3.6.2 Устройства управления мощностью сигнала

Высокочастотный тракт современных РЛС предназначен для передачи ЭМВ от передатчика к антенне и от антенны к приемнику, а также для управления мощностью, фазой, поляризацией, направлением распространения ЭМВ.

Для решения перечисленных задач в состав СВЧ тракта наряду с НС, включают устройства управления параметрами ЭМВ, в том числе и устройства управления мощностью ЭМВ.

К ним относят:

• устройства деления (суммирования) мощности ЭМВ, например, направленный ответвитель (НО), различные мосты;

• устройства поглощения мощности ЭМВ;

• устройства изменения направления передачи мощности ЭМВ.

Рассмотрим эти устройства.

Устройства деления (суммирования) мощности ЭМВ.

Устройства деления мощности в заданном отношении называют направленными ответвителями (НО).

НО, обеспечивающий деление мощности ЭМВ на две равные части, называют мостом. Мосты могут осуществить деление мощности ЭМВ следующего вида: синфазное; противофазное; квадратурное (т.е. со сдвигом на 90^о).

Синфазный мост представляет собой систему из двух отрезков прямоугольных волноводов, соединенных по узкой стенке под прямым углом (Н-тройник). При подаче мощности в несимметричное плечо Н она делится в боковых плечах на две равные части, причем поля синфазны (рис.3.31,а).

Противофазный мост представляет собой систему из двух прямоугольных волноводов, соединенных по широкой стенке под прямым углом (Е-тройник). В данном случае происходит деление мощности ЭМВ поровну между плечами, причем поля в них противофазны (рис.3.31,б).

Рис.3.31. Основные типы мостов СВЧ

Двойной волноводный тройник (ДВТ) – объединение Е и Н-тройников. Он обладает свойствами обоих типов тройников, часто его называют синфазно-противофазным мостом (рис.3.31,в).

Квадратурный мост предназначен для деления мощности ЭМВ на две равные части с взаимным сдвигом фаз в выходных плечах на 90^о. Примером такого устройства в волноводном исполнении является волноводно-щелевой мост (ВЩМ) (рис.3.32,а).

Рис.3.32. ВЩМ, НО и вентиль.

ВЩМ – устройство, образованное соединением двух отрезков прямоугольного волновода по узкой стенке. Связь между волноводами осуществляется через щель в узкой стенке. Основными свойствами моста являются следующие. Мощность, поступающая в плечо 1 делится пополам между плечами 3 и 4 и не поступает в плечо 2. Фаза волн в плечах 3 и 4 отличается на 90^о.

Направленный ответвитель (НО) представляет собой пару отрезков прямоугольного волновода, соединенных по узкой стенке (иногда по широкой) и связанных через одно или несколько отверстий связи (см.рис.3.32,б,в).

Вентиль – это устройство, обеспечивающее передачу мощности в одном направлении и поглощение - в противоположном. Используют вентили для согласования в приемо-передающих трактах СВЧ (рис.3.32,г,д). В основу работы вентилей положено явление невзаимного резонансного поглощения и смещения поля, возникающие при помещении поперечно-намагниченного феррита в направляющую систему. Получили широкое распространение волноводные и коаксиальные вентили.

Циркулятор предназначен для передачи мощности ЭМВ в строго заданном направлении. Различают фазовые ферритовые циркуляторы (ФФЦ) на основе двух ВЩМ (рис.3.33,а) и Y-циркуляторы (рис.3.33,б). Принцип работы ФФЦ основан на использовании явления невзаимного фазового сдвига ЭМВ, возникающего в феррите, находящемся в поперечном магнитном поле. Физика работы циркуляторов основана на том, что при поступлении ЭМВ (по двум путям) в фазе, происходит сложение этих волн, т.е. в это плечо энергия будет выходить. Наоборот, при поступлении ЭМВ в плечо в противофазе-произойдет их взаимная компенсация, т.е. энергия выходить не будет.

Рис.3.33. Основные типы циркуляторов.

Рассмотрим наиболее распространенный тип циркулятора, так называемый Y-циркулятор. На рис.3.34 показаны Y-циркуляторы в волноводном и полосковом исполнении соответственно.

В центре 120-градусного сечения расположен поперечно намагниченный ферритовый образец (в форме цилиндра, диска и т.п.). Подмагничивающее поле чаще всего создается постоянным магнитами.

Ф

а) б)

Рис.3.34. Y-циркулятор.

Физика работы качественно может быть пояснена следующим образом. При падении на феррит волны, например из плеча 1, он становится, в соответствии с принципом Гюйгенса, источником новых волн, фазовые соотношения между которыми зависят от величины и направления подмагничивающего поля. Последнее можно подобрать так, что пучность результирующего поля будет против плеча 2, а узел – против плеча 3. При изменении направления подмагничивающего поля на противоположное узел и пучность поменяются местами.

Y-циркулятору в полосковом исполнении отдают предпочтение в длинноволновой части дециметрового и метровом диапазонах, где габариты и вес волноводных узлов становится достаточно большим. Полосковые Y-циркуляторы выполняют в основном на симметричных линиях-воздушных и с диэлектрическим заполнением. Типовые Y-циркуляторы обеспечивают развязку между плечами не хуже 20 дБ в полосе до (15...20)% f_o в волноводном и до (20...75)% f_o в полосковом исполнении.

Таким образом, в РЛС в качестве устройств управления мощностью широко используют различные мосты, направленные ответвители, вентили и циркуляторы, которые могут выполняться в волноводном, коаксиальном и полосковом вариантах исполнения.