Переходы между линиями передачи разных типов.
В трактах СВЧ часто возникает необходимость перехода от одного типа линии передачи к другому, например, от коаксиала к прямоугольному или круглому волноводу, от коаксиала к полосковой линии, от прямоугольного волновода к круглому волноводу и т.п. Для этих целей предназначены специальные устройства, называемые переходами. Переходы нарушают регулярность тракта, и поэтому должны быть хорошо согласованы по каждому из входов и не должны снижать электрическую прочность тракта. Наиболее важным в переходе является элемент связи, предназначенный для извлечения энергии из одной линии передачи и возбуждения электромагнитных колебаний в другой. В зависимости от типа соединяемых линий элемент связи может иметь различные конструкторские реализации. В электродинамическом смысле элемент связи представляет собой систему электрических и магнитных сторонних токов, определенным образом размещенных в линии передачи. Эти токи стремятся расположить так, чтобы с максимальной интенсивностью в линии передачи возбуждался требуемый тип волны и не возбуждались волны нежелательных типов. Амплитуда возбуждаемого типа волны будет максимальна, если при расположении элемента связи в линии передачи выполняются следующие условия:
1)сторонний электрический ток на элементе связи протекает параллельно электрическому полю возбуждаемой волны;
2)сторонний магнитный ток на элементе связи протекает параллельно силовым линиям магнитного поля;
3)элемент связи располагается в максимуме соответствующей компоненты поля.
Различают элементы связи электрического и магнитного типов. Например, штырь является электрическим элементом связи, а петля - магнитным. Для возбуждения линий передачи СВЧ могут быть использованы элементы связи в виде отверстий определенной формы или узких щелей.
Волноводно-волноводные переходы.
Для преобразования волны Н10 в прямоугольном волноводе в волну Н11 в круглом волноводе используется переход с плавным изменением размеров и конфигурации поперечного сечения (рис.3.7). Длину плавного перехода выбирают не менее (2...3)λВ с КСВН≤1,2.
Возбуждение волны низшего типа Н11 в круглом волноводе возможно с помощью плавного перехода с постепенной деформацией поперечного сечения от прямоугольного волновода к круглому (рис. 2.13,а). Если длина такого перехода превышает λВ, то отражения в широкой полосе частот оказываются незначительными. В более компактном узкополосном переходе, показанном на рис. 2.13,б, сочленение соосных прямоугольного и круглого волноводов осуществляется через согласующую четвертьволновую вставку с овальной формой поперечного сечения.
1
Возбуждение волны Н11 в круглом волноводе может производиться от прямоугольного волновода через отверстие в боковой стенке. Если широкие стенки прямоугольного волновода ориентированы параллельно оси круглого волновода (рис. 2.14, а), то в круглом волноводе возбуждаются волны Н11, распространяющиеся в обе стороны от ответвления с одинаковыми фазами. При поперечном расположении возбуждающей щели в круглом волноводе (рис. 2.14,б) волны Н11, возбуждающиеся справа и слева от нее, противофазны. Если требуется обеспечить передачу волны Н11 в одном направлении, то один из концов круглого волновода закорачивают, причем для разветвления на рис. 2.14, а расстояние между центром щели и короткозамыкателем должно быть близким λВ/4, а в случае, показанном на рис. 2.14, б – близким λВ/2.
Рассмотрим способы возбуждения осесимметричной волны Е01 в круглом волноводе от прямоугольного волновода с волной Н10 без промежуточных коаксиальноволноводных переходов.
В устройстве, показанном на рис. 2.15, а, прямоугольный волновод соединяется с круглым через поперечное отверстие. Для лучшего возбуждения волны Е01 круглый волновод с одной стороны закорачивается на расстоянии от возбуждающего отверстия. Для подавления паразитной волны низшего типа Н11, которая также возбуждается отверстием, в короткозамкнутом отрезке круглого волновода располагают тонкое металлическое кольцо. Периметр кольца выбирают близким λ0, чтобы волна Н11 возбуждала в нем резонансные колебания с одной вариацией тока по периметру. Это резонансное кольцо действует на волну Н11 подобно короткозамыкателю. Располагая кольцо на расстоянии от центра щели, удается эффективно подавить волну Н11 в круглом волноводе. На волну типа Е01, силовые линии электрического поля которой радиальны и лежат в плоскости кольца, резонансное кольцо практически не влияет.
Другой возбудитель волны Е01 в круглом волноводе с высокой степенью подавления паразитной волны Н11 показан на рис. 2.15, б. Прямоугольный волновод сочленяется с круглым, так же как в предыдущей конструкции, с коротким замыканием одной половины круглого волновода непосредственно у места сочленения. Кроме того, в круглом волноводе помещено резонансное кольцо, закорачивающее его для волны Н11. Волна Н11, просочившаяся через резонансное кольцо, испытывает поглощение, возбуждая через продольные щели в стенках круглого волновода коаксиальный резонатор с колебаниями типа Н011. В пучности электрического поля этого резонатора помещено кольцо из поглотителя, в котором и происходит выделение энергии волны Н11. Волна Е01 не имеет поперечных токов на стенках круглого волновода, и поэтому не возбуждает продольные щели и резонатор с поглотителем.
2
Особенно трудной задачей является конструирование возбудителей волны Н01 в круглом волноводе. Здесь главное требование состоит в обеспечении высокой степени чистоты возбуждения волны Н01 при глубоком подавлении ряда низших и высших волн, способных к распространению в круглом волноводе большого диаметра. На рис. 2.16 показана одна из возможных конструкций перехода от прямоугольного волновода с волной Н01 к круглому волноводу с волной Н01, основанная на принципе плавной деформации формы поперечного сечения волновода и структуры электрического поля. Волноводный Е-тройник и две продольные скрутки на углы 90° в противоположных направлениях образуют систему двух прямоугольных волноводов, соединенных узкими стенками и содержащих поля равной амплитуды с противоположными фазами. Затем эта система плавно преобразуется к двум секторным волноводам с общим ребром. По мере увеличения угла раскрыва секторных волноводов образуется круглый волновод с продольной металлической перегородкой. Обрыв этой перегородки не изменяет структуру электромагнитного поля, и на выходе перехода получается круглый волновод с волной Н01. Для обеспечения требуемой чистоты возбуждения волны Н01 этот переход должен иметь длину l>> λ0.
3
Коаксиально-волноводные переходы.
На рис. 3.23 представлен коаксиально-волноводный переход. Он предназначен для перехода от коаксиальной линии с волной типа Т к прямоугольному волноводу с волной Н10. Обычно штырь, являющийся продолжением внутреннего провода коаксиала, располагают посредине широкой стенки волновода, а расстояние до короткозамыкающей стенки z1 берут равным четверти длины волны в волноводе. Для обеспечения хорошего согласования необходимо также правильно выбрать высоту штыря и его диаметр. Обычно берут . Форма штыря и его диаметр существенно сказываются на полосовых свойствах перехода. Чем толще штырь, тем шире полоса. При работе перехода вблизи штыря образуются все типы волн в прямоугольном волноводе. Кроме основной волны Н10, волны высших типов находятся в закритическом режиме, и их амплитуды экспоненциально убывают при удалении от штыря. Скорость убывания определяется индексами тип, характеризующими каждый тип волны в волноводе. Расстояние z2 от штыря до контактного фланца выбирают из условия уменьшения амплитуды волны высшего типа, ближайшей к основной волне Н10, до требуемой величины. Ближайшей к основной высшей волной в таком переходе является волна Н30 Для уменьшения ее амплитуды в N раз величину z2 следует выбрать из соот-
ношения
4
Возбуждение прямоугольного волновода с волной типа Н10 от коаксиального волновода с Т-волной производится с помощью коаксиально-волноводных переходов (рис. 2.11). Основным элементом таких переходов являются обтекаемые электрическим током штыри, размещаемые в короткозамкнутом с одной стороны волноводе параллельно силовым линиям электрического поля Е.
В эондовом переходе (рис. 2.11, а) согласование входов обеспечивается изменением длины зонда lЗ, а также подбором расстояний l и х, определяющих положение зонда. Для расширения полосы частот согласования желательно увеличивать диаметр зонда d. При тщательном выполнении зондовый переход обеспечивает полосу частот согласования 15-20 % относительно расчетной частоты при КБВ не менее 0,95. Недостатком зондового перехода является снижение электропрочности из-за концентрации силовых линий электрического поля Е на конце зонда.
В определенной мере этот недостаток преодолевается в коаксиально-волноводном переходе с последовательным шлейфом (рис. 2.11,б), однако даже при самом тщательном подборе расстояний l и lШ рабочая полоса частот составляет около 7%.
Лучшие результаты по согласованию и электропрочности имеет переход с поперечным стержнем (рис. 2.11,в), дополненный согласующей индуктивной диафрагмой. В таком переходе достижима относительная полоса частот согласования около 15%.
Максимальные широкополосность (около 20% при КБВ не менее 0,95) и электропрочность достигаются в коаксиальноволноводных переходах так называемого пуговичного типа (рис. 2.11,г), требующих, однако, тщательного подбора формы проводников в сочетании с дополнительной подстройкой согласования с помощью индуктивной диафрагмы.
Наиболее распространены коаксиально-волноводные переходы (рис. 3.10 - 3.11). В них волна типа Т в коаксиальном волноводе трансформируется в волну Н10 в прямоугольном волноводе.
Зондовые переходы (см. рис. 3.10) имеют КСВН≤1,1 в полосе частот ±6% λСР и низкую пропускаемую мощность. Для увеличения полосы зонду придают каплевидную форму. Наибольший диапазон зонда (0,10...0,15)а; высота выступающей части в волноводе 0,25λВ.
5
В клиновидном переходе (рис. 3.11) с помощью клиньев длиною (2...3) λВ прямоугольный волновод переходит в Н-образный, имеющий пониженное волновое сопротивление. Зазор между клиньями в месте соединения коаксиальной линии выбирается таким, чтобы волновые сопротивления волновода и линии были равны.
6
Волноводно-полосковые переходы.
На аналогичном принципе построен один из переходов между волноводом с волной типа и полосковой несимметричной линией о волной типа Т (рис. 3.12). Здесь используется последовательность: прямоугольный волновод, П-образный волновод, полосковая линия.
Устройства для возбуждения полосковой линии передачи от прямоугольного волновода с волной Н10 называются волноводно-полосковыми переходами. Соединение полосковой линии с прямоугольным волноводом может быть выполнено через плавный или ступенчатый переход на П-образном волноводе (рис. 2.18). В такой конструкции перехода обеспечивается широкополосное согласование прямоугольного волновода с полосковой линией передачи и устраняется паразитное излучение из открытого конца волновода.
Конструкция соосного перехода с волновода на несимметричную полосковую линию показана на рис. 2.24. В таком переходе волновод прямоугольного сечения плавно переходит в П-образный волновод, который, в свою очередь, соединяется с несимметричной полосковой линией.
Рис. 2.24. Coocный переход с волновода на несимметричную печатную полосковую линию.
1
Для возбуждения основной волны в прямоугольном волноводе с помощью полосковой линии используется волноводно-полосковый переход. Широкополосный переход между полосковой линией и прямоугольным волноводом может быть реализован применением П-образного волновода. При этом П-образный волновод получается из обычного прямоугольного волновода путем установки продольного металлического клина длиной (2...3)λВ (рис. 3.24).
При переходе с волновода на полосковую линию осуществляется преобразование одного вида колебаний другой: как правило, преобразование волны H10 волновода в волну ТЕМ полосковой линии.
Рис. 2.22. Перпендикулярный волноводно-полосковый переход.
Волноводно-полосковые переходы могут быть соосными и перпендикулярными. На рис. 2.22 показана конструкция перпендикулярного перехода. В волновод через отверстие в его широкой стенке погружены диэлектрические платы с центральной полоской. Согласование перехода осуществляется изменением глубины погружения центральной полоски в волновод (расстояние l1) и перемещением короткозамыкающего поршня (расстояние l2). Непосредственно у самого перехода сделаны выступы, с по-
2
мощью которых на обеих внешних пластинах поддерживается одинаковый потенциал, что позволяет подавить высшие типы волн в полосковой линии.
В тех случаях, когда требуется осуществить стыковку волноводного тракта с двумя полосковыми линиями, может быть использован малогабаритный волноводнополосковый делитель мощности (рис. 2.23).
Рис. 2.23. Волноводно-полосковый делитель мощности.
Делитель состоит из отрезка симметричной полосовой линии 1-2, у которой в верхней и нижней экранирующих платах сделаны соосные волноводные окна 3 и 4 одинакового сечения, причем проекции их широких стенок на плоскость симметрии полосковой линии перпендикулярны и симметричны относительно оси центральной полоски. К нижнему окну подключен согласующий короткозамкнутый отрезок волновода 5. Для согласования делителя мощности ширина центральной полоски уменьшается, причем сужение полоски делается плавным к центру делителя.
Энергия СВЧ через верхнее волноводное окно 3 подается на симметричную полосковую линию и разветвляется на два выхода полосковой линии 1 и 2. При этом основной тип колебаний волновода Н10 преобразуется в волну ТЕМ полосковой линии. Подавление высших типов волн в полосковой линии осуществляется короткозамкнутыми штырями, соединяющими обе экранирующие пластины полосковой линии и расположенными друг от друга на расстоянии меньшем, чем λ/4.
Согласование входа 3 делителя производится подбором положения короткозамыкателя.
3
Коаксиально-полосковые переходы.
Весьма перспективными являются шлейфовые микрополосковые переходы (рис. 3.9). Они наиболее полно отвечают практическим требованиям. Связь между проводниками осуществляется с помощью параллельно включенных короткозамкнутых шлейфов на несимметричной щелевой линии. Разомкнутые шлейфы расположены параллельно по обе стороны диэлектрической подложки. Такая конструкция перехода обеспечивает более полную передачу и согласование.
В коаксиально-полосковых переходах отсутствует преобразование типа волны. Одинаковая структура поля е полосковой и коаксиальной линиях передачи позволяет спроектировать довольно простой и легко настраиваемый широкополосной переход. Возможны два типа коаксиально-полосковых переходов: соосный (рис. 3.13) и перпендикулярный (рис. 3.14). Соосный переход меньше искажает структуру поля, чем перпендикулярный. Последний целесообразно использовать, когда волновые сопротивления и размеры коаксиальной и полосковой линий значительно отличаются друг от друга. В этом случае для согласования необходимо применять согласующие элементы, которыми могут служить короткозамкнутый на конце четвертьволновый шлейф полосковой линии или разомкнутый на конце шлейф небольшой длины (0,05,..0,15)λ. Переход с коротким разомкнутым шлейфом более широкополосен.
4