Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Устройства СВЧ и антенны. Часть 2. Учебное пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное образовательное бюджетное
учреждение высшего профессионального образования
Московский технический университет связи и информатики
В.В. Чебышев
Устройства СВЧ и антенны
Часть 2
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
для направлений подготовки 210700, 210400,
11.03.02, 11.03.01
Москва 2015
1
УДК 621.396.67
Чебышев В.В. Устройства СВЧ и антенны. Ч. 2: Учебное пособие /
МТУСИ. – М., 2015. - 47 с.
В соответствии с программой дисциплины «Устройства СВЧ и
антенны» излагаются основные положения теории устройств СВЧ и антенн.
Рассматриваются общие понятия и система параметров устройств СВЧ и
антенн, методы их исследования. Изложено описание работы и назначение
конкретных типов устройств СВЧ и антенн.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки
210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», а также
210400 – «Радиотехника».
Ил. 68, список лит. 2 назв.
Издание утверждено Методическим советом университета в качестве
учебного пособия. Протокол № 4 от 21.04.2015 г.
Рецензенты: В.М. Седов, к.т.н., доцент (МТУСИ)
В.К. Шило, ведущий научный сотрудник (ОАО «ВПК НПО
Машиностроения»)
© Московский технический университет
связи и информатики, 2015
2
11
H
11
H
5. Виды многополюсных устройств СВЧ
5.1. Волноводное вращающееся сочленение
Вращающиеся сочленения используются для передачи энергии ВЧ
сигнала (от генератора) во вращающуюся антенну. Основное требование к
таким узлам – независимость уровня выходной мощности от угла поворота.
Поэтому в таких сочленениях используют типы волн, структура поля
которых симметрична относительно оси волновода. Волноводное
вращающееся сочленение на основе круглого волновода представлено на
рис. 5.1.
В круглом волноводе может возбуждаться волна типа , имеющая
длину , и волна типа с длиной , причем . Поле волны
несимметрично, поэтому волну
следует отфильтровать при помощи
гасящих колец. С одной стороны круглый волновод на расстоянии
короткозамкнут, а на расстоянии в нем находится круглое
металлическое кольцо 1. С другой стороны круглого волновода размещено
аналогично кольцо 2, за которым прорезаны 4 продольные щели. Эти щели
могут возбуждать коаксиальный резонатор 3, в котором находится
поглощающее кольцо 4. На рис. 5.1 б показана эквивалентная схема
устройства для волны типа , а на рис. 5.1 в – эквивалентная схема для
волны типа . Рассмотрим прохождение волны со входа A на выход B.
Короткозамкнутый отрезок волновода длиной пересчитывается в
короткое замыкание в точках a – a. Металлическое кольцо 1 не оказывает
влияние на волну типа и может быть представлено как параллельное
сопротивление , равное практически бесконечности. Кольцо 2,
характеризуемое сопротивлением , также не мешает прохождению волны
. Продольные щели волной практически не возбуждаются и
характеризующее их влияние последовательно включенное активное
сопротивление r практически равно 0. Таким образом, коэффициент передачи
со входа A на вход B для волны типа должен быть близок к 1.
Рис. 5.1
3
1
E
1
E
2
E
2
E
2
2Гl
21
,
2Гl
4
P
1
P
Проанализируем теперь с помощью эквивалентной схемы рис. 5.1 в
передачу энергии волной . Металлические кольца 1 и 2 для волны этого
типа представляют собой сильно отражающие неоднородности, они
показаны на схеме, как параллельные сопротивления . Создающееся
на расстоянии практически короткое замыкание пересчитывается в
холостой ход в токи a – a. Линия разорвана, и волна типа должна здесь
сильно отражаться. Просочившаяся часть энергии отразится и от сечения
б – б, где кольцо 2 создает режим короткого замыкания. Если какая-то часть
энергии прошла и за кольцо 2, то поперечные токи на стенке волновода
возбудят щели коаксиального резонатора 3 и энергия будет поглощена
кольцом 4. На эквивалентной схеме поглощающему резонатору
соответствует последовательно включенное активное сопротивление r.
Таким образом, коэффициент передачи со входа A на вход B для волны типа
должен быть близок к 0.
5.2. Направленные ответвители
Необходимость в этом устройстве возникает в том случае, если
требуется ответвить часть мощности в некоторую вторичную линию
передачи с целью измерения и контроля. Эквивалентная схема устройства
представлена на рис. 5.2.
Рис. 5.2 Рис. 5.3. Возбуждение
вспомогательной линии
От первого генератора
волна во вспомогательной линии, пройдя отрезок l,
получит запаздывание по фазе . В сечении А волны от генераторов
и
запаздывание
с разностью фаз
складываются в фазе. Обратная волна от генератора
. Поля обратных волн в сечении B будут складываться
т.е.
имеет
.
Ответвители имеют характеристики:
1) переходное ослабление
- мощность прямой волны во вспомогательной линии,
- мощность прямой волны в основной линии,
4
4
1
10lg
P
L дБ
P
4
3
10lg
P
MP
3
P
4
2
2
2) направленность
- мощность обратной волны во вспомогательной линии передач.
Примеры ответвителей
1. Ответвитель щелевого типа (рис. 5.4).
;
;
Рис. 5.4
Первая прямая волна, пройдя отрезок пути, равный
запаздывание по фазе
. Такое же запаздывание получает другая волна (1).
Обратная волна (3) имеет начальное по фазе запаздывание
(4) и (3) оказываются в противофазе и обратной волны нет.
2. Ответвитель Кона (рис. 5.5).
, получит
. Тогда волны
а) б)
Рис. 5.5
5
В отверстии связи имеем для электрического поля вертикальный
электрический вибратор (а). В отверстии связи для магнитного поля имеем
элементарный магнитный вибратор (б).
В отверстии связи во вспомогательной линии передачи имеем два
вибратора – электрический и магнитный, ориентированных перпендикулярно
друг другу. Такой излучатель подобен излучателю Гюйгенса, имеющий
однонаправленное излучение. Во вспомогательном волноводе имеем поле
прямого направления при отсутствии поля обратного направления.
Соотношения между электрическим и магнитным вибраторами регулируется
ориентацией вспомогательного волновода (углом) и величиной отверстия
связи.
Направленные ответвители используются для измерения проходящей
мощности Р
и измерения КБВ в основной линии.
изм
На основе направленных ответвителей создают измерительные
устройства, позволяющие регулировать амплитуду и фазу во
вспомогательной линии передачи, т.е. регулируется развязка в одном из плеч
восьмиполюсника.
5.3. Мостовые устройства СВЧ
Мостовые устройства – это восьмиполюсники, обладающие
следующими свойствами: при возбуждении одного из плеч ВЧ сигнал на
одно из плеч не проходит (свойство развязки). Сигнал на оставшихся двух
входах делится пополам или в заданном соотношении. К мостовым
устройствам относятся: гибридное кольцо, волноводно-щелевой мост,
двойной волноводный тройник (гл. 4).
Гибридное кольцо выполняется на коаксиальных, волноводных,
полосковых линиях передачи. Представим гибридное кольцо на основе
коаксиальной линии (рис. 5.6).
Пусть возбуждается вход 2, а остальные входы нагружены на
согласованные нагрузки.
Рис. 5.6
6
/4
к
W
W
W
W
1
1a
10
H
В кольцевой коаксиальной линии возбуждаются две волны
противоположного направления. Пройдя одинаковый путь, поля этих волн
складываются в сечении а – а, образуя пучность напряжения, что
эквивалентно в этом сечении холостому ходу. Холостой ход через отрезок
пересчитывается в кз. Поэтому сигнал на вход 4 не пройдет, а будет
делиться пополам между входами 1 и 3. Аналогично можно рассмотреть
возбуждение с любого другого входа.
Определим волновое сопротивление кольца
, если известны
волновые сопротивления входов
. Сопротивление
пересчитывается со
входа 1 ко входу 2, как сопротивление . Со входа 3 сопротивление
пересчитывается в сопротивление на вход 2. Эти сопротивления на входе 2
параллельны, так что имеем
.
Аналогично рассматриваются гибридные кольца на волноводных линиях,
входы которых имеют вид (рис. 5.7).
Рис. 5.7
Волноводно-щелевой мост представлен на рисунке 5.8.
Рис. 5.8 Рис. 5.9
На входах моста возбуждается волна основного типа .
7
(волна
)
10
H
1
22
1
1
4крa
20
H
2
22
1
1
2крa
1 1 2 2
12
22
,Г l l Г l l
12
2
12
21
1
4
l
Представим возбуждение моста на входе 1 (рис. 5.9) волной единичной
амплитуды. Это возбуждение представим как результат сложения
синфазного и противофазного возбуждения. Синфазное возбуждение
представлено эпюром (рис. 5.10 а), и противофазное возбуждение – эпюр
(рис. 5.10 б).
Рис. 5.10
В случае (а) в области щели возбуждается волна
. Длина волны в области
щели
.
В случае (б) в области щели возбуждается волна
, длина волны которой
.
Волны этих типов, распространяясь в области щели, получат различное
запаздывание по фазе
.
На входах 3 и 4 поля этих волн складываются с разницей фаз
. Тогда длина щели
.
Сигналы на входах 3 и 4 делятся пополам, и сдвинуты по фазе на .
Сигнал на входе 3 опережает сигнал на входе 4.
Волны, распространяясь в области щели на входах 3 и 4, встречают
неоднородность. В результате появляются отраженные волны. Для их
компенсации (для настройки моста) вводят регулирующий штырь. Можно
регулировать либо переходное ослабление, либо направленность (развязку на
8
3
a
4
a
входе 2 и уровень сигналов на входе 3 и 4). Также можно рассмотреть
возбуждение моста с других входов.
5.4. Применение мостовых устройств СВЧ
Мостовые устройства (восьмиполюсники) используются в качестве
делителей мощности в заданном соотношении, например, как антенные
переключатели, для сложения ВЧ сигналов на общей нагрузке, в качестве
балансных смесителей, фазовых дискриминаторов и т.д.
Пример использования гибридного кольца при работе передатчика и
приемника на одну антенну показан на рисунке 5.11. Входы приёмника и
передатчика развязаны.
Рис. 5.11 Рис. 5.12. Схема балансного
смесителя на основе двойного
волноводного тройника
Рассмотрим работу балансного смесителя на основе двойного
волноводного тройника (рис. 5.12). Используя матрицу рассеяния двойного
волноводного тройника (гл. 4), на входах 1 и 2 можно определить суммарный
и разностный сигнал с амплитудами
и
. В силу нелинейности детекторов
на этих входах возникает спектр частот, включая разные комбинации и .
Из этого спектра выделяется сигнал вида
,
где - промежуточная частота.
Этот сигнал подается на усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Входы 3
и 4 развязаны, что позволяет выбирать рабочий режим изменением мощности
гетеродина.
Балансный переключатель на основе двойного волноводного тройника
представлен на рис. 5.13. Возбуждается вход 3 с амплитудой сигнала а
. В
3
зависимости от положения короткозамыкателей на входах 1 и 2, требуется
определить мощность на входе 4.
9
11
22
33
44
0 0 1 1
0 0 1 1
1
[ ] ; [ ]
1 1 0 0
2
1 1 0 0
ba
ba
SS
ba
ba
1 3 4 3 2 4 3 3
1 1 1 1
( ) , ( )
2 2 2 2
b a a a b a a a
21
22
2 2 1 1
,
jГl jГl
a b e a be
4 1 2
1
()
2
b a a
21
2
2
2
3
22
2
4 4 3 1 2
1
sin ( )
28
jГl jГl
a
P b e e P Гl Гl
2
33
1
2
Pa
Рис. 5.13. Балансный переключатель на основе двойного волноводного
тройника
Используем матрицу рассеяния двойного волноводного тройника в
уравнении [b] = [S]*[a] или в развёрнутом виде
.
Используя перемножение матриц, имеем соотношения,
,
,
,
,
.
Максимальная мощность на входе 4 достигается при положении
короткозамыкателя,
.
Минимальная мощность на входе 4 достигается при
.
6. Частотно-избирательные фильтры СВЧ
Основным назначением фильтров является избирательное пропускание
одних частотных составляющих сложного сигнала и подавление других
частотных составляющих. Фильтры представляют собой пассивные
четырехполюсники, основной характеристикой которых является функция
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]