Коаксиальные согласованные нагрузки

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

В коаксиальном тракте простейшей согласованной нагрузкой является сосредоточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии. Однако хорошее согласование в этом случае осуществляется, если размер резистора во много раз меньше длины волны. Но на сантиметровых волнах размеры резистора становятся соизмеримыми с длиной волны, что приводит к ухудшению качества согласования и зависимости его от частоты. Для снижения коэффициента отражения и расширения рабочей полосы частот коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона часто выполняются в виде отрезков нерегулярной линии передачи с потерями. Поглощающие элементы в таких нагрузках могут быть объемными или в виде тонких поглощающих пленок. На рис. 26а показана нагрузка с объемным поглощающим элементом в виде конуса. Хорошее качество согласования в этой конструкции достигается при длине поглощающего элемента l ≥ λ.

Более распространены коаксиальные нагрузки с поглощающими элементами в виде керамических цилиндров, покрытых металлооксидными или углеродистыми проводящими пленками. Толщина пленки выбирается малой по сравнению с глубиной проникновения поля, поэтому поверхностное сопротивление пленки почти не зависит от частоты. Чтобы входное сопротивление коаксиальных нагрузок с цилиндрическими поглощающими элементами были чисто активными и почти не менялись в нужной полосе частот, такие нагрузки снабжают нерегулярными металлическими экранами со специально подобранными профилями и размерами.

Рисунок 26– Коаксиальные согласованные нагрузки

На (рис. 26б) показана коаксиальная нагрузка с экраном ступенчатой формы. Оптимальное качество согласования имеет место в диапазоне длин волн λ ≥ 6l. Длина уступа внешнего проводника должна быть несколько меньше длины пленочного поглотителя.

Наиболее широкополосные коаксиальные нагрузки имеют внешний экран воронкообразной формы (рис. 26в).

7. Реактивные нагрузки [2, 3]

Реактивные нагрузки, применяемые в качестве мер при измерениях на СВЧ, а также в согласующих и управляющих устройствах, должны обладать стабильным нормированным входным сопротивлением, номинал которого может быть рассчитан по геометрическим размерам.

Наибольшее распространение получили короткозамкнутые шлейфы, выполняемые в виде отрезков линий передачи (волноводной, коаксиальной) с короткозамкнутыми поршнями, регулирующими их длину.

Основным параметром реального шлейфа является значение входного КСВ, которое должно быть как можно более высоким. В нерегулируемых коаксиальных или волноводных шлейфах с неподвижным запаянным поршнем КСВ может достигать 500 и более. В регулируемых шлейфах с подвижными поршнями значения КСВ из-за дополнительных потерь в контактах оказываются ниже, однако, как правило, они превышают 100. Холостой ход в шлейфах, т. е. размыкание выхода, может быть реализован только в закрытых многопроводных линиях, когда устранено излучение.

Возможные конструктивные решения подвижных короткозамыкающих поршней для прямоугольных волноводов показаны на рис. 27 для продольных сечений, параллельных узкой стенке волновода. В первой конструкции (рис. 27а) разрезные пружинные контакты А вынесены от закорачивающей стенки В внутрь волновода на расстояние λ _в/4. Поэтому контакты оказываются в сечении волновода с нулевыми значениями продольного тока на стенках и не идеальность контактов не приводит к потерям мощности.

Во второй конструкции поршня (рис. 27б) контакты А включены в волновод через два трансформирующих отрезка линии передачи с низкими нормированными волновыми сопротивлениями z_в1 и z_в2. Предполагая, что активное сопротивление контактов в точке А равно r_A и, применяя дважды формулу пересчета сопротивления через четвертьволновый трансформатор, можно найти входное сопротивление в точках В: r_В= r_A(z_в1/ z_в2)². При z_в1< < z_в2 удается существенно уменьшить эквивалентное сопротивление контакта r_Ви увеличить КСВ поршня.

Рис. 27 – Волноводные короткозамыкающие поршни:

1 – волновод, 2 – поршень, 3 - тяга

В третьей конструкции поршня (рис. 27в) точки контакта помещены в середину свернутого короткозамкнутого полуволнового отрезка линии передачи, состоящего из двух каскадно включенных четвертьволновых отрезков с волновыми сопротивлениями z_в1 и ₁z_в2. К активному сопротивлению контакта r_A добавляется бесконечное реактивное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа с волновым сопротивлением z_в2, и сумма сопротивлений контакта и шлейфа трансформируется четвертьволновым отрезком с волновым сопротивлением z_в1 в практически нулевое сопротивление в точке В (т. е. в точке В создается виртуальное короткое замыкание для токов СВЧ).

Рассмотренные принципы выполнения волноводных поршней непосредственно применимы и для коаксиальных поршней в диапазоне сантиметровых волн.

8. Металлические изоляторы для коаксиального тракта [2, 3]

В жестких коаксиальных трактах существует проблема крепления внутреннего проводника коаксиальной линии. К устройствам крепления предъявляются противоречивые требования: не порождать отражения, не снижать электрическую прочность, не увеличивать коэффициент затухания, не сужать рабочую полосу частот, допускать возможность разборки и сборки тракта и т. д.

Наиболее распространены два способа крепления внутреннего проводника: с помощью диэлектрических шайб и с помощью металлических изоляторов. Простая диэлектрическая шайба (рис. 28а), включенная в коаксиальную линию, на низких частотах слабо влияет на параметры тракта. Однако при возрастании частоты возникают заметные отражения и растет коэффициент затухания. Для уменьшения отражений можно уменьшить диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии на участке, занятом шайбой, и тем самым сохранить постоянным волновое сопротивление.

а) б) б)

Рисунок 28 - Диэлектрические шайбы для коаксиальной линии

Это осуществлено в так называемой утопленной шайбе (рис. 28б), которая с целью облегчения процесса сборки тракта может быть разрезана по диаметру.

Диэлектрические шайбы снижают электрическую прочность тракта из-за облегчения условий пробоя по поверхности шайбы в результате роста напряженности поля в малом, но неизбежном зазоре между шайбой и центральным проводником линии. Для увеличения электрической прочности на поверхности шайбы выполняют концентрические канавки и выступы (рис. 28в).

На сантиметровых волнах в жестких коаксиальных линиях широко применяются для крепления центрального проводника металлические изоляторы - жесткие параллельные короткозамкнутые шлейфы длиной четверть длины волны λ _в/4 (рис. 29а). Металлические изоляторы не нарушают согласований тракта на рабочей длине волны, т.к.их входное сопротивление на резонансной частоте стремится к бесконечности и не шунтирует линию. Они почти не снижают электрической прочности и вносят незначительные дополнительные потери. Однако такой изолятор является узкополосным, так как при изменении частоты изменяется электрическая длина шлейфа и в тракт вносится рассогласование.

Рисунок 29 – Металлические изоляторы для коаксиальной линии

Широкополосный металлический изолятор (рис. 29б)кроме металлического изолятора λ _в/4 содержит полуволновый трансформатор с пониженным волновым сопротивлением Z_{в тр}, т.е. с утолщенным диаметром центрального проводника. Значение Z_{в тр} может быть выбрано таким образом, что изолятор оказывается идеально согласованным не только на центральной частоте, но и еще на двух частотах: выше и ниже основной частоты. Кривая КСВ приобретает осциллирующий характер, а полоса и уровень согласования определяются положением и уровнем горбов.

Рисунок 30 – Частотная характеристика КСВ широкополосного металлического изолятора и ее параметры

Соответствующая осциллирующая зависимость КСВ в согласованном тракте с широкополосным изолятором при Z_{в тр} = 0, 8 показана на рис. 30а. При изменении волнового сопротивления Z_{в тр} параметры частотной характеристики (уровень горбов и полоса согласования по этому уровню ∆ fс/f₀) изменяются, как показано на рис. 30б. Рабочая полоса частот широкополосного металлического изолятора по уровню допустимого КСВ 1, 1 достигает 80 % от центральной частоты.

Методические указания

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒