СВЧ 7 семестр Вьюгинов / Рефераты / Направленные ответвители

МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

РЕФЕРАТ по дисциплине «Измерения на сверхвысоких частотах»

Тема: Направленные ответвители

Санкт-Петербург

2022

Аннотация

В этом реферате рассмотрены направленные ответвители СВЧ диапазона. Кратко, без математических выкладок и углубления в теорию СВЧ.

В реферате рассмотрено общее описание линий передачи, некоторые важные для построения направленных ответвителей свойства линий передачи и электромагнитных волн. После чего дается объяснение принципа работы и конструкционных особенностей направленных ответвителей.

Annotation

This essay covers directional microwave couplers. Briefly, excluding mathematic calculation or deep understanding of microwaves theory. Essay generally reviews transmission lines, electromagnetic waves and some of their important attributes that is needed to build directional couplers. After covering general introduction, essay reviews existing directional couplers, their operation and constructional features.

2

Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи в узкой стенке…………………..……………………………………………. 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………..… 19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…….…………. 20

3

ВВЕДЕНИЕ

Направленные ответвители – это один из вариантов линий передачи,

устройств, созданных для передачи, в нашем случае, электромагнитных волн по определенному каналу, который и называется линией передачи.

Линии передачи объединяются между собой и образуют тракт. Тракт осуществляет канализацию электромагнитных волн, обеспечивает правильный режим работы выходных и входных цепей передатчика и приемника, выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов,

может содержать коммутирующие цепи и вращающиеся сочленения,

устройства управления положением луча антенны и поляризацией радиоволн,

устройства контроля функционирования системы. В технике Сверх Высоких Частот (СВЧ) тракты требуют учета множества конструктивных особенностей, вызванных используемым диапазоном частот. Диапазон частот СВЧ составляет от 300 МГц до 300 ГГц (с длиной волны λ = 1м – 1мм).

Рисунок 1. Шкала электромагнитных колебаний

Почему в технике используется СВЧ диапазон? Использование СВЧ диапазона оправдано множеством факторов, к примеру: большой информационной емкостью каналов связи, возможностью направленной передачи электромагнитной энергии, прозрачностью земной атмосферы для СВЧ радиоволн и избирательным поглощением СВЧ-излучения веществом.

Но как уже было сказано, при создании линий СВЧ возникают определенные конструкционные проблемы, такие как: соизмеримость длины волны с характерным размером приборов, что практически отсекает обычные

4

линии передачи и колебательные контуры. Соизмеримость периода колебаний с временем пролета заряда в активной области прибора, что приводит к появлению инерции носителей заряда и нарушает работу радиопередачи.

Малая энергия кванта электромагнитного поля, незначительная по сравнению с энергией теплового движения частиц при комнатной температуре, что затрудняет использование квантовых устройств.

По всем вышеуказанным причинам требуется создание специальных устройств, передающих и преобразующих сигнал и мощность в СВЧ диапазоне. Одним из таких устройств являются направленные ответвители.

Направленные ответвители представляют собой устройства, которые осуществляют передачу мощности из одного плеча в два других.

Направленные ответвители относятся к подклассу взаимных устройств СВЧ,

куда также входят двухполюсники, шестиполюсники, фильтры и так далее.

В данном реферате будут рассмотрены только направленные ответвители в виде четырехполюсников, микрополосковые ответвители,

ответвители на связанных линиях передачи и мостовые устройства. Обзорно,

без сложных математических выкладок и углубления в теорию СВЧ цепей.

5

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ СВЧ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Основной задачей линии передачи является распространение электромагнитных волн вдоль этой самой линии передачи, передача мощности по ним. Притом в большинстве случаев для прибора выгодно если электромагнитные волны не затухают и не искажаются.

Линии передачи в СВЧ технике выполняются в виде волноводов и открытых линий передачи. В открытых линиях передачи (многопроводные и полосковые линии, линии с поверхностной волной и др.) поперечное сечение не имеет замкнутого проводящего контура, охватывающего область распространения электромагнитной энергии. Напротив, в волноводах обязательно имеется одна или несколько проводящих поверхностей,

полностью охватывающих область распространения электромагнитных колебаний.

Первым делом стоит напомнить, что мы имеем дело с электромагнитными волнами. Эти волны описываются уравнениями Максвелла и к ним применимы все свойства волн. Будем считать, что мы уже знаем, что такое длина волны, фаза, сдвиг фаз, амплитуда и т. д.

Тип волны, структура электромагнитного поля и критическая чистота

определяются их указанных размеров поперечного сечения путем решения граничных задач электродинамики.

Согласование линий передачи.

Далее следует привести объяснения эффектов, характерных для линий передачи. Начнем с согласования линий передачи. Допустим, что от какого-то источника по волноводу у нас уже распространяется электромагнитная волна.

Не будем вдаваться во всю теорию распространения электромагнитных волн,

здесь и далее выделим лишь важные для понимания конкретного процесса теоретические выкладки. Пусть эта волна распространяется перпендикулярно

6

границе раздела двух сред. Ось z системы координат расположим вдоль направления распространения.

Предположим, что при падении волны на границу раздела она частично проходит во вторую среду, а частично отражается. Поэтому электромагнитное поле в первой среде можно представить как суперпозицию падающей и отраженных волн. Однако же, если отраженная волна отсутствует и, тем самым, падающая волна полностью переходит во вторую среду без потерь и преломлений, то среды называются согласованными.

В линиях передачи границы раздела сред математически определяются разрывами в функциях E (силы тока), H (напряженность магнитного поля), D

(электрическая индукция), B (силы Лоренца) уравнений Максвелла. Сами уравнения Максвелла в таком случае неприменимы для отыскания поля на границе. Частным примером границ раздела сред в СВЧ волноводах могут быть повороты волновода в местах соединения, «закрученности» (рис. 2),

разветвления и так далее, называемые неоднородностями. По названию

«Направленный ответвитель» уже становится понятно, что в нем имеются неоднородности, которые компенсируется и согласуется в одном из его плеч.

Рис 2. Прямоугольный закрученный волновод

Согласованная нагрузка.

Согласованная нагрузка предназначена для поглощения мощности,

передаваемой по линии передачи. Аналогично согласованной линии передачи,

7

в ней отсутствует отраженная волна и вся энергия электромагнитного поля рассевается в виде тепла. Рассмотрим согласованные нагрузки на примере волноводных прямоугольных линий передачи. 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. 3а). Объемные поглощающие вставки с большой мощностью рассеяния (рис.3 в-г) выполняют из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или карбида кремния. Для уменьшения отражения им придают вид кельев или пирамид.

Рисунок 3. Согласованная нагрузка в прямоугольном волноводе.

Матрицы рассеяния.

Несмотря на то, что в данный реферат пытается по максимум избегать математических выкладок, нужно хотя бы знать, с чего нужно начать расчет реального прибора, если такая потребность возникнет.

В теории можно провести расчет необходимых параметров по формулам Максевелла, на практике же не нужно описывать все свойства волн в линиях связи и достаточно найти определенные, интересующие заказчика параметры. Для одного из таких расчетов применяется волновая матрица.

Если известны амплитуды волн, отраженных от многополюсника и известны амплитуды падающих волн, то можно составить матричное

уравнение ̇-=S ̇+, где

8

- N-мерные векторы-столбцы нормированных амплитуд напряжения отраженных и падающих волн,

- квадратная матрица порядка N, называемая матрицей рассеяния. Она полностью описывает свойства многополюсника на данной частоте возбуждения, так как позволяет найти распределение (рассеяние) энергии между его плечами при произвольном возбуждении. Возбуждение в плечах задается выбором коэффициентов s11, s12, и так далее

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ.

Общий принцип работы.

В общем и целом, направленными ответвителями являются устройства,

предназначенные для ответвления части мощности из основного канала во вспомогательный канал. Он характеризируется такой характеристикой, как

"направленность", которой, к примеру, у похожих устройств - ненаправленных делителей мощности нет. Важным является тот факт, что он согласован. Если многополюсник согласовать со стороны одного из плеч, то есть, за счет введения в конструкцию дополнительных элементов, не нарушающих симметрию устройства, добиться равенства нулю коэффициента отражения в одном из плеч (при подключении к остальным согласованных нагрузок), то он окажется согласованным со стороны остальных плеч. Иными словами,

9

например, если у четырехполюсника без нарушения симметрии в одном из плеч коэффициент отражения будет равен нулю (согласованная нагрузка), то в двух других плечах будут распространяться ЭМ волны.

Рассмотрим ход волн в направленном ответвителе. Обобщенная эквивалентная схема направленного ответвителя в виде восьмиполюсника представлена на рисунке 4. На эквивалентной схеме основной волновод изображен линией 1-2, а вспомогательный волновод – линией 3 – 4.

Рисунок 4. Направленный ответвитель в разрезе, схематично.

Если ответвитель возбуждается со стороны плеча 1, то при отсутствии отраженной волны в основном волноводе энергия ответвляется только в одно плечо вспомогательного волновода (например плечо 4). При возбуждении НО со стороны плеча 2 энергия будет ответвляться только в плечо 3. Фаза колебаний во вспомогательном волноводе отстаёт на угол 90 градусов от фазы колебаний в основном волноводе.

Наибольшее распространении получили два типа направленных ответвителей: с отверстиями связи в узкой стенке волновода и крестообразной формы.

Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи в узкой стенке

Рассмотрим направленный ответвитель с двумя отверстиями связи в

узкой стенке волновода (Рис. 5)

10