствующих отражений. При реализуемых значениях волновых сопротивлений канавок КБВ сочленения в соответствии с формулой для КБВ превышает 0,9 в полосе частот 50-70 % рабочей частоты.
Электрическая прочность коаксиального дроссельного вращающегося сочленения несколько снижается по сравнению с электрической прочностью тракта, так как максимальная напряженность электрического поля в средней части дроссельной канавки внутреннего проводника повышается по сравнению с напряженностью поля у поверхности центрального проводника тракта.
Анализ дроссельных вращающихся сочленений на основе круглого волновода выполняют аналогичным образом. Однако в этом случае имеют дело только с одним дросселем и поэтому в формуле для КБВ можно положить =0.
Основным элементом вращающегося сочленения коаксиального типа являются дроссельные канавки, обеспечивающие надежный электрический контакт между вращающимися коаксиалами (рис. 3.26). Назначение и принцип работы дроссельных канавок во вращающемся сочленении такие же, как и в дроссельно-фланцевом соединении. Трущиеся контакты располагаются в нулях продольных токов, что достигается выбором глубины дроссельных канавок порядка четверти длины волны. При этом дроссельные канавки располагаются как во внешнем, так и во внутреннем проводниках коаксиала.
ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ ЛИНИЯМИ ПЕРЕДАЧИ
Очень распространенными СВЧ-устройствами являются переходы для соединения линий передачи различного поперечного сечения, а также ЛП разных типов. Известны и другие названия этих устройств: трансформаторы типов поля, возбуждающие устройства, адаптеры. Основное требование к переходникам: хорошее согласование, малые потери, универсальность, быстрое и надежное соединение, малые габариты, низкая стоимость.
Ниже рассматривается лишь несколько наиболее характерных конструкций.
Изгибы и скрутки
Относятся к числу нерегулярностей, снижающих качество согласования и электропрочность трактов СВЧ. В уголковых изгибах любых линий передачи в той или иной мере возбуждаются поля нераспространяющихся волн высших типов, которым соответствует определенный запас электромагнитной энергии.
Изгибы прямоугольных волноводов выполняются по широкой (Е-изгиб) и узкой (Н-изгиб) стенкам и делятся на плавные или радиусные и уголковые с одним поворотом и многоступенчатые. Для уменьшения отражений изгибы делают на участках длиной в несколько λВ.
Плавные изгибы обладают минимальными отражениями при длине L≈0,5n∙λВ (n=1, 3, 5, ...). Высокие значения KCBH достигаются при внутреннем радиусе изгиба R>λВ (рис 3.1). Примеры конструкций даны на рис 3.2.
Уголковые изгибы с одним поворотом имеют наименьшие габариты, но узкополосны; оптимальные размеры одинарных Е- и Н-уголков определяются по графикам рис. 3.3,а,б.
Уголковый изгиб с двойным поворотом под углом 45° более широкополосен. Для Е-уголка длина L≈0,25λВ (рис. 3.3,в). Для Н-уголка оптимальная длина выбирается по графику рис. 3.3,г. Отражения от изгибов в сильной степени зависят от тщательности изготовления и деформации стенок при изгибе. По всей длине изгиба необходимо обеспечить постоянство внутренней полости волновода и высокую чистоту токонесущих поверхностей.
При компоновке тракта СВЧ любой радиотехнической системы возникает необходимость применения изгибов и скруток. Эти элементы нарушают регулярность тракта
и могут быть источником недопустимых отражений. В волноводных трактах используют изгибы (рис. 3.19). Размеры отражателей |
и |
в изгибах, показанных на рис. |
3.19,а,б, выбирают из условия обеспечения минимального значения коэффициента отражения =(0,6...0,7)а, =0,4b. |
|
|
1
В изгибе с двойным изломом (рис. 3.19,в) улучшение согласования достигается за счет уменьшения отражений от каждого из изломов и взаимной компенсации отраженных волн от каждого из них. Для этого расстояние между изломами выбирается примерно равным λВ/4.
Плавный изгиб (рис. 3.19,г) характеризуется своим радиусом r и углом поворота φ. Чем больше радиус изгиба и меньше угол поворота, тем меньше отражения от изгиба. Для улучшения согласования длину изгиба следует выбирать кратной λВ/2.
В жестких коаксиальных трактах используются уголковые и плавные изгибы (рис. 3.21). Для улучшения согласования простого уголкового изгиба уменьшают диаметр центрального проводника δ=0,52r1 (рис. 3.21,а) или делают срез центрального проводника на величину δ=0,28r1. Для улучшения согласования длина плавных изгибов должна быть кратной λВ/2.
Основные типы изгибов жестких коаксиальных ЛП под углом 90° показаны на рис. 3.4. Прямоугольный изгиб (рис. 3.4,а) вносит в ЛП заметное отражение. Неоднородности, обусловленные изгибом, корректируются путем среза центрального проводника на величину δ (рис. 3.4,е) или уменьшением его диаметра до d1 (рис.3.4,г). Для уменьшения отражений используют два уголка по 45° каждый, расположенных на расстоянии 0,25λСР (рис. 3.4,д). В плавных изгибах (рис. 3.4,6) отражения минимальны при R≈0,16λСР.
2
Возможные типы поворотов и изгибов в полосковой ЛП под углом α=90° в плоскости проводника (плоскость Н): со срезанной вершиной КСВН≤1,04, с закругленной вершиной KGBH≤1,08, с плавной вершиной КСВН≤1,2, с прямоугольной вершиной КСВН≤2. При α=30° изгиб не вносит заметных отражений.
На рис. 3.22 показаны варианты выполнения изгибов полосковых линий. Простой уголковый изгиб (рис. 3.22,а) не обеспечивает хорошего согласования. Изгиб полосковой линии на небольшой угол (α≤30°) не вызывает заметных отражений (рис. 3.22,б).
На практике чаще всего используют скругленный (рис. 3.22,в) или подрезанный (рис. 3.22,г) изгибы. Для них КСВ=1,08 и КСВ=1,04 соответственно. Лучшие результаты по согласованию дает плавный изгиб (рис. 3.22,д), для которого КСВ=1,02 . Однако он имеет большие размеры по сравнению с подрезанным уголковым изгибом.
3
Скрученные секции (скрутки) предназначены для поворота плоскости поляризации волны в волноводе. Плавно скрученная секция прямоугольного волновода с волной Н10 показана на рис. 3.5. Длина скрученного участка должна быть не менее 2λВ. При этом КСВН≤1,13. Длины волн в скрученном и прямолинейном волноводах примерно равны, если размеры и форма прямоугольного и скрученного участков в любом поперечном сечении постоянны и одинаковы.
В волноводных трактах используют также скрутки, возможный вариант выполнения которой показан на рис. 3.20. Скрутка предназначена для изменения плоскости поляризации, распространяющейся по волноводу волны на требуемый угол. Для улучшения согласования скрутки ее длину выбирают кратной λВ/2.
4
Переходы между линиями передачи одного типа.
Наиболее часто применяется плавный переход между волноводами различных сечений (рис. 3.6). Он имеет простую конструкцию, высокую электрическую прочность, но значительную длину. Для получения минимальных отражений длина плавного перехода выбирается, L≈0,5n∙λВ (n≥5 – целое положительное число), КСВН≤1,08.
Аналогично выполняются переходы между круглыми волноводами различных сечений. Конструкция такого перехода представляет собой усеченный конус. Пример конструкции коаксиального перехода при изменении размеров и волнового сопротивления линии передачи от 50 до 75 Ом с КСВН≤1,1 показан на рис. 3.8.
5