Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ АНТЕННОГО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ.

1.Цель работы

Изучить принципы работы волноводно-щелевых мостов и ферритовых фазовращателей, устройство антенного переключателя, построенного на их основе, а также убедиться в эффективном функционировании. Изучить методику измерения параметров антенного переключателя.

2.Краткие теоретические сведения

В аппаратуре сантиметровых и миллиметровых волн в качестве линий передачи широкое применение находят волноводы прямоугольного сечения с использованием поля основного типа .

Обозначение размеров волновода и структуры электромагнитного поля типа Н₁₀ при бегущей волне приводится на рис.1.

Для поля основного типа Н₁₀ характерно наличие продольной магнитной составляющей () и двух поперечных Е_ и Н_. При этом вдоль оси ОХ укладывается одна полуволна составляющей Н, а вдоль оси ОУ эта составляющая равна нулю. Волны, составляющая Н которых имеют большее число полуволн вдоль оси ОХ или ОУ, именуют волнами высших порядков.

Одним из основных параметров волновода, как известно, является критическая длина волны , которая для волныв волноводе прямоугольного сечения определяется простой формулой

, (1)

где а - размер широкой стенки волновода.

Рис.1. Структура электромагнитного поля в прямоугольном волноводе

Рабочий диапазон длин волн ограничивается неравенством . Максимальная длина волны должна быть меньше критической примерно на 10%. При большем значении длины волны сильно возрастает коэффициент затухания. Минимальная длина волны должна быть примерно на 1% больше, чем размер а. При меньших значениях длины волны возникает более высокий тип колебаний, для которого.

Коэффициент затухания для волновода прямоугольного сечения с воздушным заполнением при колебанияхможно определить по формуле:

, (дБ/м) (2)

где и- размеры широкой и узкой стенкой волновода, см.;

- удельная проводимость материала внутренней поверхности волновода, См/м.

Для учёта влияния шероховатостей поверхности и некоторых потерь в стенках значения коэффициента затухания, рассчитанного по формуле (2), следует увеличивать в 1,2.....1,3 раза.

Характер частотной зависимости коэффициента затухания объясняется следующим образом. При соотношении коэффициент неограниченно возрастает из-за того, что распространение волн в волноводе вообще невозможно. При частотная зависимостьопределяется действием двух противоположных факторов. С одной стороны, уменьшение длины волны сопровождается уменьшением числа отражений от стенок и, следовательно, ведёт к уменьшению коэффициента затухания. С другой стороны, влияние поверхностного эффекта способствует увеличению коэффициента затухания. Совместное действие этих двух факторов приводит к появлению минимума затухания в диапазоне длин волн. Примерный характер этой зависимости иллюстрирует рис. 2.

В конструкциях антенных переключателей широкое применение находят волноводно-щелевые мосты и направленные ферритовые фазовращатели.

Волноводно-щелевой мост (рис. 3) состоит их 4-х плеч 1,2,3,4 и щели 5.

Плечи образованы двумя прямоугольными волноводами. Одна из узких стенок является общей для обоих волноводов. В этой стенке на всю её высоту прорезана щель 5.

Рис.2. Частотная зависимость коэффициента затухания прямоугольного медного волновода

Рис. 3. Волноводно-щелевой мост

Принцип действия волноводно-щелевого моста поясним на схеме (рис. 4). Входным плечом моста является плечо 1, по которому распространяется волна типа . Волна, двигаясь через это плечо, попадает в область щели, где поперечный размерпримерно в два раза больше ширины волновода плеча 1.

Рис.4. Схема волноводно-щелевого моста

По этой причине здесь наряду с волной возбуждается также волна Н₂₀. При этом оба типа волн в начале щели (сечение А-А’) у плеча 1 совпадают по фазе, а у плеча 2 сдвинуты по фазе на 180°. Амплитуда результирующего электрического поля на входе плеча 2 равна нулю, и энергия в него не поступает. На рис. 5 показаны эпюры распределения напряжённости электрического поля в сечении А-А’ (на выходе плеча 1 и на входе плеча 2), а также сечении Б-Б’ (на входах плеч 3 и 4).

Фазовые скорости распространения волн и Н₂₀ отличаются друг от друга и определяются выражениями

. (3)

Рис. 5. Векторные диаграммы напряжённости электрического поля

в сечениях А-А’ и Б-Б’ волноводно-щелевого моста

Поэтому в процессе распространения волн, между ними возникает фазовый сдвиг, который будет нарастать по мере удаления от сечения А-А’.

Можно так подобрать длину щели l, что на ней будет укладываться ₂₀/2 и 3₁₀/4 длин волн типа и Н₁₀ . Тогда вектор напряженности электрического поля волны на входе в плечо 3 (сечение Б-Б’) оказывается сдвинутым по фазе на 180° относительно вектора напряжённости электрического поля этой волны на выходе плеча 1 (сечение А-А’). Для волны Н₁₀ фазовый сдвиг векторов напряжённости электрического поля в этих же сечениях составит 270°. Это приводит к тому, что амплитуды волн Н₂₀ и Н₁₀ на входе каждого из плеч 3 и 4 сдвинуты друг относительно друга на один и тот же угол 90°. На рис.5 показаны векторные диаграммы напряжённости электрического поля волн Н₂₀ и Н₁₀ на входе и выходе волноводно-щелевого моста. При этом нижние индексы каждого вектора Н обозначают тип волны Н, которой соответствует этот вектор. Верхний индекс определяет номер плеча, для которого изображён этот вектор. Стрелки с числом градусов у острия показывают угол поворота вектора по мере распространения волны вдоль моста. Из этого рисунка видно, что амплитуды результирующих магнитных полей на входах плеч 3 и 4 оказываются равными. Это означает, что мощность энергии, поступающей в щелевой мост через плечо 1, делится поровну между плечами 3 и 4.

Вместе с тем отметим, что результирующее поле в плече 4 сдвинуто по фазе относительно результирующего поля в плече 3 на 90°.

Другим важным элементом антенного переключателя является направленный ферритовый фазовращатель. Он представляет собой отрезок прямоугольного волновода, параллельно узкой стенке которого (плоскости Е) установлена тонкая ферритовая пластина (рис. 6.). Эта пластина подмагничивается постоянным магнитным полем Н₀.

Рис.6. Направленный ферритовый фазовращатель

Предположим, что вдоль волновода распространяется волна типа Н₁₀ и будем считать, что тонкая ферритовая пластина не вызывает существенного изменения картины электромагнитного поля волны типа Н₁₀.

Из теории волноводов известно, что магнитное поле волны, бегущей вдоль волновода, является полем вращающейся поляризации.

В любой точке (за исключением средней линии волновода и его боковых стенок) напряжённость магнитного поля имеет две взаимно перпендикулярные составляющие Н_x и Н_z, сдвинутые по фазе на /2 и, следовательно, представляет собой поле эллиптической поляризации на некотором расстоянии от боковых стенок, приблизительно равном ширины волновода, составляющие Н_x и Н_z равны по модулю и создают магнитное поле, вращающееся по кругу. Направление вращения поляризации зависит от направления движения волны, и от того, с какой стороны от средней линии волновода находится рассматриваемая точка.

Если волна движется в направлении , и мы смотрим на точку, расположенную ближе к правой узкой стенке сверху вниз, т.е. вдоль положительного направления, тогда магнитное поле будет полем правого направления вращения. Если волна будет двигаться в противоположном направлении, то магнитное поле из той точки наблюдения будет видно как поле левого вращения.

При постоянном магнитном поле , направленном, как показано на рис.6, оси вращения электронов в феррите ориентируются вдоль, т.е. перпендикулярно плоскости, в которой лежат силовые линии переменного магнитного поля. Для волны правого направления вращения магнитная проницаемостьбудет меньше, чем магнитная проницаемостьдля волны левого направления вращения.

Фазовый коэффициент для волны, распространяющейся в направлении, будет меньше, чем фазовый коэффициентдля волны, распространяющейся в противоположном направлении. Следовательно, сдвиг фаз волны, распространяющейся в направлениивдоль ферритовой пластинки длинойl, равный l, будет меньше, чем соответствующий сдвиг фаз l волны, распространяющейся в противоположном направлении.