До лекції 2

2.1.3 Чотириполюсники нвч

Чотириполюсники НВЧ є найпоширенішими елементами хвилевідніх трактів телекомунікаційних систем. До них, у першу чергу, відносяться відрізки регулярних ліній передачі, різні сплетення, вигини, скрутки, атенюатори, фазообертачі та ін. НВЧ елементи.

Матриці [S] і [T] однорідного відрізка лінії передачі довжиною відповідно мають вид:

тобто вони описують тільки набіг фази на довжині .

Хвилевідні зчленування

Для зручності монтажу і ремонту хвилевідній тракт звичайно збирається з окремих секцій (відрізків). Хвилевідні зчленування служать для з'єднання секції з однаковою формою і розмірами поперечного переріза. Вони можуть бути твердими, гнучкими й обертовими.

Тверді зчленування можуть бути контактними і безконтактними.

Контактні зчленування

Контактні зчленування виконуються за допомогою притертих фланців (рис. 2.4.а) чи фланців із бронзовими пружними прокладками (рис. 2.4.б).

а) Рис. 2.4 б)

У першому випадку використовуються плоскі фланці. Надійність контакту залежить від точності обробки фланців. Таке зчленування простої? легеня і не зменшує діапазону частот тракту. Але має істотні недоліки:

1) різке погіршення контакту при численних розбираннях тракту (мала надійність);

2) необхідність точної обробки фланців (складність при масовому виробництві).

Ці недоліки частково усувається при установці між фланцями пружної прокладки (із бронзи) (рис. 2.5). Зчленування з пружною прокладкою конструктивно складніший, чим попереднє, але більш надійний в експлуатації. Недолік контактного зчленування з прокладками - витік енергії через зазори між пелюстками і фланцями, а також трохи більший

Рис. 2.5 рівень втрат у контактах.

Безконтактні зчленування

У цих зчленуваннях використовують один плоский, а інший дросельний фланець. (рис. 2.6). Безпосередній, гальванічний контакт між хвилеводами, що з'єднуються, не обов'язковий.

Е лектричний контакт у крапці А забезпечується за допомогою 2-х чвертьхвильових відрізків АВ і ВР.

У крапці З - опір дорівнює 0, отже, через у крапці У воно дорівнює нескінченності" і ще через у крапці А буде також дорівнює нулю. Рис. 2.6

Відрізок АВ - радіальна лінія, утворена плоскими частинами фланців. Відстань X=0,2-1 мм. Відрізок ВР - коаксіальна лінія, утворена кільцевий проточний дросельного фланця (рис.2.7.а). Для збільшення диапазоності розмір У =(2-5) X . Іноді проточка робиться часткової, тільки в широкої стінки хвилеводу (рис. 2.7.б).Таке зчленування допускає перекіс і не вимагає точної обробки.

Рівень потужності, що просочується через зчленування, 80-60 дБ.

Рис. 2.7

Гнучкі зчленування

Застосовуються в тих випадках, де необхідно забезпечити невеликі переміщення хвилеводів відносно один одного, а також для усунення передачі механічних навантажень (наприклад, вібрації) від однієї частини тракту до іншої.

Розрізняють гнучкі зчленування і нерезонансні і резонансні. До нерезонансного відносяться сітчасті і гофровані тонкостінні хвилеводи рис. (2.8.а)

Середні розміри прозорого перетину гнучкого хвилеводу такі ж як у твердого. Для зменшення

відбитої хвилі розміри гофра й осередків сітки

виробляють багато менше довжини хвилі. Щоб

збільшити механічну міцність і пружність,

гнучкі хвилеводи покривають гумовою

оболонкою. Резонансні гнучкий хвилевід

складається з окремих довжиною λ /4 відрізків

хвилеводів, з'єднаних дросельно-фланцевими

зчленуваннями"(рис.2.8.б). У єдине ціле відрізки

а) Рис. 2.8 б) з'єднуються гумової чи пружному металевою оболонкою. Для зменшення відбиття береться непарне число відрізків. Чим більше число таких відрізків, тим більше переміщення можна одержати.

Обертові зчленування

Застосовуються для передачі ЕМЕ з нерухомої частини тракту в обертову і навпаки. Щоб при обертанні не змінювалися умови поширення хвилі необхідно використовувати хвилі, полючи яких мають осьову симетрію: e^о_О1 , H^о_О1 і Т° у коаксіальній лінії. Хвиля H^о_О1 не використовується, тому що необхідно приймати міри до придушення 4-х типів хвиль H^о_11, e^о₀₁, H^о₂₁, Е^о₁₁, умова поширення, полючи яким виконується.

Найбільше часто застосовуються обертові зчленування., в. яких використовуються круглий хвилевід із хвилею e^о₀₁ (рис.2.9.а,б,г). Т

Рис.2.9

аке зчленування складається з 2-х трансформаторів типів хвиль. Один перетворить основну хвилю прямокутного хвилеводу Н₁₀ у хвилю Е^о₀₁ круглого, а інший e^о₀₁ - H₁₀.

Електричний контакт забезпечується (між рухливою і нерухомою частинами) за допомогою дросельного

зчленування, утвореного двома λ_Х/4 відрізками

коаксіальної лінії. Для розширення діапазону Y

відрізків відрізняється не менш чим у 2 рази.

Діаметр круглого хвилеводу вибирається так, щоб

виконувалася умова поширення хвилі e^о₀₁ і не

поширювалася наступна хвиля вищого типу H^о₂₁. З

г) Рис. 2.9 діаграми типів хвиль випливає, що при цьому

2,06а < λ <2,61a, відкіля а = λ_ср/2,3.

Для узгодження обертового зчленування в круглому хвилеводі встановлюються кільцеві діафрагми, а в прямокутному -індуктивна: діафрагма або штир.

Застосовуються зчленування на коаксіальних лініях із хвилею Т (рис. 2.9.в).

Хвиля H₁₀ у переході ґудзикового типу трансформується в хвилю T, що потім за допомогою пестикового переходу, у хвилю H₁₀. Електричний контакт забезпечується дросельним зчленуванням.

При поганому центруванні внутрішнього провідника з'являється паразитна амплітудна модуляція і знижується електрична міцність.

У коаксіальних обертових зчленуваннях контакт забезпечується за допомогою дросельного зчленування .

Останнім часом знаходять застосування багатоканальні обертові зчленування. На рис. 2.10 приведена конструкція двоканального обертового зчленування. Зчленування представляє комбінацію двох зчленувань: чисто коаксіального і зчленування, зображеного на рис. 2.9 в. Рис. 2.10

Хвилевідні вигини

Для зміни хвилеводу застосовуються спеціальні вигнуті секції, що включаються між прямолінійними ділянками. Хвилевід згинатися як по вузькій стінці ( рис. 2.11) (Н- поворот), так і по широкій (рис. 2.12 ) (Е - поворот). Хвилевідні вигини - це нерегулярності тому їхню конструкцію і розміри потрібно вибирати так ,щоб вони створювали мінімальні відбиття.

Рис. 2.11 Рис. 2.12

Хвильовий опір по напрузі вигнутої ділянки буде відрізнятися, від хвильового опору прямолінійного в ділянки.

Оскільки вхідний опір напівхвильового відрізка хвилеводу дорівнює опору навантаження, те якщо довжину вигину взяти рівної mλх/4,(m=1,2), те поворот виявиться погодженим.

При вигині хвилеводу на 90° довжина L складає чверть окружності, тому радіус вигину визначається по формулі

R=(m/π) λх, де m=1,2,3…

Число m вибирається з урахуванням припустимого радіуса вигину, що визначається ступенем деформації стінок, Величина радіуса береться не менш розміру стінки, у площині якої здійснюється поворот. Ці вигини досить широкополосні (+/- 20%).

Застосовуються також хвилевідні куточки. Причому злам може здійснюватися в Е- чи Н- площини. Величина скосу залежить від. частоти і підбирається експериментально.

Застосовуються також куточки з подвійним зламом (рис. 2.11. а), що забезпечує більш високу широкополосність у порівнянні з куточком з одним зламом. Кутові повороти мають менші габарити в порівнянні з куточком з одним зламом. Кутові повороти мають менше габарити в порівнянні з плавними, але мають меншу широкополосність.

Д

Рис. 2.13

ля повороту площини поляризації використовуються скручені секції (скрутки) (рис.. 2.13)

Вони також є нерегулярними елементами, тому як верб випадку плавного вигину їхня довжина вибирається рівної (mλх)/2 . При повороті на 90° довжина L>>λх. Смуга пропущення скручених ділянок +/-6% при К_c< 1,05.

Хвилевідні поглинаючі навантаження

Це оконечні пристрої хвилевідного тракту, що служать для поглинання ЕМЕ.

Поглинання ЕМЕ відбувається в спеціальному поглинаючому матеріалі (поглиначі) з великими втратами, у якому ЕМЕ перетворюється в теплову. Поглинання навантаження використовується як еквіваленти антен РЕС, у вимірювальній техніці, в окремих пристроях.

Якщо поглинається вся енергія, то навантаження називається погодженим. У реальних погоджених навантаженнях Кс= 1,02 - 1,05 у діапазоні частот (10-15)%.

Розрізняють навантаження малої (до декількох ватів) і великої потужності.

Конструктивно нагрузка –это закороченный на конце отрезок волновода, в котором устанавливается поглотитель с поверхностным или объемным сопротивлением. В первом случае используются диэлектрические пластины (рис.2.14.а), покрытые поглощающим слоем (графитом, распыленным металлом), имеющим сопротивление порядка нескольких сот Ом на 1 см². Пластины устанавливаются параллельно электрическим силовым линиям. Для согласования пластины имеют один или два скоса.

Объемное сопротивление выполняется в виде сплошных клиньев из полижелеза, керографита, асбоцемента и пр. (рис. 2.14. б, в).

Рис. 2.14

Волноводные аттенюаторы

Аттенюаторы (ослабители) служат для регулирования уровня мощности сигнала, проходящего по волноводному тракту ТКС. Они классифицируются:

1. по принципу действия на:

- поглощающие;

- предельные;

2) по степени регулирования на:

- фиксированные (дискретные ступенчатые);

- переменные;

3) по способам регулирования на:

- механически управляемые;

- электрически управляемые.

Основным параметром аттенюатора является ослабление (L = Р_ВХ / Рвых) обычно измеряемое в децибелах.

Принцип действия поглощающих аттенюаторов заключается в уменьшении уровня передаваемой мощности за счет преобразования части ЭМЭ распространяющейся по устройству волны в тепловую.

Конструктивно аттенюатор представляет собой отрезок того или иного волновода с двумя фланцами, внутри которого находится диэлектрическая пластина с поглощающим слоем. Если пластина неподвижна, то аттенюатор является фиксированным. Если подвижна, то переменным.

Поглощающие переменные механически управляемые аттенюаторы

Изменение положения пластины и тем самым регулировка ослабления производится с помощью механического или электрического приводного механизма, находящегося снаружи и связанного со шкалой, отградуированной в dB.

Наибольшее применение получили следующие переменные механически управляемые аттенюаторы:

1. в виде поглощающей пластины в отрезке прямоугольного волновода, расположенной параллельно узким стенкам с возможностью перемещения к центру волновода (рис. 2.15);

Рис. 2.15 Рис. 2.16

2) в виде поглощающей пластины в отрезке прямоугольного (коаксиального) волновода, изменяющей глубину своего погружения в волновод через неизлучающую щель по центру широкой стенки прямоугольного волновода (рис.2.16) (через наружный проводник коаксиального отрезка волновода)- аттенюаторы ножевого типа;

3) в виде поглощающей пластины в отрезке круглого волновода, поворачивающейся вокруг своей оси – поляризационные аттенюаторы (рис.2.17).

Рис.2.17

Рис. 2.18

Для понимания механизма варьирования ослаблением ЭМВ в аттенюаторах первых двух типов необходимо помнить распределение поля основной волны по широкой стенке прямоугольного волновода (см. рис. 2.18.б, на котором примерно показан процесс прохождения волны в отрезке прямоугольного волновода с поглощающей пластиной, расположенной параллельно узким стенкам). Как видно из рисунков 2.16, 2.17 и 2.18 тонкая диэлектрическая пластина, покрытая слоем поглощающего материала (графит, слой металла, толщина которого меньше глубины проникновения, и т. д.) размещена параллельно линиям электрического поля. Под влиянием поля в поглощающем слое возникает ток проводимости, что и приводит к затуханию распространяющейся волны. Поскольку амплитуда вектора Е волны Н₁₀ изменяется вдоль широкой стенки, то перемещая пластину в этом направлении, можно в широких пределах изменять величину вносимого затухания L. Максимальное L получается при расположении пластины в центре широкой стенки, минимальное- вблизи узкой. При этом для уменьшения начального ослабления поглощающий слой наносится на поверхность, ближайшую к боковой стенке.

Для уменьшения отражений концы пластины заостряют. При фиксированном положении пластины величина L зависит от ее длины, параметров диэлектрика и свойств поглощающего материала.

Аттенюаторы ножевого типа (рис.2.16) обладают тем преимуществом, что позволяют

получить нулевое ослабление при полном выведении пластины из волновода. Ослабление

таких аттенюаторов до 30-40 дБ,

Общий недостаток: не могут поглощать большой уровень мощности из-за отсутствия принудительного охлаждения поглотителя. Также к недостаткам можно отнести:

-зависимость L от частоты;

-изменение фазового сдвига, получаемого волной при ее распространении со входа на выход, при изменении вносимого затухания, поскольку перемещение пластины вызывает изменение фазовой скорости распространяющейся волны;

-изменение вносимого затухания со временем из-за старения материалов.

Как видно из рис.2.17 поляризационный аттенюатор состоит из трех волноводных секций. Крайние секции выполнены в виде плавного перехода от прямоугольного волновода к круглому и осуществляют трансформацию структуры поля основной волны прямоугольного волновода Н₁₀ в структуру поля основной волны круглого Н₁₁ и наоборот. Внутри каждой секции установлена поглощающая пластина, причем в крайних секциях посередине сечения и параллельно широким стенкам. Средняя секция, выполненная в виде отрезка круглого волновода, может поворачиваться вместе с поглощающей пластиной вокруг продольной оси.

Принцип действия аттенюатора основан на изменении степени поглощения ЭМВ при изменении угла поглощающей пластины по отношению к структуре поля основной волны во второй и третьей секциях. В первой секции волна Н₁₀ проходит без ослабления, так как ее вектор Е перпендикулярен поглощающей пластине. Если поглощающая пластина в отрезке круглого волновода ориентирована параллельно поглощающим пластинам крайних секций, то аттенюатор практически не ослабляет ЭМВ. При повороте средней секции, когда расположенная в ней поглощающая пластина образует с пластинами крайних секций угол , составляющая поля, параллельная пластине, поглощается, а вторая составляющая , перпендикулярная поглощающей пластине проходит без ослабления в сторону третьей секции, где она оказывается ориентированной под углом к поглощающей пластине третьей секции.

В свою очередь, составляющая Е₂ в третьей секции раскладывается на две составляющие:

-параллельную пластине и

- перпендикулярную ей.

Составляющая поглощается в третьей секции, а на выход аттенюатора проходит

составляющая

Таким образом, затухание, вносимое поляризационным аттенюатором, зависит только от угла поворота поглощающей пластины в средней секции.

Фиксированные аттенюаторы на полосковых линиях

В трактах ТКС на полосковых и микрополосковых линиях обычно применяют дискретные ступенчатые аттенюаторы на сосредоточенных резисторах. Каждая ступень аттенюатора, как правило, имеет вид или Т-(риc.2.19.а) или П-образного (рис.2.19.б) соединения активных сопротивлений, ко входу и выходу которого подключены подводящие полосковые линии с волновым сопротивлением Z_B.

П о известным величинам Z_В, R₁ и R₂ нетрудно найти матрицу сопротивлений или матрицу проводимостей , а по ним – матрицу рассеяния для рассматриваемых эквивалентных схем. Используя

а) найденные элементы матрицы , определяют согласование на входе схемы К_Б =(1- и вносимое схемой затухание Для обеспечения согласования с подводящими линиями (К_Б =1) величины резисторов необходимо подбирать по

б) следующим соотношениям:

Рис. 2.19 -для Т-образной схемы R₁=Z_B/A, R₂=Z_B/B;

- для П-образной схемы R₁=Z_BA, R₂=Z_BB,

где А=(К+1)/(К-1); В=(К² -1)/(2К); К² =10^L/10.

Сосредоточенные резисторы применяют на частотах вплоть до 12…18 ГГц, однако на частотах выше 1…2 ГГц используют специальные конструкции резисторов, называемых ЧИП-резисторами. Их применяют в микрополосковых линиях в составе гибридных интегральных схем. Такой резистор представляет собой весьма малую диэлектрическую пластину, на которую нанесены резистивный слой (поглощающая пленка) и контактные площадки (рис.2.20). Рис. 2.20

Например, один из типичных размеров пластины мм, при этом размер участка с резистивным слоем мм, а контактных площадок- мм. Столь малые размеры и позволяют рассматривать такие элементы в качестве сосредоточенных резисторов на частотах до 12…18 ГГц. Рис. 2.21

На рис.2.21 показана микрополосковая конструкция Т-звена с использованием ЧИП- резисторов.

Используя набор отдельных ступеней с разными вносимыми затуханиями, можно построить дискретный аттенюатор, обеспечивающий ряд фиксированных значений вносимого затухания, отличающихся на постоянную величину , называемую дискретом затухания.

Предельные аттенюаторы

В предельных аттенюаторах не происходит преобразование ЭМЭ в тепловую и поэтому они могут использоваться в волноводных трактах ТКС большой мощности. Для ослабления в них используются свойства запредельного волновода при

Прикладом може бути позамежний атенюатор , що являє собою відрізок позамежного (для робочих довжин хвиль) круглого хвилеводу радіусом R, в обидва торці якого введено петлі чи диски зв’язку, котрі є продовженням центральних провідників коаксіальних ліній (рис.2.2.2).

l

a)

в)

Рис. 2.22. Позамежні атенюатори:

а – на полі типу Е₀₁;

б – на полі типу Н₁₁;

в – на полі типу

1 – вхідний коаксіал;

2 – узгоджувальна шайба;

3 – диск зв’язку хвилі Е₀₁;

б) 4 – позамежний хвилевід;

5 – вихідний коаксіал;

6– узгоджувальний резистор;

7 – петля зв’язку хвилі Н₁₁

Петля збуджує в круглому хвилеводі переважно місцеве поле Н₁₁, диск - місцеве поле Е_01, штирь- місцеве поле Н₁₀. Змінюючи довжину l круглого хвилеводу, одержимо більше чи менше ослаблення атенюатора, тому що амплітуда місцевого поля в круглому хвилеводі зменшується за експоненціальним законом

де

Ослаблення, внесене позамежним атенюатором і відлічуване в децибелах, лінійно залежить від відстані l, тому що

L = 10 lg (E(0)/E(l))² = 8,68al,

і практично не залежить від частоти.

Останнє пояснюється тим, що для l l_кр (а саме такі довжини хвиль є робочими для позамежного атенюатора) a » 2p/l_кр » const. Ця особливість атенюатора істотно полегшує його градуювання. У разі використання хвилі Н₁₁ чи Е₀₁ a відповідно дорівнює u₁₁/R чи a = u₀₁/R. Ослаблення поля в атенюаторі відбувається через відбиття частини потужності назад до генератора, тому для підтримки в лінії режиму, близь-кого до режиму біжучої хвилі, в атенюатор уводять узгоджувальне навантаження з поглинального матеріалу. Тому позамежному атенюатору властиве зазвичай значне початкове ослаблення.

Чаще всего предельные аттенюаторы используются для ответвления части мощности из основного тракта (рис.2.23).

Рис. 2.23