Определенные трудности, связанные с достижением хорошего качества согласования в широкой полосе частот, возникают также при выполнении переходов от полосковых линий передачи к коаксиальным и прямоугольным волноводам.
Коаксиально-полосковые переходы в зависимости от взаимного расположения соединяемых проводников могут быть соосными или перпендикулярными (рис. 2.17). Для уменьшения нерегулярности в области сочленения внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной линии должен быть близким расстоянию между внешними пластинами симметричной полосковой линии или удвоенной толщине основания несимметричной полосковой линии. Для улучшения согласования в соосном переходе делают скосы на конце полоскового проводника (рис. 2.17, а). Согласование перпендикулярного коаксиально-полоскового перехода (рис. 2.17, б) осуществляют подбором диаметра соединительного штыря, проходящего через диэлектрическое основание, а также размеров коаксиальной диафрагмы на выходе из коаксиальной линии и короткого разомкнутого шлейфа из отрезка полоскового проводника. Часто коаксиально-полосковые переходы совмещают с коаксиальными соединителями.
Варианты коаксиально-полосковых переходов показаны на рис. 3.25.
5
В коаксиально-полосковых переходах отсутствует преобразование типа волны. Одинаковая структура поля в полосковой и коаксиальной линиях передачи (волны типа ТЕМ) позволяет спроектировать довольно простой и легко настраиваемый широкополосный переход.
Возможны два типа коаксиально-полосковых переходов: соосный (торцевой) (рис. 2.21,а) и перпендикулярный (рис. 2.21,б). Соосный переход меньше искажает структуру поля по сравнению с перпендикулярным. Для устранения волн высших порядков, возникающих вследствие асимметрии возбуждаемого поля в полосковой линии, применяются короткозамыкающие штыри, установленные вблизи перпендикулярного перехода. Кроме того, в перпендикулярном переходе необходимо иметь отверстие в заземленной и диэлектрических пластинах, что не удовлетворяет требованиям универсальности, осложняет изготовление и сборку.
Рис. 2.21. Соосный (а) и перпендикулярный (б) коаксиально-полосковые переходы.
6
Нагрузки СВЧ
Нагрузки СВЧ на эквивалентной схеме представляются в виде двухполюсника, который характеризуется величиной коэффициента отражения .
Матрица рассеяния нагрузки вырождается в число |
. В трактах СВЧ находят применение согласованные и реактивные нагрузки. |
|
Согласованные нагрузки. |
|
|
УГО |
|
|
Назначение |
Согласованные нагрузки предназначены для поглощения мощности, передаваемой по линии передачи. |
|
|
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 зна- |
|
характеристики |
чения КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. |
|
|
Технически возможно создание нагрузок с |Г| <0,01 в относительной полосе частот 20-30 % и более. |
|
К числу наиболее распространенных элементов трактов относятся согласованные нагрузки, предназначенные для поглощения мощности, передаваемой по линии передачи. Согласованные нагрузки применяют в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры, в виде меры сопротивления в измерительных устройствах СВЧ, в промышленных установках СВЧ-нагрева различных влагосодержащих материалов.
Идеальная согласованная нагрузка имеет коэффициент отражения =0. Характеристиками реальных согласованных нагрузок являются зависимость
от частоты и величина допустимой поглощаемой мощности. На практике используются нагрузки с <0,01 в полосе частот не менее 20%. Часто нагрузку характеризуют величиной КСВ на входе. Требований к фазе отраженной волны не предъявляется. По величине допустимой поглощаемой мощности различают нагрузки на низкий (<1 Вт) и высокий уровни мощности. В последнем случае нагрузка содержит радиатор, предназначенный для рассеивания тепла в свободное пространство.
На рис. 7.1 показаны согласованные нагрузки в волноводном (а), коаксиальном (б) и полосковом (в) исполнении. Они выполняются объемными из радиопоглощающего материала, например, ферроэпоксида, или имеют тонкие поглощающие пленки. Качество нагрузки существенно зависит от длины и профиля нагрузки. Для клиновидных нагрузок берется порядка В случае экспоненциального профиля длина нагрузки может быть существенно
уменьшена. В дециметровом диапазоне на высокий уровень мощности используют водяные нагрузки. В этом диапазоне вода интенсивно поглощает электромагнитную энергию, преобразуя ее в тепло. Такая нагрузка представляет собой систему радиопрозрачных трубок, помещенных в область, содержащую электромагнитное поле. По этим трубкам циркулирует вода.
Волноводные согласованные нагрузки выполняют в виде поглощающих вставок переменного профиля в отрезке короткозамкнутого волновода. В маломощных нагрузках вставки имеют вид тонких диэлектрических пластин, покрытых графитовыми или металлическими пленками (рис. 2.2,а). Объемные поглощающие вставки (рис. 2.2,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.
В коаксиальном тракте простейшей нагрузкой является сосредоточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии. Однако на сантиметровых волнах размеры резистора становятся соизмеримыми с длиной волны, входное сопротивление оказывается частотно-зависимым и качество согласования ухудшается. Для снижения коэффициента отражения и расширения рабочей полосы частот коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона длин волн часто выполняют в виде, отрезков нерегулярных линий передачи с потерями. Поглощающие элементы в таких нагрузках могут быть объемными или в виде тонких поглощающих пленок. Коаксиальная нагрузка с объемным поглощающим элементом в виде конуса показана на рис. 2.1, а. Хорошее качество согласования в этой конструкции достигается при длине поглощающего элемента l≥λ.
Более распространены коаксиальные нагрузки с поглощающими элементами в виде керамических цилиндров, покрытых металло-оксидными 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. 2.1, б показана коаксиальная нагрузка с экраном ступенчатой формы. Установлено, что оптимальное качество согласования при l≤λ/6 полу-
чается при выборе уменьшенного диаметра экрана в соответствии с соотношением 138 lg D
d ZB 
5 где ZВ – волновое сопротивление тракта. Длина уступа внешнего проводника должна быть несколько меньше длины пленочного поглотителя. Наиболее широкополосные коаксиальные нагрузки имеют внешний экран воронкообразной формы (рис. 2.1, в).
Согласованные нагрузки для полосковых линий передачи представляют собой тонкопленочные полоски из резистивных материалов, нанесенные на плату и закороченные с одного конца на экран полосковой линии. Толщину полоски подбирают в несколько раз меньше глубины проникновения поля, а длина ее может быть малой по сравнению с длиной волны. Однако из-за небольшой площади теплоотвода сосредоточенные нагрузки выдерживают лишь небольшую мощность. Для увеличения рассеиваемой мощности нагрузки выполняют в виде протяженных (l≈λ) отрезков регулярных или нерегулярных линий передачи с потерями. При этом необходим специальный подбор формы поглощающей поверхности. В узлах СВЧ на полосковых линиях применяют также навесные нагрузки в виде керамических пластинок или стержней с нанесенным пленочным поглощающим покрытием. На полосковых платах при выполнении нагрузок и в других случаях часто возникают технологические трудности с осуществлением короткого замыкания полосковых проводников на экраны. При узкой полосе частот (5-8 %) эти трудности преодолевают, применяя четвертьволновые разомкнутые шлейфы, обладающие близким нулю входным сопротивлением.
В полосковых (особенно в печатных) 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, могут быть использованы 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 ватт, используются армированные поглощающие материалы.
Реактивные нагрузки.
УГО |
|
|
(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.
Реактивные нагрузки, применяемые в качестве мер при измерениях на СВЧ, а также в согласующих и управляющих устройствах, должны обладать стабильным нормированным входным сопротивлением, номинал которого может быть строго рассчитан по геометрическим размерам.
Идеальная реактивная нагрузка имеет коэффициент отражения = 1 и характеризуется только фазой коэффициента отражения. Реальная реактивная
нагрузка имеет , близкий к единице, и характеризуется коэффициентом КСВ, который может достигать значений порядка 100 и более. На практике реактивная нагрузка реализуется в виде неподвижного (запаянного) или подвижного поршня. Основное требование, предъявляемое к поршню, состоит в обеспечении хорошего электрического контакта со стенками линии передачи.
На рис. 7.2 показаны волноводные короткозамыкающие поршни. В дроссельном поршне качество контакта обеспечивается электрическим путем. Дроссель представляет собой свернутую короткозамкнутую полуволновую линию, трансформирующую нулевое сопротивление в поперечное сечение волновода, примыкающего к поршню. Механический контакт располагается на расстоянии λВ/4 от короткого замыкания (точка 1 на рис. 7.2,б).
Поэтому в сечении механического контакта продольные токи отсутствуют, и качество этого контакта не влияет на качество работы поршня в целом. Аналогично реализуются поршни в коаксиальном исполнении. Они находят применение в измерительных трактах СВЧ, а также в качестве элементов настройки согласующих устройств.
Наибольшее распространение получили короткозамкнутые отрезки закрытых линий передачи, иначе говоря, короткозамкнутые шлейфы. Основным параметром реального шлейфа является значение входного КСВ, которое должно быть как можно более высоким. В нерегулируемых коаксиальных или волноводных шлейфах с неподвижным запаянным поршнем КСВ может достигать 500 и более. В регулируемых шлейфах с подвижными поршнями значения КСВ из-за дополнительных потерь в контактах оказываются ниже, однако, как правило, они превышают 100.
Холостой ход в шлейфах, т. е. размыкание выхода, может быть реализован только в закрытых многопроводных линиях, когда устранено излучение. Возможные конструктивные решения подвижных короткозамыкающих поршней для прямоугольных волноводов показаны на рис. 2.3 для продольных сечений, параллельных узкой стенке волновода. В первой конструкции (рис. 2.3, а) разрезные пружинные контакты А вынесены от закорачивающей стенки В внутрь волновода на расстояние λВ/4. Поэтому контакты оказываются в сечении волновода с нулевыми значениями продольного тока на
стенках и неидеальность контактов не приводит к потерям мощности.
Во второй конструкции поршня (рис. 2.3, б) контакты А включены в волновод через два трансформирующих отрезка линии передачи с низкими нормированными волновыми сопротивлениями ZB1 и ZB2 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:
rB rA ZB1 
ZB2 2 .
При ZB1 ZB2 удается существенно уменьшить эквивалентное сопротивление контакта rB и увеличить КСВ поршня.
В третьей конструкции поршня (рис. 2.3, 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).
Рассмотренные принципы выполнения волноводных поршней непосредственно применимы и для коаксиальных поршней в диапазоне сантиметровых волн.
Принципы согласования линии передачи с нагрузкой Цели согласования
Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:
-увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;
-увеличение электрической прочности линии;
-увеличение КПД линии;
-устранение вредного влияния отраженной волны на генератор;
-расширение рабочей полосы частот.
На практике чаще всего линии передачи используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. Для обеспечения этого режима необходимо,
чтобы сопротивление нагрузки ZH RH i X H удовлетворяло двум условиям:
-активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению линии: RH W ,
-реактивная часть нагрузки X H должна равняться нулю: X H 0 .
Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента.
Независимо от характера и типа согласующего устройства (СУ), а также полосы частот, где оно обеспечено, схема согласования имеет вид :
.
При не согласованной нагрузке в режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.
КПД линии тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения .
Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы.
Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации.
Требования к КСВ на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора. Для согласования комплексных нагрузок используются различные согласующие устройства, которые по
соображениям сохранения высокого КПД тракта выполняются чаще всего из реактивных элементов. Различают узкополосное и широкополосное согласование. При узкополосном согласовании отраженная
волна отсутствует только на одной частоте. При широкополосном – в относительной полосе частот более
10%.
1
Способы узкополосного согласования
Узкой принято считать полосу частот 2Δf, составляющую единицы процентов от средней частоты f0. В этой полосе должен быть обеспечен допустимый
уровень согласования КСВ 
. Типичный график зависимости КСВ тракта от частоты представлен на рис. 4.1. Конкретное значение 
определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,02-2.
В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются следующие устройства:
–четвертьволновый трансформатор;
–последовательный шлейф;
–параллельный шлейф;
–два и три последовательных или параллельных шлейфа.
Они используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и др.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.
1
Четвертьволновый трансформатор.
Представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением WTP W , включенным в разрыв основной линии передачи. Принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматривае-
мом случае примет вид |
Z |
BX |
z |
0 |
Z |
BX |
z |
0 |
|
Д |
4 W 2 |
где Z |
BX |
z |
0 |
– входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки |
Z |
H |
, в месте под- |
|
|
|
|
|
|
TP |
|
|
|
|
|
ключения трансформатора z0 ; ZBX z0 Д 
4 – входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении z0 Д 
4 с подключенным к нему отрезком линии длиной z0 , нагруженной сопротивлением нагрузки ZH .
Условия согласования требуют, чтобы ZBX z0 Д 
4 W , т.е. ZBX z0 W WTP2
Отсюда следует, что ZBX z0 должно быть чисто действительной величиной: ZBX z0 RBX z0 .
Четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии, в которых входное сопротивление линии чисто активное. Входное сопротивление линии чисто активное в сечениях линии, в которых напряжение достигает максимума или минимума. Поэтому четвертьволновый трансформатор включается в максимумах или минимумах напряжения, и его волновое сопротивление определяется соотношением
WTP |
|
(4.3) |
|
W RBX z0 |
|
||
В максимумах напряжения RBX |
W KCB , поэтому при включении трансформатора в максимум напряжения его волновое сопротивление WTP W . |
||
В минимумах напряжения RBX |
W / KCB , поэтому при включении трансформатора в минимум напряжения WTP W . |
||
Выбор места включения трансформатора (максимум или минимум напряжения) определяет соотношение его волнового сопротивления с волновым сопротивлением линии, а это определяет соотношение геометрических размеров поперечного сечения трансформатора и линии.
На рис. 4.3 представлены варианты исполнения четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной линий для двух рассмотренных случаев. Из рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант WTP W .
2