Электродинамика, антенны и СВЧ-устройства СБЛ. Учебно-методическое пособие

из-за снижения качества контактных поверхностей; ухудшение параметров при загрязнении и окислении контактных поверхностей. Избежать некоторых недостатков волноводных соединений с притертыми фланцами удается во фланцах с контактными прокладками. В этих фланцах надежный контакт обеспечивается при помощи пружинящих лепестков, прилегающих к внутреннему периметру поперечного сечения волновода.

При выполнении волноводных трактов часто приходится изгибать волновод под различными углами. Однако резкие изгибы могут создать значительное отражение падающей мощности. Для уменьшения отражения делают плавные повороты на участках длиной в несколько длин волн. Изгибы и плавные повороты прямоугольных волноводов, возбуж-

денных на основной волне Н10 , могут быть выполнены в плоскостях Е

и Н, т. е. по широкой и узкой стенке волновода. Для изменения поляризации применяется скручивание волноводов.

Уголки для прямоугольных волноводов выполняются двух видов: с двойным поворотом и с одиночным поворотом предельного типа. Характеристики уголка с двойным поворотом могут быть определены из рассмотрения рассогласования, вносимого уголком с одиночным поворотом. В уголках с двумя поворотами оба уголка с одиночными поворотами располагаются таким образом, чтобы их отражения компенсировали друг друга на требуемой длине волны. Средняя длина L, необходимая для компенсации отражений, в уголке с двойным поворотом в Е-плоскости приблизительно равна четверти длины волны в волноводе, а для поворота в Н-плоскости длина L должна быть больше четверти длины волны в волноводе.

Круглыеповоротывволноводахмогутбытьрассматриваемыкакчасти линий с волновыми сопротивлениями, отличающимися от волнового сопротивления прямого волновода на величину, зависящую от радиуса и угла закругления и от механических допусков для поперечного сечения. Для лучшего согласования поворот должен иметь длину вдоль оси, равную целому числу полуволн (рис. 9).

Скрученный прямоугольный волновод лучше всего согласуется, когда его длина равна целому числу полуволн в волноводе.

Для обеспечения возможности перемещения составных частей тракта относительно друг друга используются подвижные соединения

31

или вращающиеся переходы. Эти устройства должны иметь хорошее согласование полного сопротивления при всех углах поворота (КСВН не более 1,2) и в некоторых случаях должны обеспечить чистоту типа, поскольку возбуждение нежелательных типов волн может дать резонансы, которые могут вызвать сильные отражения в тракте.

Рис. 9. Уголковый поворот в плоскости Е и круглый поворот в плоскости Н

Для характеристики качества согласования элементов тракта широко используются два понятия: коэффициент отражения и коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН).

Методика измерений

Структурная схема измерения состоит из генератора СВЧ-сигнала, измерительнойлинии,индикатора.Квыходу измерительнойлинииподключается исследуемый элемент, нагруженный на согласованную нагрузку.

Длина волны в волноводе определяется с помощью измерительной линии. Для этого необходимо замкнуть волновод измерительной линии накоротко пластиной и, перемещая каретку, измерить по шкале расстояние l между двумя соседними узлами напряженности электрического поля (узлу напряженности соответствует минимальное отклонение

шкалы индикатора). Длина волны вычисляется как g 2l .

Для определения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) следует, перемещая каретку вдоль измерительной линии,

32

отметить по шкале индикатора наименьшее ( Amin ) и наибольшее ( Amax ) показание. КСВН определяется как

На точность измерения КСВН влияют следующие факторы:

неточность отсчета показаний индикаторного прибора – Ки ;

наличие отражений в переходных устройствах – Кп ;

неоднородность линии – Кл ;

наличие отражений от зонда индикаторной головки – Кг . Суммарная ошибка вычисляется по формуле

Таким образом, исследовать элементы волноводного тракта с малыми отражениями рассмотренным выше методом нежелательно, поскольку коэффициенты отражений от этих элементов имеют тот же порядок, что и ошибки измерения. Поэтому отражения от данных элементов волноводного тракта лучше всего исследовать методом смещения узлов. Схема, предназначенная для измерения КСВН таким методом, содержит генератор, развязывающий аттенюатор, измерительную линию, включаемую по одну сторону отисследуемого элемента волноводного тракта, однородную линию с короткозамыкающим поршнем, включаемую по другую сторону от исследуемого элемента волноводного тракта, и индикатор. При помощи измерительной линии регистрируется смещение узла напряженности поля, вызванное изменением положения поршня. Если исследуемый элемент тракта не вносит искажений, то включение его равносильно включению однородной линии между измерительной линией и короткозамкнутым поршнем. В этом случае перемещение поршня на определенное расстояние вызывает такое же смещение узлов на измерительной линии. Если измеряемый элемент вносит в линию неоднородности, то перемещения поршня и узлов будутнеодинаковы. На этом и основана методика измерений. Сам процесс измерений заключается в следующем: выбираются две произвольные точки – на измерительной линии А и на линии с поршнем Б

33

(рис. 10). Поршень перемещают на различные расстояния l2 от точки Б, отмечая каждый раз положение узла l1 на измерительной линии относительно точки А.

Рис. 10. Процесс измерения:

1 – измерительная линия; 2 – волновод с короткозамыкающим поршнем; 3 – короткозамыкающий поршень; 4 – начало отсчета шкалы линии; 5 – положение узла напряжения; 6 – начало отсчета шкалы поршня

По полученным данным строят график зависимости (рис. 11):

где k 2 – волновое число линии передачи (или коэффициент фазы).

g

Рис. 11. График зависимостей:

1 – неоднородность емкостного типа; 2 – неоднородность индуктивного типа

34

Измерительная линия и линия с поршнем имеют одинаковые значения k. Из графика находят величину

d k(l1 l2) max k(l1 l2 min

и вычисляют значение модуля коэффициента отражения по формуле

Значение КСВН вычисляют по формуле

Порядок выполнения работы

1.Измерить КСВНволноводногоуголковогоповоротаметодом смещения узлов на частотах, указанных преподавателем.

а) Собрать схему измерения. Выход измерительной линии замкнуть накоротко при помощи металлической пластины. Аттенюатор генератора вывести на максимальное затухание.

б) Настроить генератор на частоту, указанную преподавателем.

в) Определить положения минимумов поля вдоль измерительной линии.

г) К выходу измерительной линии присоединить секцию с короткозамыкающим поршнем и поворотом.

д) Перемещать поршень из нулевого положения до тех пор, пока узел напряженности в линии не переместится в одну из точек, опреде-

ленных в п. 3, например А1 . Отметить положение поршня (точка Б). Точку А1 принять за начало отсчета по шкале секции с короткозамыка-

ющим поршнем.

е) Перемещая поршень от точки Б вправо, отмечать смещение узла в линии относительно точки А1 .

ж)Измеренныезначениясвестивтаблицу,построитьграфики,опре-

делить d. Рассчитать значение КСВН по формулам (5.4) и (5.5). з) Повторить измерения для всех частот.

и) Построить графики зависимости КСВН от частоты.

35

2.Измерить КСВН волноводного круглого поворота методом смещения узлов на частотах, указанных преподавателем, по методике, указанной в предыдущем разделе.

3.Измерить зависимость значения КСВН от угла поворота вращающегося перехода методом измерительной линии на частотах, указанных

преподавателем.

а) Присоединить к выходу измерительной линии вращающийся переход с согласованной нагрузкой.

б) Настроить генератор на частоту, указанную преподавателем.

в) Установить вращающийся переход в положение = 0 .

г) Перемещая зонд измерительной линии, записать максимальные ( Amax ) и минимальные ( Amin ) показания индикатора. Следует брать

значения максимумов и минимумов, находящихся в середине измерительной линии, чтобы избежать действия искажений, возникающих у концов щели.

д) Операцию 4.3.4 проделать для углов поворота = 0 , 45 , 90 . е) Значение КСВН рассчитать по формуле (5.1).

з) Построить график зависимости КСВН от угла поворота.

Содержание отчета

Структурные схемы измерения, эскизы исследуемых элементов, таблицы измеренных значений, графики зависимости КСВН от частоты для всех измерений, выводы.

Контрольные вопросы

1.Требования, предъявляемые к волноводным соединениям.

2.Преимущества и недостатки контактных фланцев.

3.Преимущества и недостатки дроссельных фланцев.

4.Назначение и конструкция волноводных изгибов.

5.Устройство и принцип действия волноводного вращающегося со-

единения.

6.Метод измерения коэффициента стоячей волны при помощи длинной линии.

7.Связь между КСВН и коэффициентом отражения.

8.Метод смещения узлов.

9.Как определяется погрешность измерения КСВН с помощью из-

мерительной линии?

10. Как влияет нарушение согласования на работу СВЧ-тракта?

36

6. ФЕРРИТОВЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ

Цель работы

Изучение принципов работы невзаимных СВЧ-устройств. Измерение элементов матрицы рассеяния циркулятора.

Введение

Благодаря своим свойствам ферриты используются для создания широкого класса невзаимных устройств СВЧ, т. е. устройств, обладающих невзаимными потерями, невзаимным вращением плоскости поляризации, невзаимным фазовым сдвигом и т. д.

Ферритовые устройства широко применяются в приемо-передаю- щих трактах систем ближней локации для предотвращения попадания частиизлученноймощностивпередатчик,атакжесхемахпитанияФАР.

Зависимость параметров ферритов от напряженности внешнего магнитного поля позволяет создавать на их основе управляемые устройства СВЧ: переключатели, модуляторы, перестраиваемые фильтры, регулируемые фазовращатели и аттенюаторы и т. д. Рассмотрим ряд волноводных устройств, содержащих ферриты.

Ферритовые СВЧ-устройства конструируются с использованием ферритовых вкладышей из нормализованных марок ферритов СВЧ. Вподмагниченномсостоянииферритыхарактеризуютсятензорноймагнитной проницаемостью.

Ферриты – химические соединения окиси железа Fe2O3 с окислами других металлов. У многих ферритов сочетаются высокая намагниченность и полупроводниковые или диэлектрические свойства. Ферритышпинели имеют структуру минерала шпинели, ферриты-гранаты редкоземельных элементов и иттрия имеют кубическую структуру граната.

К СВЧ-ферритам, изготовляемым в настоящее время (например, АО «Ферроприбор»), относятся следующие.

1.Магний-марганцевые (Mg-Mn) и магний-марганец-алюминиевые (Mg-Mn-Al) ферриты-шпинели. Эта группа ферритов используется в приборах, которые требуют от материала малых магнитных и диэлектрических потерь в дециметровом и сантиметровом диапазоне длин волн.

2.Литий-титан-цинковые (Li-Ti-Zn) ферриты-шпинели. Литиевые ферритыимеютмалыенерезонансныепотери,высокуюпрямоугольность

37

петли гистерезиса и высокую температуру Кюри. Они в основном используются в нерезонансных управляемых приборах низкого уровня мощности сантиметровых и миллиметровых диапазонов (фазовращатели, переключатели и т. д.).

3.Никель-цинковые (Ni-Zn) ферриты-шпинели. Никель-цинковые ферриты имеют высокую температуру Кюри, находят широкое применение в резонансных приборах в сантиметровых и миллиметровых диапазонах длин волн.

4.Ферриты Ni-Zn с прямоугольной петлей гистерезиса.

5.Сверхвысокочастотные гексаферриты. Ферриты этой группы предназначены для сверхвысокочастотных приборов миллиметрового диапазона длин волн, не требующих подмагничивания внешними магнитными системами

6.Ферриты-гранаты. Иттрий-кальциевые (Y-Ca) гранаты применяются в СВЧ-приборах, имеющих малые потери в широкой области частот и температур.

7.Чистые и легированные иттриевые (Y) гранаты. Иттриевый гранат является ферромагнитным материалом, на базе которого созданы все известные группы сверхвысокочастотных ферритов-гранатов. Иттриевые гранаты применяют в сверхвысокочастотных приборах сантиметрового диапазона длин волн низкого уровня мощности.

В волноводах прямоугольного сечения наибольшее распространение получили конструкции вентилей, в которых используются резонансные свойства ферритов или эффект смещения поля.

Резонансный вентиль. В прямоугольном волноводе, работающем на волне Н10 , существуют две продольные плоскости х= const (рис. 12),

параллельные узкой стенке волновода, где магнитное поле имеет круговую поляризацию. Эти плоскости находятся на расстоянии от узких сте-

нок волновода x a arctg 2ag .

НаправлениевращениявектораНвкаждомизуказанныхпродольных сечений взаимно противоположно и зависит от направления движения волны по волноводу. Поместим в волноводе в одной из двух указанных плоскостей ферритовую пластинку, намагниченную перпендикулярно широкой стенке волновода (рис. 13). Если напряженность постоянного

38

магнитного поля выбрать равной или близкой к величине Нрез , то фер-

рит поглощает мощность волны, создающей правополяризованное высокочастотное магнитное поле. Волна, распространяющаяся вдоль волновода в противоположном направлении (прямая волна, рис. 13), испытывает малое затухание. Серийно выпускаемые ферритовые вентили

обеспечивают в полосе частот (10…15) % от f0 затухание в прямом

направлении не более 0,5 дБ, затухание в обратном направлении 20 дБ и имеют КcтU 1,08 1,1.

Рис. 12. Области круговой поляризации магнитного поля в различных сечениях

Рис. 13. Конструкция вентиля

39

Вентиль, основанный на эффекте Фарадея (рис. 14), представляет собой круглый волновод, вдоль оси которого расположен тонкий ферритовый стержень, намагниченный в продольном направлении постоянным маг-

нитным полем Н0 . С обеих сторон круглый волновод заканчивается

плавными переходами к прямоугольному волноводу. Напряженность магнитного поля Н0 значительно ниже резонансной величины Нрез .

Рис. 14. Вентиль на эффекте Фарадея

Внутри переходов расположены поглощающие пластины. Выходной прямоугольный волновод повернут относительно входного на 45°.

Если в круглом волноводе распространяется волна типа Н11 , поглоща-

ющая пластина создает минимальные потери для волны, поступающей со стороны входа вентиля.

ЭффектФарадея наблюдаетсяприраспространениивферритевдоль подмагничивающего поля волны с линейной поляризацией, при этом происходит вращение плоскости поляризации. Линейно поляризованноеполеможнопредставитьввидедвухполейскруговойполяризацией и противоположным вращением. Из-за разности фазовых скоростей этих волн суммарный поляризационный вектор после прохождения в

феррите участка длиной l будет повернут на угол 2l ( l r ) , l,r –

фазовые постоянные полей с противоположным вращением.

Таккакобычно l r ,поворотплоскостиполяризациипроисходит почасовойстрелке,еслисмотретьпонаправлениюполя H0 ,инезависит от направления распространения волны. Эффект Фарадея проявляется

40