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

при помещении ферритового стержня вдоль оси круглого или квадратного волновода с продольным подмагничиванием.

За счет эффекта Фарадея плоскость поляризации волны на выходе вентиля поворачивается на 45° (при соответствующем подборе длины и диаметра ферритового стержня).

Плоскость поляризации волны обратного направления поворачивается в ту же сторону еще на 45°. В результате электрическое поле E отраженной волны оказывается параллельно плоскости поглощающей пластины. Отраженная волна практически полностью поглощается.

Достоинством ферритовых устройств, основанных на использовании эффекта Фарадея, является малая величина намагничивающего

поля H0 . Полоса рабочих частот таких устройств составляет 15…20 % от f0 . Недостатки: сложность и громоздкость конструкции.

Ферритовые циркуляторы – невзаимные трехплечевые или более устройства, в которых электромагнитная энергия передается в определенном порядке из одного плеча в другое; например, 1→ 2 → 3→1→...

(цифры – номера плеч). Изменение направления внешнего постоянного магнитного поля на противоположное приводит к обратному направлению распространения СВЧ-энергии: 1→ 3→ 2 →1→... Основное преимущество циркуляторов перед вентилями – отраженная энергия не поглощается в ферритовом вкладыше, а отводится в изолированное плечо и рассеивается в специально подключенной нагрузке. Циркуляторы используются как развязывающие устройства при неизменном направлении подмагничивающего поля или как переключатели, управляемые сменой направления подмагничивания.

СимметричныйY-циркуляторнапрямоугольномволноводе(рис.15) имеет три плеча. Цилиндрический ферритовый вкладыш заполняет по высоте либо полностью, либо частично (с зазором ∆) 120-градусное разветвление в Н-плоскости. Для увеличения широкополосности на вкладыш надевают кольцевой диэлектрический трансформатор и вводят дополнительные диэлектрические штыри.

Величина намагничивающего поля Н0 значительно меньше резо-

нансной. Действие циркулятора можно объяснить следующим образом. Волна типа Н10 , поступающая в плечо 1, дифрагирует на ферритовом

цилиндрическом вкладыше и возбуждает равные по амплитуде поверхностные волны, огибающие феррит в противоположных направлениях. Взаимодействие этих поверхностных волн с намагниченным ферритом

41

характеризуется различными значениями магнитной проницаемости. При этом фазовые скорости поверхностных волн оказываются различными. Подбирая диаметр ферритового цилиндра и величину намагни-

чивающего поля Н0 , можно при сложении поверхностных волн полу-

чить пучность напряженности электрического поля в центре плеча 2, а узел напряженности электрического поля – в центре плеча 3. При этом энергия из плеча 1 поступит в плечо 2 и не поступит в плечо 3. Если энергия подается со стороны плеча 2, то она передается в плечо 3 и не поступает в плечо 1. При подаче энергии в плечо 3 она передается в плечо 1 и не поступает в плечо 2. В реальных конструкциях циркуляторов имеет место просачивание мощности из плеча 1 в плечо 3 и т. д. Поэтому для характеристики циркуляторов применяются такие параметры, как развязка между плечами и прямые потери.

Рис. 15. Волноводный Y-циркулятор

Y-циркуляторы чувствительны к колебаниям окружающей температуры, величине магнитного поля, размерам ферритов и т. д. Для устранения этого феррит помещают в диэлектрическую втулку, которая можетстатьсвоеобразнымэлементомнастройкициркулятора,таккакподбором ее диаметра можно регулировать ширину рабочей полосы. Y-цир- куляторы имеют прямые потери порядка 0,1 дБ, развязку между пле-

чами 30 дБ и КстU 1,04.

Полосковые Y-циркуляторы (рис. 16) конструируют на базе 120-гра- дусного разветвления микрополосковой линии передачи. Внутри подложки размещены ферритовые дисковые вкладыши. Матрица рассеяния такого циркулятора показана на рис. 17.

Y-циркуляторы высокого уровня мощности выполняют на симметричных полосковых волноводах. Ферритовые вкладыши запаивают или

42

приклеивают клеем с высокой теплопроводностью к заземленным пластинам, от которых производится теплоотдача.

Рис. 16. Y-циркулятор на микрополосковой линии

Рис. 17. Матрица рассеяния идеального Y-циркулятора

Методика измерений

Измерения проводятся на векторном анализаторе цепей R&S®ZVL3 (ВАЦ) по методике измерения коэффициента отражения и коэффициента передачи.

Порядок выполнения работы

1.Изучить описание на ВАЦ.

2.Измерить модули коэффициентов отражения (s11, s22, s33 ) на трех

входах в децибелах и относительных единицах. На неиспользуемые входы установить согласованные нагрузки.

3.Измерить модули коэффициентов передачи (s21, s12, s32,s23,s23,s23)

вдецибелах и относительных единицах. На неиспользуемый вход установить согласованную нагрузку.

43

4. Записать измеренные значения в относительных единицах в виде

Содержание отчета

Цель работы, описание схемы измерения, измеренные данные, графики, выводы.

Контрольные вопросы

1.Области применения СВЧ-устройств, содержащих ферриты.

2.Свойства и марки ферритов.

3.В чем заключается эффект Фарадея и как он применяется?

4.Назовите основные типы ферритовых устройств и их параметры.

5.Поясните конструкцию и принцип действия резонансного вен-

тиля.

6.Поясните конструкцию и принцип действия вентиля на основе эффекта Фарадея.

7.Поясните конструкцию и принцип действия волноводного Y-циркулятора.

8.Поясните конструкцию и принцип действия микрополоскового Y-циркулятора.

9.Каковы принципы измерения S-параметров циркулятора?

10.На вход 2 идеального Y-циркулятора подключена нагрузка, име-

ющая модуль коэффициента отражения s11 = 0,1. Какова будет развязка в децибелах между входами 1 и 3?

44

7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Цель работы

Изучение работы проходного объемного резонатора в качестве СВЧ-датчика.

Введение

Простейшим объемным резонатором является волноводный (призматический), резонатор, представляющий собой отрезок волновода, закороченный с обоих концов металлическими пластинами. В короткозамкнутом волноводе образуется стоячая волна, характеризующаяся периодическим распределением вдоль волновода пучностей и узлов поперечной составляющей электромагнитного поля. Если в одном из узлов поперечной составляющей электрического поля сделать короткое замыкание, то в закороченном с обоих концов отрезке волновода сохранится режим стоячей волны, поскольку не нарушаются граничные условия. Такойрежимможнорассматриватькакрежимсвободныхколебанийсистемы без потерь, когда ей сообщен некоторый запас энергии, т. е. закороченный с обоих концов отрезок волновода представляет собой колебательнуюсистемуссобственнойчастотой f0 .Присовпадениичастоты

питающего генератора с собственной частотой образуется резонансный режим колебаний на частоте fрез f0 .

Резонансные частоты находят из условия, что при резонансе длина l закороченного отрезка волновода равна расстоянию между узлами поля

стоячей волны E , т. е. целому числу полуволн в волноводе:

2 l p ; l p g , р = 0, 1, 2…

g 2

Выражая длину волны в волноводе через резонансное значение длины волны генератора 0 рез , получим

45

Пользуясь этой формулой, можно найти резонансные частоты для волноводных резонаторов, критическая длина волны которых известна.

Добротность Q объемного резонатора определяется отношением запасенной энергии к энергии потерь за период колебания. Добротность характеризует полосу пропускания резонатора в режиме вынужденных колебаний, а также его способность сохранить запасенную энергию в

режиме собственных колебаний. Различают добротность Q0 ненагруженного резонатора и добротность Qн нагруженного резонатора, связанного с высокочастотной нагрузкой. Добротность Q0 определяется с помощью выражения

H 2dV

Q0 2V 2 , (4.2)

H dS

S

где глубина проникновения электромагнитной волны в металлическую стенку; V объем резонатора; S площадь поверхности стенок резонатора; H напряженность магнитного поля.

Добротность Q0 зависит от характера распределения магнитного

поляпообъему.Еезначениетембольше,чембольшеотношениеобъема резонатора к его поверхности.

Нагруженная добротность рассчитывается по выражению

где Qвн – внешняя добротность, определяемая как отношение макси-

мальной мощности колебаний в резонаторе к средней мощности потерь во внешней нагрузке.

В режиме вынужденных колебаний добротность определяет относительную ширину резонансной кривой на уровне половинной мощности

(рис. 18):

Прямоугольный волновод, замкнутый с обоих концов проводящими стенками, образует прямоугольный резонатор с ребрами a, b, c. Если

конфигурация поля в резонаторе соответствует волне типа Нmn (Emn )

46

и вдоль ребра с укладывается p полуволн, то возбужденные колебания в резонаторе называют колебаниями типа Hmnp (Emnp ). Для обоих типов

колебаний Hmnp и Emnp резонанснаядлинаволныопределяетсяпоформуле

Рис. 18. Резонансная кривая

При колебаниях типа Е возможен случай, когда p = 0. При этомc рез и составляющие поля Ex Ey 0, а составляющая Ez не за-

висит от z.

Тип колебаний Н101 в прямоугольном волноводе называют основ-

ным. Для этого типа колебаний добротность резонатора определяется по формуле

Круглый волновод, замкнутый с обоих концов проводящими стенками, образует цилиндрический объемный резонатор диаметром D и

длиной l. В нем также существуют колебания типов Hmnp и Emnp .

Для некоторых различающихся между собой типов колебаний собственные частоты совпадают. Такие типы волн называют вырожден-

ными. В цилиндрическом резонаторе это волны типов H01p и E11p . Вырожденными считают и два колебания Н11р , для которых векторы

47

электрического поля поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Объемные резонаторы различных форм (прямоугольные, цилиндрические, сферические) и типов (открытые или закрытые) нашли широкое применение в качестве СВЧ-датчиков. Эти датчики преобразуют изменение диэлектрической проницаемости или размера контролируемого объекта в измеряемые параметры: смещение частоты, изменение добротности, сдвиг фазы и т. п. При возбуждении различных типов колебаний необходимо представлять структуру их поля. Это позволяет анализировать резонатор при деформации его стенок, прорезании отверстий в стенках, при введении металлических включений внутрь резонатора. Если, например, токопроводящий элемент вводится в пучность магнитного поля, то резонансная частота увеличивается; при введении такого элемента в пучность электрического поля резонансная частота уменьшается.

Как и для волноводов, в качестве элементов связи для возбуждения объемных резонаторов применяют штыри (емкостная связь), витки (индуктивная связь) и отверстия в проводящих стенках. Элементы связи ухудшают добротность резонатора и сдвигают собственную резонансную частоту.

Проходные резонаторы основаны на резонансе колебаний, отраженных от двух неоднородностей в волноводе. Добротность и коэффициент передачи подобных резонаторов могут регулироваться в достаточно широких пределах с помощью изменения величины вносимой неоднородности.

В настоящей работе используется проходной резонатор, выполнен-

ныйнаосновеволновода72×10 мм2 спомощьюиндуктивныхштырей. Длина резонатора 140 мм, рабочее колебание H101, резонансная ча-

стота 2,45 ГГц. Такой проходной резонатор предназначен для применения в устройствах контроля параметров диэлектрических изделий шнурового типа в качестве микроволнового сенсора.

Известно, что частотный сдвиг в резонаторе прямоугольной формы при прохождении образца параллельно узким стенкам можно представить в виде

48

а при прохождении образца перпендикулярно узким стенкам в том же резонаторе

где f0 – резонансная рабочая частота пустого резонатора; V0 – объем резонатора; r – диэлектрическая проницаемость материала, из которого изготовлен образец; А – площадь поперечного сечения образца

Конструктивно сенсор представляет собой отрезок прямоугольного волновода с коаксиально-волноводными переходами, на котором с помощью двух идентичных неоднородностей типа индуктивных штырей сформирован проходной резонатор (вместо индуктивных штырей можно использовать индуктивные диафрагмы). Контролируемый образец пропускается через технологическое отверстие в широкой стенке волновода в пучность электрического поля параллельно вектору поля, отверстие выполнено на нейтрали волновода.

Чувствительность сенсора к изменению диэлектрической проницаемости и диаметра шнура можно получить, дифференцируя выражение

(7.7),

где a, b, l – ширина, высота и длина резонатора; d – диаметр шнура; b0 – высота отрезка шнура в резонаторе.

Методика измерений

Измерения проводятся на векторном анализаторе цепей R&S®ZVL3 (ВАЦ) по схеме измерения ослабления (коэффициента передачи S12 ).

49

Порядок выполнения работы

1.Изучить описание на ВАЦ.

2.Подключить в схему измерения коэффициента передачи пустой проходной резонатор (сенсор), определить резонансную частоту резо-

натора по максимальному значению ослабления (модуля S21). Помещая

в отверстие в широкой стенке диэлектрические образцы различных диаметров и диэлектрической проницаемости, определить частотный сдвиг резонансной кривой для каждого образца.

3.Рассчитатьсдвигчастотыдлякаждогоизмеренияипостроитьграфики зависимости сдвига частоты от диаметра образца для одинаковых значений диэлектрической проницаемости образцов.

4.По формуле 7.8 рассчитать ожидаемые значения сдвига частоты, провести сравнение с полученными экспериментально.

5.По формуле 7.4 рассчитать добротность проходного резонатора без образцов, используя данные измерения коэффициента передачи: ча-

стоту f0 , соответствующую максимальному значению модуля S21, и ширину кривой f по уровню –3дБ.

Содержание отчета

Цель работы, описание схемы измерения, измеренные данные, графики, выводы.

Контрольные вопросы

1.Основные параметры объемных резонаторов.

2.Основные типы объемных резонаторов.

3.Как определяется резонансная длина волны в прямоугольном резонаторе?

4.Какой тип колебаний является основным для прямоугольного резонатора?

5.Какие типы колебаний являются вырожденными?

6.Как изменяется резонансная частота при введении в пучность электрического поля диэлектрического материала?

7.Способы возбуждения колебаний в резонаторе.

8.Области применения резонаторов.

9.Проходные резонаторы, их конструкции.

10.Из какого условия определяются резонансные частоты?

50