Пименов Ю.В., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика, 2000

тех пор, пока не достигаются с заданной точностью требуемые характеристики. Затем ЭВМ составляет и оформляет конструкторскую документацию. Как показывает практика, режим диалога позволяет активно использовать опыт и интуицию разработчика, что существенно упрощает вычислительные программы и ускоряет поиск оптимальной конструкции устройства. Более подробно ознакомиться с САПР устройств СВЧ можно в

[43-45].

321

Глава 13 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ТЕХНИКИ СВЧ

13.1. СОЧЛЕНЕНИЕ ОТРЕЗКОВ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Тракты СВЧ состоят из ряда элементов, соединенных друг с другом. Для упрощения ремонта и транспортировки их обычно делают разборными. Любое нарушение целостности тракта эквивалентно введению неоднородности. Поэтому даже едва заметный зазор между сочленяемыми отрезками линий передачи либо небольшое смещение их друг относительно друга вызывают отражения в тракте и дополнительные тепловые потери. Излучение через зазор части энергии электромагнитной волны, распространяющейся по тракту, может, кроме того, привести к паразитным связям между его элементами. К сочленениям (разъемам) предъявляется ряд требований: сохранение согласования в тракте и его электрической прочности, внесение минимального ослабления в передаваемую мощность, отсутствие паразитного излучения и др. Для этого, как правило, в плоскости контакта сочленяемых отрезков линии передачи нужно обеспечить малое сопротивление для продольных токов. На практике применяют разъемы двух типов:

контактные и дроссельные.

При контактном сочленении волноводов к концам соединяемых отрезков припаиваются плоские фланцы. На рис. 13.1 показано контактное сочленение прямоугольных волноводов с одинаковыми размерами поперечных сечений. Качество электрического контакта в месте сочленения зависит в основном от тщательности механической обработки, параллельности и чистоты контактирующих поверхностей. Чтобы уменьшить тепловые потери и потери на

излучение между фланцами 1 вводят тонкую бронзовую прокладку 2 с пружинящими лепестками. Защита сочленения от пыли и влаги, проникающих из окружающего пространства, осуществляется с помощью резиновых уплотнительных колец 3, уложенных в специальные канавки на фланцах. Герметизация волновода позволяет поддерживать в нем повышенное давление газа, если требуется увеличить предельную мощность волновода. Коэффициент отражения от хорошо выполненного контактного сочленения обычно не превышает 0,001 при потерях менее 0,01 дБ во всей рабочей полосе частот волновода. Поэтому контактные сочленения применяют в особо точной измерительной аппаратуре, в широкополосных системах связи (спутниковых, радиорелейных). Недостатками контактного сочленения являются относительно высокая стоимость из-за жестких требований, которые приходится предъявлять к точности изготовления, а также ухудшение качества контакта при многократных сборках и разборках вследствие окисления металла в месте контакта.

В коаксиальных линиях конструкция контактного сочленения несколько усложняется, так как требуется одновременно обеспечить хороший контакт как центральных, так и внешних проводников соединяемых отрезков. Сведения о таких разъемах приведены в

[33].

Если требования к качеству согласования, уровню потерь и широкополосности не столь жестки, целесообразно использовать дроссельное сочленение.

322

Дроссельное сочленение прямоугольных волноводов (рис. 13.2) образуется двумя различными по конструкции фланцами: обычным контактным 1 и дроссельным 2 с кольцевой канавкой 3. Между частью торцевой поверхности фланцев (от волновода до канавки) оставлен зазор 4, через который поле из волновода проникает в канавку 3. Структура силовых линий электрического поля в дроссельном сочленении при распространении основной волны во волноводу показана на рис. 13.2. При этом кольцевую канавку 3 можно рассматривать как отрезок короткозамкнутой коаксиальной линии, в котором устанавливается стоячая волна типа Н11 с длиной волны

радиусы

кольцевой канавки (см. рис. 13.2). Зазор между фланцами (от области механического контакта В до соединяемых волноводов) представляет собой отрезок радиальной линии [39], длина волны низшего типа в которой равна λ. Эквивалентная схема дроссельного сочленения показана на рис.13.3, где RK-сопротивление механического контакта в области В. Если на средней частоте рабочего диапазона выбрать глубину канавки l2 равной Λ/4, а длину зазора до канавки l2 равной λ/4, то образуются два четвертьволновых трансформатора. При этом сопротивление зазора между соединяемыми волноводами будет равно нулю при любых значениях RK, поскольку последовательно с ним включено бесконечно большое входное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового отрезка коаксиальной линии.

Поэтому такое сочленение не критично к качеству механического контакта и небольшим перекосам фланцев.

Очевидным недостатком дроссельного сочленения является зависимость его параметров от частоты, так как сопротивление зазора между соединяемыми волноводами равно нулю только на средней частоте. Коэффициент отражения от тщательно изготовленного

323

дроссельного сочленения обычно не превышает 0,02 в полосе ±15 % от центральной частоты рабочего диапазона. Аналогично строятся дроссельные сочленения для соединения отрезков круглого волновода или коаксиальной линии.

13.2. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

Для возбуждения волн в линиях передачи используют специальные элементы, называемые возбуждающими устройствами, а для вывода энергии из линии применяют

устройства связи с внешними нагрузками. Отметим, что в качестве возбуждающих устройств и устройств связи с. внешними нагрузками в технике СВЧ используют одни и те же элементы. Это следует из теоремы взаимности, рассмотренной в гл.5 для случая двух излучателей, расположенных в изотропной среде. Эту теорему можно распространить на линии передачи с устройствами ввода и вывода энергии при условии, что и линия, и эти устройства не содержат анизотропных (невзаимных) элементов.

На практике для ввода или вывода энергии из волновода используют достаточно малые элементы, содержащие или электрический (рис. 13.4, а)

или магнитный в виде малой рамки (рис. 13.4, б) вибратор. Обычно такие вибраторы конструктивно объединяются с коаксиальной линией, используемой или для подвода энергии к вибратору, или для отвода энергии, принимаемой вибратором. В тех случаях, когда две линии передачи имеют общую металлическую стенку (см. рис.13.13), передать часть мощности из одной линии в другую можно с помощью отверстия, прорезанного в общей стенке.

Электрический вибратор (рис. 13.4, а) будет принимать энергию электромагнитного поля из волновода и передавать ее в коаксиальную линию, если электромагнитная волна, распространяющаяся в волноводе, будет вызывать в нем ток. Для получения наибольшего тока вибратор следует поместить в пучность электрического поля волны в волноводе параллельно линиям вектора Е. Аналогично наибольшая связь рамки (рис. 13.4, б) с полем волны в волноводе будет в случае наведения в ней полем волны максимальной ЭДС. Для этого рамку помещают в пучность магнитного поля волны в волноводе так, чтобы ее плоскость была перпендикулярна вектору В. Очевидно, при возбуждении волн в линии следует помещать электрический вибратор с током в пучность электрического поля параллельно линиям вектора Е возбуждаемой волны, а рамку с током- в пучность магнитного поля, располагая ее плоскость перпендикулярно вектору В. Используя эти правила и зная структуру поля возбуждаемой волны или волны, распространяющейся по волноводу, несложно построить конструкцию возбуждающего устройства или устройства связи волновода с внешней нагрузкой.

Возбуждение с помощью электрического вибратора. Конструкция устройства для возбуждения волны Ню в прямоугольном волноводе показана на рис. 13.5, где внешний

324

проводник коаксиальной линии соединен со стенкой волновода. Строгое электродинамическое решение задачи о возбуждении волн в волноводе

весьма громоздко (см., например, [14]) и здесь не приводится. Пусть по коаксиальной линии распространяется TЕМ-волна, переносящая энергию сигнала от генератора. Эта волна вызывает ток в электрическом вибраторе, вследствие чего в волноводе возбуждается электромагнитное поле. Примерная структура электрических силовых линий поля вблизи вибратора показана на рис.13.5. Возбуждаемое в волноводе поле можно представить в виде суперпозиции волн типов Е и Н. При расположении вибратора в середине широкой стенки в волноводе будут возбуждаться только те волны, у которых в середине поперечного сечения при х=а/2 находится пучность электрического поля, т.е. волны H10, Н30, Н11, Е11 и т.д., и не будут возбуждаться волны с четным первым индексом {Н2о, Н41, E21 и т.д.). Если выбрать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы, то по волноводу сможет распространяться только волна Н10, поля всех остальных воли будут реактивными: они сосредоточены вблизи вибратора и на некотором расстоянии от него пренебрежимо малы. Поэтому вибратор возбуждает в волноводе две волны Н10, бегущие в разные стороны, причем на одинаковом расстоянии от вибратора амплитуды и фазы векторов Е этих волн будут одинаковыми. Чтобы вся энергия, поступающая в волновод, направлялась в одну сторону, на некотором расстоянии l от вибратора осуществляют режим короткого замыкания (рис.13.5). При этом в волноводе справа от вибратора будут распространяться две волны Н10 с одинаковыми амплитудами векторов Е, а сдвиг по фазе этих векторов зависит от величины l. Величину l подбирают так, чтобы сдвиг по фазе векторов Е волн в любом сечении, правее вибратора, был кратен 2π. Требуемое фазовое соотношение можно записать в виде 2βl+π=2πп, где n= 1,2,...; β=2π/Λ. При записи этого соотношения учтено, что при падении плоской волны на идеальную металлическую поверхность фаза вектора Е отраженной волны изменяется на п по отношению к фазе вектора Е падающей волны. Поэтому l=(2п-1)Λ/4. Обычно выбирают. n=1, для которого l=lmin=Λ/4. Отметим, что если выбрать l кратным Λ/2, то сдвиг по фазе между векторами Е волн справа от вибратора будет равен нечетному числу π. Вследствие этого волны гасят друг друга и энергия из коаксиальной линии в волновод не поступает, она полностью отражается от возбуждающего устройства, т.е. в коаксиальной линии устанавливается стоячая волна. Наличие зазора между вибратором и широкой стенкой волновода (см. рис.13.5), где концентрируется электрическое поле, снижает электрическую прочность возбудителя. Поэтому, как правило, длину вибратора делают равной высоте волновода. Отметим, что место соединения коаксиальной линии с волноводом представляет собой неоднородность и приводит к появлению отраженной волны в коаксиальной линии. Для компенсации этой отраженной

325

волны расстояние l делают несколько отличающимся от Λ/4. Как показывает анализ [14], увеличение диаметра вибратора позволяет уменьшить частотную зависимость активной составляющей входного сопротивления в месте соединения коаксиальной линии с волноводом и снизить величину его реактивной составляющей. Это способствует широкополосному согласованию возбудителя с коаксиальной линией. Наибольшую электрическую прочность и наибольшую полосу согласования удается получить при использовании возбудителя пуговичного типа (рис. 13.6), где для расширения полосы согласования применен изменяющийся диаметр вибратора и дополнительный согласующий элементиндуктивная диафрагма.

В тех случаях, когда в качестве рабочего типа волны в волноводе применяется один из высших типов волн, для подавления более низших типов волн в таком волноводе используют специальные устройства -так называемые фильтры типов волн. Обычно для подавления нежелательного типа волны в плоскости поперечного сечения волновода размещают один или несколько тонких металлических проводников, параллельных линиям электрического поля подавляемой волны (рис. 13.7). Энергия, переносимая по волноводу нежелательной волной, отражается от проводников обратно. Как правило, подобные фильтры включают в конструкцию возбуждающего устройства. На рис. 13.8 показано устройство для возбуждения волны Н2о в прямоугольном волноводе. Используются два электрических вибратора, введенные в места, где должны находиться пучности электрического поля волны Н2о. Длины отрезков коаксиальной линии от точки разветвления до точек соединения с вибраторами выбирают отличающимися на λ/2. В этом случае, при распространении волны по коаксиальной линии, токи в вибраторах будут иметь одинаковые амплитуды, а их фазы будут отличаться на π. При этом в волноводе будут эффективно возбуждаться волны Н2о, Я40,... и затруднено возбуждение волн с нечетным первым индексом Н10, Н3о..... Выбором размеров волновода

326

создают предельный режим для всех волн, кроме Н20 и Н10. Металлическая пластина, помещенная посередине волновода параллельно его узким стенкам, предотвращает распространение нежелательной в данном случае волны Н10. На расстоянии l=Λ/4(Λ- длина волны Н2о в волноводе) помещают металлическую пластину, обеспечивающую режим короткого замыкания на конце волновода. На рис. 13.9 показана конструкция возбуждения волны Н11, а на рис.13.10-волны Е01 в круглом волноводе. В конструкции рис. 13.9 перпендикулярно оси волновода на расстоянии l=Λ/4(Λ-длина волны Н11 в круглом волноводе) от вибратора устанавливается металлическая пластина.

Возбуждение с помощью малой рамки. Одна из возможных схем возбуждения волны Ню в прямоугольном волноводе показана на рис.13.11. Малая рамка (рис. 13.4, б), радиус которой много меньше длины волны, вводится в середине широкой стенки так, что ее плоскость параллельна узким стенкам волновода. При распространении ТЕМ-волны по коаксиальной линии в рамке протекает ток. Примерная картина магнитных силовых линий, возникающих при этом в волноводе, показана на рис.13.11. Если выбрать поперечные размеры волновода из условия одноволнового режима работы, то рамка будет создавать в волноводе две волны Ню, бегущие в разные стороны. При этом на одинаковом расстоянии от рамки векторы Н этих волн будут иметь одинаковые амплитуды и фазы, а векторы Е будут иметь одинаковые амплитуды, а их фазы будут отличаться на π. Чтобы энергия, поступающая в волновод, направлялась в одну сторону, в волноводе на

расстоянии l=nΛ/2(n=1,2,3,...) от рамки устанавливают перпендикулярно его оси металлическую пластину. Обычно выбирают l = lтiп=Λ/2.

На рис. 13.12 показана еще одна схема возбуждения волны Н10: рамка вводится через узкую стенку, а ее плоскость совпадает с плоскостью поперечного сечения. Там же показана примерная картина силовых линий магнитного поля, возникающего вблизи

327

рамки при протекании по ней электрического тока. В этом случае векторы Е волн Н10, распространяющихся в разные стороны от рамки, на одинаковом расстоянии от нее будут иметь равные амплитуды и фазы. Поэтому обычно величина l выбирается равной lmin

=Λ/4.

Возбуждение с помощью отверстия связи. При конструировании ряда волноводных устройств для обеспечения связи между двумя волноводами используют малые (диаметр значительно меньше длины волны) отверстия в их общей стенке. Такие отверстия незначительно нарушают структуру поля распространяющейся по волноводу волны. В первом приближении можно считать, что через малое отверстие в стенке волновода ответвляется нормальная к плоскости отверстия составляющая электрического поля и касательная - магнитного поля, существующих в волноводе. На рис. 13.13 показана связь двух прямоугольных волноводов, работающих в одноволновом режиме, через отверстие в общей узкой стенке, вблизи которой существует лишь продольная составляющая магнитного поля волны Н10. Сопоставление рис. 13.12 и рис. 13.13 показывает весьма значительное сходство между структурами ответвляющегося магнитного поля и магнитного поля, создаваемого рамкой. Поэтому возбуждение через отверстие (см. рис. 13.13) эквивалентно возбуждению с помощью рамки (см. рис.13.12). В общем случае, когда через отверстие ответвляются как электрические, так и магнитные силовые линии (например, отверстие прорезано в общей широкой стенке волноводов), возбуждение через отверстие эквивалентно одновременному возбуждению электрическим излучателем и рамкой.

13.3. ТРАНСФОРМАТОРЫ ТИПОВ ВОЛН. ВРАЩАЮЩИЕСЯ СОЧЛЕНЕНИЯ

В трактах СВЧ могут использоваться отрезки линий передачи разного типа. Поэтому весьма распространенными узлами трактов являются трансформаторы типов волн, иногда называемые переходами с одной линии передачи на другую. Такие устройства, располагающиеся между соединяемыми линиями разных типов или между линиями одного типа, имеющими разные размеры поперечного сечения, должны эффективно преобразовывать волну одного типа в волну другого типа или волну одного типа в волну того же типа, но с другими параметрами. Эти устройства должны обеспечить допустимое согласование с подключаемыми линиями в требуемой полосе частот, высокий КПД и необходимую электрическую прочность. Поэтому подобные двухплечные устройства могут быть представлены эквивалентным взаимным четырехполюсником. В идеальном случае это согласованный четырехполюсник, описываемый матрицей ||S|| (12.43) при N=2, где S11= S22 = 0 и S12 = S21=exp(-iφ). Фазовый сдвиг φ возникающий между волнами на входе и выходе трансформатора, зависит от выбора плоскостей отсчета фаз в его входном и выходном плечах. Подобные переходы (многоступенчатые и плавные) между линиями одного типа, работающими на основном типе волны, но имеющими разные размеры поперечного сечения, рассматривались в гл.12. Отметим, что описанные ранее устройства (см. рис. 13.5-13.12) представляют собой трансформаторы ТЕМ-волны, распространяющейся в коаксиальной линии, в одну из волн прямоугольного или круглого волновода.

Иногда такие устройства называют коаксиально-волноводными переходами.

328

Если прямоугольный и круглый волновод работают в одноволновом режиме на низшем типе волны, то для перехода от одного волновода к другому чаще всего используют плавный переход с постепенной деформацией формы поперечного сечения от прямоугольной к круглой (см. рис.13.14). При длине такого перехода l>Λ, волны высшего типа практически не возбуждаются и волна Н10 плавно трансформируется в волну Н11. При этом полоса согласования перехода получается весьма широкой (см. гл.12).

Переходы между коаксиальной линией и полосковыми линиями (СПЛ или МПЛ), работающими на низшем типе волны, как правило, строятся по схемам, изображенным на рис. 13.15 и 13.16 и называемым соосной (см. рис. 13.15) или перпендикулярной (см. рис. 13.16). Обозначения поперечных размеров СПЛ (см. рис. 13.15) и МПЛ (рис.13.16) те же, что и на рис.10.39 и 10.45 соответственно. Волновые сопротивления сочленяемых линий делают одинаковыми. Внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной линии обычно выбирают равным b при переходе на СПЛ (рис. 13.15) или 2Л при переходе на МПЛ (рис. 13.16). Для расширения полосы согласования соосной конструкции (рис. 13.15) используют плавный переход от внутреннего проводника коаксиальной линии к полоске СПЛ. Согласование перпендикулярной конструкции (рис.13.16) обеспечивается подбором металлического стержня 2R1 вводимого в МПЛ, диаметра отверстия D в экране МПЛ, а также подбором длины согласующего шлейфа lшл, разомкнутого на конце.

Вращающиеся сочленения необходимы в тех случаях, когда энергия электромагнитных волн передается от неподвижного передатчика к антенне, вращающейся в горизонтальной или вертикальной плоскости. Эти сочленения следует выполнять так, чтобы уровень мощности, поступающий в антенну, не зависел от ее углового положения. Для этого в конструкции таких сочленений используют линии передачи, энергию по которым переносят волны со структурой поля, обладающей осевой симметрией. Этому требованию

329

удовлетворяют коаксиальная линия с ТЕМ-волной, круглый волновод с волной Н11, имеющей круговую поляризацию электрического поля. Одна из возможных конструкций вращающегося сочленения схематически изображена на рис. 13.17. Мощность, переносимая волной Н10 по прямоугольному волноводу, через коаксиально-волноводный переход поступает в коаксиальную линию. Центральный проводник коаксиальной линии поддерживается с помощью двух Т-изоляторов, представляющих собой четвертьволновые короткозамкнутые коаксиальные шлейфы, включенные параллельно основной линии. Входное сопротивление шлейфов значительно больше волнового сопротивления основной коаксиальной линии, поэтому Т-изоляторы слабо влияют на передачу энергии по коаксиальной линии при условии, что устройство работает в сравнительно узкой полосе частот. Через второй коаксиально-волноводный переход мощность из коаксиальной линии поступает в прямоугольный волновод на выход вращающегося сочленения. Между подвижной частью 2 (рис. 13.17) и неподвижной 1 включено дроссельное сочленение, благодаря чему сохраняется хороший электрический контакт между вращающейся и неподвижной частями устройства даже при наличии небольшого зазора в сечении АА (рис. 13.17). Аналогично строятся вращающие сочленения с использованием круглого волновода.

13.4. УСТРОЙСТВА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАВАЕМОЙ МОЩНОСТЬЮ 13.4.1. Аттенюаторы

В процессе настройки и измерения параметров различных устройств возникает необходимость в регулировке уровня мощности, передаваемой по тракту, либо в развязывающих устройствах, ослабляющих реакцию нагрузки на генератор. Устройства, выполняющие подобные функции, называют аттенюаторами (ослабителями). Такие устройства, имеющие, как правило, два плеча, характеризуются вносимым затуханием

Нзат=1Оlg(Рвх/РВых), где Рвх и РВыхмощности на входе и выходе аттенюатора соответственно. В регулируемых аттенюаторах Nзат может меняться плавно или принимать ряд

дискретных значений (плавные или дискретные аттенюаторы). При конструировании реальных аттенюаторов обычно требуют, чтобы затухание Nзат в рабочей полосе частот оставалось постоянным, обеспечивалось требуемое согласование аттенюатора с подводящими линиями передачи, а фазовый сдвиг φ, получаемый волной при прохождении через аттенюатор, был пропорционален частоте. Поэтому подобные двухплечные устройства могут быть представлены эквивалентным взаимным четырехполюсником, описываемым матрицей || S || (12.43) при N=2. В идеальном случае это согласованный четырехполкх> ник, элементы матрицы ||S|| которого равны S11=S22=0,

S12 = S21

В волноводных трактах обычно используют два типа аттенюаторов: поглощающие и предельные. В поглощающих часть входной мощности рассеивается внутри аттенюатора, а оставшаяся часть поступает на его выход. На рис. 13.18 схематично показана одна из возможных конструкций поглощающего аттенюатора. Она состоит из отрезка прямоугольного волновода, работающего в одноволновом режиме, в который помещается параллельно линиям электрического поля тонкая диэлектрическая пластина, покрытая слоем поглощающего материала (графит,слой металла, толщина которого меньше глубины проникновения, и т.д.). Для

330