5. Двухполюсники

90

зистор размещается в экране специальной формы, что обеспечивает согласование с регулярной линией, например, как это показано на рис.5.1,а.

В сантиметровом диапазоне основным конструктивным элементом согласованных нагрузок является короткозамкнутый отрезок линии с большими потерями. Если постоянная распространения в ней

где β и α – фазовая постоянная и коэффициент затухания в линии соотве т-

ственно, то модуль коэффициента отражения, приведенный ко входу z = l , где l – длина отрезка линии с потерями, равен

Отсюда видно, что для уменьшения коэффициента отражения нужно увеличивать произведение αl .

Линию с большими потерями получают путем заполнения линии передачи диэлектриком с поглощающей компонентой (объемные нагрузки) или введением в волновод поглощающих пластин, размещенных вдоль оси волновода в плоскости электрического поля. Для согласования, полученной таким образом линии, с регулярной, используется плавный переход, как это показано, например, на рис.5.1,б-г. Такими же принципами можно воспользоваться и при конструировании согласованных нагрузок для полосковых линий – полосковому резистору придают клинообразную форму (рис.5.1,д). В полосковых узлах СВЧ применяют также навесные нагрузки в виде керамических пластин либо стержней с нанесенным пленочным покрытием. В случае, когда возникают затруднения с созданием замыкания полосковых проводников с экраном, используют четвертьволновые разомкнутые шлейфы с близким к нулю входным сопротивлением.

Согласованные нагрузки низкого уровня мощности, например волноводные для сантиметрового диапазона, имеют КСВ не хуже, чем 1,05–1,06, в полосе частот 20–30%, коаксиальные – 1,05–1,07 в полосе 30–40%. Согласованные нагрузки высокого уровня мощности имеют несколько худшие параметры, поскольку содержат дополнительные элементы для отвода тепла от поглотителя.

5.2. Реактивные нагрузки

Реактивные нагрузки применяются в качестве меры при измерениях, а также в согласующих и управляющих устройствах СВЧ. В качестве реактивных нагрузок обычно используются короткозамкнутые отрезки закрытых линий передачи, иными словами – короткозамкнутые шлейфы (англ. – short-circuit stub). Сопротивление короткозамкнутого шлейфа без учета потерь определяется формулой

91

где W – волновое сопротивление линии; β – постоянная фазы, l – длина шлей-

фа.

Таким образом, сопротивление короткозамкнутого шлейфа является реактивным и может иметь, в зависимости от длины шлейфа и частоты, индуктивный или емкостной характер. Следует пом- x нить, что эквивалентные индуктивность и емкость можно рассматривать только на фиксированной частоте. Сопротивление шлейфа имеет существенно иную частотную зависимость, чем реактивное сопротивление катушки индуктивности (линейная) или конденсатора (гиперболическая). Для примера на рис.5.2 приведена частотная зависимость реактивного сопротивления

x = Im(Z /W ) четвертьволнового короткозамкну-

того шлейфа l = Λ0 / 4 = π c /(2ω0 ), где ω0 – расчетная частота.

Главным параметром реального короткозамкнутого шлейфа является значение КСВ, ко-

торое должно быть как можно большим.

Короткозамкнутые шлейфы фиксированной длины (короткозамыкатели фиксированные) оснащают стандартными разъемами. Коаксиальные и волноводные, например, для миллиметрового диапазона, имеют КСВ не менее 30. Это обусловлено конечной проводимостью короткозамыкателя, а также потерями в разъеме. Также часто, преимущественно в дециметровом и сантиметровом диапазонах, в качестве короткозамкателя используют металлическую посеребренную пластину, которая полностью перекрывает сечение волновода. Необходимо, чтобы она имела хороший контакт с фланцем волновода.

Короткозамкнутые шлейфы регулируемой длины реализуют с помощью металлических короткозамыкающих поршней (англ. – short-circuit plunger), которые перемещаются в отрезках линии передачи. Основным требованием к конструкции поршней является обеспечение малых потерь в контактах. Существенным является также то, чтобы потери не изменялись при перемещении поршня. Преимущественно применяют две типичные конструкции поршней – контактные и дроссельные.

В контактных поршнях для обеспечения электрического контакта поршня со стенками линии передачи используют тонкие пружинящие контактные лепестки. Длину лепестков выбирают равной четверти длины волны в линии, как это показано на рис.5.3,а для поршня на основе прямоугольного волновода с волной H10 . При этом непосредственный контакт со стенками находится в уз-

ле продольной составляющей высокочастотного тока. Здесь буквой А обозначено положение плоскости эффективного короткого замыкания. Основными недостатками контактных поршней являются непостоянство контакта во время

92

перемещения поршня, постепенное изнашивание контактных лепестков и выгорание метала при значительных мощностях.

Zвх A << RK .

Гальванического контакта можно вообще избежать, если обеспечить резкий скачок волнового сопротивления, как например, для коаксиальной линии, которая работает в сантиметровом диапазоне (рис.5.3,в). Коэффициент отражения будет тем больше, чем сильнее отличие волнового сопротивления коаксиальной линии и отрезка А–В линии, образованного поршнем. По этому принципу строят также волноводные поршни миллиметрового диапазона для волны H10 прямоугольного волновода. Конструкции этих поршней имеют цилиндри-

ческую форму с секциями разного диаметра, часть СВЧ мощности, которая проникает за такой поршень, поглощает шайба из материала с большими потерями.

Недостатком дроссельных поршней является зависимость их свойств от длины волны. Обычно дроссельные поршни удовлетворительно работают в полосе частот 20–30% от средней частоты. Волноводные поршни для миллиметрового диапазона, которые работают на волне H10 , имеют КСВ в пределах 20–

30. Поршни для сантиметрового диапазона обеспечивают несколько больший уровень КСВ. На дециметровых и более длинных волнах используют коаксиальные поршни с пружинящими контактами в точках короткого замыкания, поскольку дроссельные поршни оказываются слишком громоздкими. Необходимость в дросселировании отпадает, когда в волноводе распространяется тип волны без продольного тока в стенках. Например, поршень для круглого волновода с волной H01 может иметь форму диска, который не имеет омического

контакта со стенками.