ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОЧАСТОТНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Стр 1 из 6Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОЧАСТОТНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Учебно-методическое пособие по курсу «Устройства СВЧ и антенны»,

для студентов всех форм обучения радиотехнических специальностей

Рассмотрено на заседании кафедры

«Радиотехники и защиты информации»

Протокол № 8 от 04.03.2007г.

Утверждено на заседании учебно-

издательского Совета ДонНТУ

Протокол № 6 от 24.04.07г.

Донецк - 2007

П-19

УДК 535-12(076.5)

Составители: доцент, к.т.н. В.В.Паслен, ассистент Е.С.Нестругина

Элементы радиочастотных линий передачи: Учебно-методическое пособие по курсу «Устройства СВЧ и антенны» / В.В.Паслен, Е.С.Нестругина. - Донецк: ДонНТУ, 2007 - 40с.

Рассмотрены элементы основных типов линий передачи, применяемые при проектировании радиочастотных трактов: соединители, согласующие устройства, преобразователи типов колебаний, вращающиеся сочленения. Изложены принципы действия, связь конструктивных и электрических параметров. Материал пособия может быть полезен при изучении курсов «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Техническая электродинамика».

Библиогр.: 9 назв., Рис. 30. Табл. 2., Прил. 2.

Рецензент: декан факультета «Компьютерных информационных технологий и автоматики» ДонНТУ, доцент, к.т.н. А.В.Хорхордин.

Подготовлено кафедрой " Радиотехника и техническая защита информации".

Содержание

Список сокращений...........................................................................................4

1.Классификация элементов линий передачи……………………………………...5

2.Соединители линий передачи СВЧ………………………………………………5

2.1. Назначение коаксиальных соединителей……………………………………5

2.2. Обозначение соединителей…………………………………………………...7

2.3. Неподвижные соединители…………………………………………………..8

2.4. Подвижные соединители…………..………………………………………...10

2.5. Вращающиеся соединители………………………………………………….11

3. Переходы между линиями передачи различных типов…………………….....15

3.1. Коаксиально-волноводные переходы………….…………………………………16

3.2. Переходы от прямоугольного волновода к круглому………………………18

3.3. Коаксиально-полосковые переходы……………………………...…………19

3.4. Волноводно-полосковые переходы……………………...…….……………20

4. Переходные секции в волноводах………………………………………………20

4.1. Волноводные уголки (повороты) и изгибы…………………………………..21

4.2. Волноводные скрутки……………………...…………………………………22

5. Отражающие препятствия в волноводных трактах……………………………22

5.1. Волноводные стыки………………………………………………...………..23

5.2. Волноводные диафрагмы……………………………………………………23

5.3. Индуктивный штырь……………………………………….……………….24

5.4. Емкостный штырь…………………………………...………………………24

6. Согласованные нагрузки………………………………………………………..25

6.1. Волноводные согласованные нагрузки………………………………………25

6.2. Коаксиальные согласованные нагрузки…………………………………….26

7. Реактивные нагрузки…………………………………………………………….27

8. Металлические изоляторы для коаксиального тракта………………………...28

9. Методические указания………………………...……………………………….30

9.1. Выбор размеров сечения прямоугольного волновода…………………….30

9.2. Выбор размеров круглого волновода………………………………………31

9.3. Реализация согласующих элементов прямоугольного волновода. Волноводные диафрагмы………………………...…………………………31

9.4. Четвертьволновый трансформатор в жесткой коаксиальной линии передачи……………………………………………………………………...32

Список используемой литературы………………………………………………...33

Приложение 1……………………………………………………………………….34

Приложение 2……………………………………………………………………….39

Список сокращений

СВЧ - сверхвысокие частоты

КСВ - коэффициент стоячей волны

КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению

КБВ=1/КСВ - коэффициент бегущей волны

КМПП - коаксиально- микрополосковые переходы

f - частота колебаний

Z_В, ρ - волновое сопротивление

λ ₀ - длина волны в свободном пространстве

λ _кр- критическая длина волны

λ _в- длина волны в волноводе

λ _п- длина волны в линии передач

1. Классификация элементов линий передачи [1]

Реальная линия передачи (фидер) кроме участков регулярной линии содержит еще ряд элементов, предназначенных для соединения участков линий, согласования, переключения и т.д. Элементом линии передачи называют одиночное устройство, выполняющее одну функцию в данной линии передачи.

Основные элементы и их функциональные признаки:

· отрезки регулярных линий - предназначены для направленной передачи энергии;

· соединительные элементы - служат для соединения отрезков линий и устройств;

· согласующие устройства - служат для согласования линии передачи в целом или отдельных устройств с целью получения заданного коэффициента отражения;

· переключающие устройства - выполняют функцию временного соединения различных линий и устройств;

· фильтры - служат для селекции сигналов по частоте или по типам волн;

· делители и мостовые соединения - предназначены для деления, сложения и распределения мощности электромагнитных колебаний в многоканальных устройствах;

· фазирующие устройства - служат для поддержания или регулировки фазового сдвига.

Конструктивное выполнение и электрические характеристики элементов линий разнообразны. К основным параметрам, общим для всех элементов, относятся:

- электрическая прочность, показывающая предельно допустимую передаваемую мощность;

- коэффициент полезного действия или потери мощности в элементе, выражаемые в децибелах;

- ширина полосы рабочих частот (диапазон рабочих частот) – диапазон частот, в пределах которого основные характеристики устройства остаются неизменными или изменяются в заданных пределах.

Соединители линий передачи

2.1. Назначение коаксиальных соединителей [5]

Коаксиальный радиочастотный соединитель (рис. 1) представляет собой электромеханическое устройство, обеспечивающее механическое и электрическое соединение радиочастотных кабелей между собой или с микрополосковой линией, а также соединение частей устройства. Соединитель состоит из двух или более частей (вилки, розетки), образующих разъемное контактное соединение.

Переходная часть соединителя (разъем) – часть соединителя, предназначенная для сочленения и расчленения с вилочной и розеточной частями соединителя.

По своему назначению соединители делятся на:

· кабельные и приборно-кабельные соединители;

· кабельные сборки;

· вводы СВЧ - энергии, включая соединители для печатных плат;

· коаксиально – микрополосковые переходы (КМПП).

Рисунок 1 - Внешний вид соединителей

К соединителям предъявляются основные требования:

- возможность использования в радиочастотных трактах со стандартным волновым сопротивлением 50 Ом, 75 Ом;

- широкополосность, определяемая предельной верхней частотой, на которой еще сохраняются приемлемые параметры согласования;

- минимальная величина коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН);

- минимальные потери СВЧ-энергии;

- радиогерметичность;

- стабильность и воспроизводимость электрических параметров;

- устойчивость к механическим, климатическим и радиационным воздействиям;

- надежность;

- герметичность;

- сохранение параметров при многократных соединениях в процессе эксплуатации СВЧ.

В зависимости от требований к герметичности, корпуса соединителей изготавливают из нержавеющей стали, бериллиевой бронзы, латуни.

Внутренний проводник изготавливают из латуни или бериллиевой бронзы.

Для уменьшения прямых потерь СВЧ, повышения коррозиоустойчивости и обеспечения паяемости соединителей на внутренний и наружный проводники наносят гальванические покрытия. Лучшим покрытием является износостойкое золото, сплавы золота с кобальтом, никелем или сурьмой. Кроме золотого применяют покрытие гнездовых контактов сплавами: серебро – сурьма, палладий – никель, олово – висмут, «белая бронза» (медь – олово – цинк) и никель.

Изоляторы соединителей изготавливают из органических диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями: фторопласт, полиэтилен, полистирол, сополимеры САМ-Э и САМ -3, темплен и др.

Основными признаками классификации соединителей являются:

- предельная рабочая частота;

- назначение;

- особенности конструкции;

- механизм соединения с ответной частью;

- применяемый радиочастотный кабель;

- герметичность.

2.2. Обозначение соединителей [5]

В зависимости от производителя обозначения соединителей различны.

Например: СР-50-724ФВ, СРГ-50-716ФВ, СР50-11-3-4-47, СР-75-426ФВ, СРГ-75-716ФВ.

Обозначение соединителей СР-50-724ФВ, СРГ-50-716ФВ состоит из букв СР – соединитель радиочастотный или СРГ – соединитель радиочастотный герметичный. Через дефисы поставлены величины волнового сопротивления – 50 Ом и порядковый номер разработки данного соединителя. В конце обозначения указаны вид изоляции (Ф – фторопласт) и исполнение соединителя (В – всеклиматическое). По номеру разработки можно определить способ соединения пары соединителей. Номера с 101 по 500 и выше 700 означают резьбовое соединение, от 500 до 700 – безрезьбовое.

Рисунок 2 – Соединитель СРГ-50-751ФВ

Обозначение соединителей СР50-11-3-4-47 состоит из букв СР – соединитель радиочастотный или СРГ – соединитель радиочастотный герметичный, величины волнового сопротивления – 50 Ом. Через дефисы следуют первые две цифры, обозначающие тип соединителя и способ заделки кабеля. Расшифровка первой цифры: 1 – вилка кабельная, 2 – розетка кабельная, 3 – вилка кабельная угловая, 4 – розетка приборно-кабельная фланцевая, 5 – вилка приборно-кабельная, 6 – розетка приборно-кабельная под гайку, 7 – вилка приборная, 8 – розетка приборная. Вторая цифра расшифровывается так: 1 – гайка, 2 – прижим, 3 – обжим, 4 – на плату и т.д. Далее через дефис следует цифра 3 или 9 (тип соединителя). Последние три цифры обозначают марку радиочастотного кабеля.

2.3. Неподвижные соединители [1-3]

Для осуществления сборки и разборки трактов отдельные узлы и устройства СВЧ оснащаются специальными разъемами, которые должны обеспечивать надежный электрический контакт в местах соединения проводников между собой. Основные требования к разъемам состоят в сохранении согласования и электрической прочности тракта при минимальном ослаблении мощности и отсутствии паразитного излучения.

Соединение коаксиальных линий, переход от коаксиальной линии к полосковой, а также подсоединение отрезков кабеля к прибору осуществляется с помощью специальных высокочастотных разъемов штепсельного типа (рис. 3а) представляющих собой небольшие отрезки жесткой коаксиальной линии, соединенные с гибким кабелем с помощью механического крепления, а также частично с помощью пайки.

а)

б)

Рисунок 3 – Высокочастотный коаксиальный разъем:

1- штырь, 2 – гнездо, 3 – конусная втулка, 4 – конусная цанга,

5, 6 – диэлектрические шайбы; 7 – внутренний проводник; 8 – внешний проводник,

9 – прокладка герметизации, 10 – гнездовая втулка

В высокочастотных соединителях для гибких коаксиальных кабелей (рис. 3а) контакты обеспечивают с помощью пружинных цанг, штекеров и накидных гаек, удерживаемых в соединении посредством внешних резьбовых соединений или иных фиксирующих приспособлений, плотно прижимающих контактные поверхности пары разъемов розетка-вилка. Контакт между внутренними проводниками разъема создается с помощью штыря 1, который вставляется в пружинящее гнездо 2, укрепленное на внутреннем проводнике другого отрезка линии. Внешние проводники соединяются посредством конусной втулки 3 и разрезной конусной цанги 4. Герметизация обеспечивается резиновой прокладкой.

Соотношение диаметров проводников на любом участке внутри коаксиальных высокочастотных соединителей подбирают таким образом, чтобы с учетом параметров диэлектрика обеспечивалось постоянство волнового сопротивления линии. Согласование в высокочастотных коаксиальных соединителях в сильной степени зависит от заделки кабеля и при аккуратном выполнении характеризуется среднеквадратическим значением КСВ порядка 1, 05-1, 15.

Высокочастотные соединители для жестких коаксиальных линий на повышенный уровень мощности выполняют без опорных диэлектрических шайб (рис. 3б). В данном случае соединители должны быть герметичными как для защиты внутренних рабочих поверхностей от внешних воздействий, так и для повышения электрической прочности тракта путем создания внутри тракта избыточного давления. Надежность соединений обеспечивается применением цанговых устройств и накидных гаек.

Соединительные устройства для однотипных волноводов. Для соединения волноводных секций на их концах напаиваются фланцы с отверстиями для болтов или винтов. Соединительные устройства для однотипных волноводов подразделяются на соединители с контактными фланцамиидроссельно – фланцевые соединители.

Контактные фланцевые соединители применяются для широкополосных волноводных трактов. Соединяемые секции волноводов прижимаются друг к другу с помощью плоских фланцев (рис. 4а), стягиваемых винтами или струбцинами. Для минимального коэффициента отражения необходимо точное совпадение сечений волноводов. Чтобы обеспечить точное совпадение волноводных сечений, часто используют штифты, вставляемые в калибровочные отверстия. Для хорошего электрического контакта соединяемые поверхности в контактных притертых фланцах должны быть строго параллельны и тщательно обработаны. Однако, качество сочленения ухудшается при многократных переборках тракта. Для улучшения качества контакта между фланцами на штифтах помещают бронзовую прокладку, имеющую ряд разведенных пружинящих лепестков, прилегающих к внутреннему периметру поперечного сечения соединяемых волноводов. Защита соединения от пыли и влаги осуществляется резиновыми уплотнительными кольцами, уложенными в канавках на фланцах по обе стороны от контактной прокладки.

Дроссельно-фланцевые соединители применяются в тех случаях, когда соединение двух волноводных линий должно обеспечивать минимальный коэффициент отражения в узком частотном диапазоне. Этот тип соединителей более надежен в эксплуатации, когда требуется производить частые сборки и разборки соединения.

Соединитель состоит (рис. 4б)из плоского фланца 2и фланца 3с кольцевой выточкой (дроссельной канавкой) вдоль оси волновода и проточкой в поперечной плоскости. В дроссельном фланце контакт между волноводами осуществляется через последовательный короткозамкнутый шлейф длиной λ _в/2, выполненный в виде канавок и углубления внутри фланца. Четвертьволновый участок между точкой короткого замыкания А и точкой контакта В является коаксиальным волноводом с волной типа Н₁₁, а второй четвертьволновый участок между точкой контакта В и точкой включения шлейфа в волновод С является отрезком радиальной линии передачи. Точка контакта попадает в узел распределения продольного поверхностного тока J, поэтому на сопротивлении контакта r не происходит заметного выделения мощности. Виртуальное короткое замыкание между соединяемыми волноводами в точке С обеспечивается тем, что суммарная длина дроссельных канавок от точки А до точки С составляет полуволновую короткозамкнутую линию. Входное сопротивление такой линии оказывается равным нулю, и энергия высокочастотных колебаний беспрепятственно распространяется в месте соединения волноводов. Волноводы как бы идеально прилегают друг к другу. Соединение дроссельных фланцев осуществляется при помощи винтов, накидной, стягивающей гайки, или струбцин.

а) б) в)

Рисунок 4 – Соединения прямоугольных волноводов:

а) – с контактными фланцами, б) – дроссельно – фланцевое, в) схема замещения

1 – волновод первой секции, 2 – фланец первой секции, 3 – фланец второй секции,

4 – волновод второй секции, 5 – канавка с уплотнителем, 6 – контактная прокладка,

7 – отверстия для фиксирующих штифтов.

Для защиты полости тракта от внешних воздействий применяют уплотнительную прокладку. Дроссельные фланцы не критичны к качеству контакта и небольшим перекосам, не снижают электрической прочности тракта. Их недостатками являются заметная частотная зависимость КСВ и сложность конструкции.

2.4. Подвижные соединители [1-3]

Подвижные волноводные соединители применяются для смещения и поворота в небольших пределах одной части волноводного тракта относительно другой. Они делятся на нерезонансныеи резонансные.

Нерезонансные гибкие волноводы имеют или гофрированные стенки (рис. 5а)с глубиной гофр порядка нескольких миллиметров, или стенки, навитые спирально с зацеплением гусеничного типа (рис. 5б). Для повышения механической прочности гибкий волновод покрывают резиновой оболочкой.

а) б) в)

Рисунок 5 – Гибкие волноводы:

а) – гофрированный; б) – спиральный; в) – резонансный

Резонансный гибкий волновод представляет собой набор очень коротких секций волновода, каждая из которых присоединяется к соседней с помощью дроссельно-фланцевого сочленения (рис. 5в), обеспечивающего замыкание по высокой частоте в местах соединений. Зазоры между секциями обеспечивают возможность небольших смещений секций, что позволяет производить изгиб или скручивание волновода в небольших пределах. Чем больше секций, тем больше может быть угол изгиба или скручивания. Для компенсации отражений, возникающих в разрывах между секциями, длина их берется примерно l/4. Резонансный гибкий волновод имеет повышенные потери за счет просачивания электромагнитной энергии в зазоры между секциями, поэтому с целью экранировки его помещают в гибкую металлическую сетку.

В коаксиальных линиях подвижные соединения выполняются с помощью гибких кабелей. Эти кабели используются иногда и в качестве подвижных соединений между волноводами.

2.5. Вращающиеся соединители [1-3]

Вращающиеся соединители служат для передачи энергии при непрерывном круговом вращении одной части фидерного тракта относительно другой (например, соединение между вращающейся антенной и неподвижным передатчиком или приемником) без нарушения электрического контакта и качества согласования. Для обеспечения невозмущенной передачи энергии (без модуляции за счет вращения), во вращающихся соединениях используются в основном круглые волноводы с типами волн, поля которых имеют осевую симметрию(Е₀₁, Н₀₁и др.) и короткие отрезки коаксиального волновода с Т-волной.

Вращающиеся волноводные соединители. Волноводный тракт обычно выполняется на прямоугольном волноводе, так как картина распределения поля основной волны H₁₀жестко связана с формой поперечного сечения и сохраняется при изгибах и скручивании волновода, что бывает необходимо при прокладке реальных трактов сложных радиотехнических устройств и систем. Вращающиеся волноводные соединители содержат два перехода от прямоугольного волновода с волной типа Н₁₀ к круглому с симметричной волной, устройство, обеспечивающее вращение одной части круглого волновода относительно другой, преобразователи линейной поляризации в круговую и обратно, дроссельное устройство для предотвращения утечки энергии через кольцевую щель. Такой вращающийся волноводный соединитель имеет значительную осевую длину. Кроме того, при вращении возникает паразитная фазовая модуляция сигнала, что может быть недопустимо в некоторых радиотехнических системах. Чаще во вращающихся волноводных соединителях используют круглый волновод с симметричной волной E₀₁, т.е. первой высшей волной в круглом волноводе.

Вращающееся волноводное соединение, использующее круглый волновод с симметричной волной Е₀₁ показано на рис. 6. Связь между прямоугольным и круглым волноводами происходит через круглое отверстие в широкой стенке прямоугольного волновода. Однако кроме волны Е₀₁в круглом волноводе возбуждается и волна Н₁₁, низшая по отношению к волне Е₀₁и имеющая несимметричную относительно оси волновода структуру поля. Существуют различные способы фильтрации этой волны. В данном случае применяются фильтры типа волны в виде резонансных колец, ось которых совпадает с осью волновода. Резонансное кольцо не препятствует распространению волн типа Е_01,в связи с тем, что линии электрического поля этой волны перпендикулярны к краям кольца. Выбором размеров кольца можно добиться резонансного отражения им волны Н₁₁. Крепление кольца к волноводу производится с помощью радиально расположенных стержней.

Рисунок 6 – Вращающееся волноводное соединение:

1 – прямоугольный волновод, 2 – круглый волновод, 3 – вращающееся дроссельно – фланцевое соединение, 4 – кольцевой фильтр

Волна типа Е₀₁ в круглом волноводе создает интенсивные продольные поверхностные токи. Поэтому во вращающемся соединении используется принцип дроссельно – фланцевого соединения.

На рис. 7 приведена схема волноводного вращающегося соединителя с использованием коаксиальных переходов. Короткие отрезки коаксиальных волноводов с Т- волной обеспечивают фильтрацию паразитной волны H₁₁.

Дроссельное устройство представляет собой свернутую полуволновую коаксиальную линию с волной Т, причем в точке контакта А (точке разрыва) имеет место нуль тока, а в точке В – виртуальное короткое замыкание. Рассмотренное волноводное вращающееся соединение имеет невысокий уровень допустимой мощности, что обусловлено малыми зазорами в коаксиальных отрезках, возбуждающих круглый волновод.

Рисунок 7 – Волноводное вращающееся соединение с волной типа E₀₁

На рис. 8а, б изображены устройства возбуждения волны E₀₁без использования коаксиальных отрезков. На рис. 8а прямоугольный волновод соединяется с круглым через поперечное отверстие. Для лучшего возбуждения волны E₀₁ круглый волновод с одной стороны закорачивается на расстоянии от возбуждающего отверстия. Для подавления паразитной волны низшего типа H_11, которая также возбуждается отверстием, в короткозамкнутом отрезке круглого волновода располагают тонкое металлическое кольцо, которое при периметре кольца близком к λ ₀ действует на волну H₁₁подобно короткозамыкателю. Располагая кольцо на расстоянии от центра щели, удается эффективно подавить волну H₁₁ в круглом волноводе. На волну типа E_01,силовые линии электрического поля которой радиальны и лежат в плоскости кольца, резонансное кольцо практически не влияет, так как линии вектора Е перпендикулярны проводу кольца и не наводят в нем токи.

а) б)

Рисунок 8 – Способы возбуждения волны E₀₁в круглом волноводе

Другой возбудитель волны E₀₁в круглом волноводе с высокой степенью подавления волны H₁₁ показан на рис. 8б. Прямоугольный волновод соединяется с круглым через поперечное отверстие с коротким замыканием одной половины круглого волновода непосредственно у места сочленения. В круглом волноводе также помещено резонансное кольцо, закорачивающее его для волны H₁₁. Волна H₁₁, просочившаяся через резонансное кольцо, далее просачивается через продольные щели и поглощается в резонаторе с поглотителем. Волна E₀₁ не имеет поперечных токов и не возбуждает продольные щели и резонатор с поглотителем. Все волноводные вращающиеся соединители состоят из двух переходов, разделенных, как и на рис. 8, узкой щелью с дроссельным устройством для предотвращения утечки электромагнитной энергии. Эти соединители могут использоваться для низкого и высокого уровней мощности.

Вращающиеся коаксиальные соединения делятся на два основных типа: контактные, применяемые при малых скоростях вращения и низких уровнях мощности во всем диапазоне СВЧ, и бесконтактные (дроссельные), применяемые при больших скоростях вращения и всех уровнях мощности в дециметровом и сантиметровом диапазонах.

Вращающиеся соединители с трущимися контактами ненадежны и могут приводить к стиранию и разрушению трущихся поверхностей. Более надежны «бесконтактные» вращающиеся соединители с дроссельными канавками, хотя их параметры зависят от частоты.

В бесконтактном вращающемся коаксиальном соединителе (рис. 9а) во внутреннем проводнике неподвижной части фидера имеется осевое отверстие длиной Λ /4, в которое, не касаясь стенок и дна отверстия, входит цилиндрический стержень, являющийся продолжением внутреннего проводника вращающейся части фидера. Стержень и отверстие образуют четвертьволновую линию, разомкнутую на конце и имеющую входное сопротивление, равное нулю, что и обеспечивает соединение по высокой частоте внутренних проводников обеих частей фидера. На этом же принципе основывается и контакт внешних проводников фидера. Четвертьволновая линия образуется наружной поверхностью внешнего проводника неподвижной части фидера и внутренней поверхностью концентрической муфты, насаженной на вращающуюся часть фидера.

а) б)

Рисунок 9 – Бесконтактное коаксиальное вращающееся соединение

Недостатком такого соединения является наличие кольцевого зазора между внешними проводниками фидера, что приводит к нежелательному излучению энергии. Этот недостаток устраняется во вращающемся соединении, показанном на рис. 9б благодаря использованию еще одной четвертьволновой линии на внешних проводниках. Сопротивление контакта или наличие зазора в месте стыка двух четвертьволновых линий не играет роли, так как стык находится в узле тока. Необходимость в отрезках линий длиной четверть волны ограничивает применение дроссельных соединений диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. Полоса рабочих частот таких соединений составляет ±10%.

В коаксиальном дроссельном вращающемся соединителе (рис. 10а) дроссельные канавки устанавливаются как во внешнем, так и во внутреннем проводниках. Каждый дроссель представляет собой последовательный двухступенчатый короткозамкнутый шлейф длиной λ ₀/2, где λ ₀- рабочая частота волны.

Схемы замещения дросселей во внешнем и внутреннем проводниках волновода одинаковы и показаны отдельно (на рис. 10б, в). Аналогичные схемы замещения имеют дроссельные канавки в волноводном фланце (рис. 4б). В схеме замещения показано, что волновые сопротивления проходного и короткозамкнутого отрезков неодинаковы: Z_в2 < Z_в1, что повышает широкополосность вращающегося соединителя. Внутри дросселя образуется стоячая электромагнитная волна с узлом распределения тока в точке соединения четвертьволновых отрезков, т.е. в точке расположения трущихся контактов, отнесенных на расстояние λ ₀/4 от короткозамкнутых концов шлейфов. Поэтому падение напряжения на сопротивлениях контактов равно нулю, потери мощности СВЧ отсутствуют и электрические характеристики вращающегося соединителя на рабочей частоте не зависят от качества трущихся контактов. Разнос зазоров во внутреннем и внешнем проводниках на λ ₀/4 приводит к компенсации отражений и повышает широкополосность.

Рисунок 10 – Коаксиальное дроссельное вращающееся соединение:

а) – эскиз, б) схема замещения дроссельной канавки, в) схема замещения соединения

При реализуемых значениях волновых сопротивлений канавок, КБВ соединителя превышает уровень 0, 9 в полосе частот 50-70% рабочей частоты.

Электрическая прочность коаксиального дроссельного вращающегося соединителя несколько снижается по сравнению с электрической прочностью тракта, так как максимальная напряженность электрического поля в средней части дроссельной канавки внутреннего проводника повышается по сравнению с напряженностью поля у поверхности центрального проводника тракта.

Волноводные скрутки

Волноводные скрутки (рис. 20) служат для изменения направления поляризации волны. Длина скрутки, так же как и в радиусном изгибе, выбирается равной целому числу полуволн в волноводе. Для работы в широкополосных устройствах длина скрутки должна быть не менее (2-З) l.

Рисунок 20 – Волноводная скрутка

Методические указания

Волноводные диафрагмы

Волноводные диафрагмы являются компактными и удобными согласующими элементами, но их установка требует точного расчета места их расположения в линии передачи, так как плавное перемещение их вдоль волновода практически невозможно.

Как показано в [7], для известных КСВ в линии требуемая величина проводимости согласующей диафрагмы составит В=(КСВ-1)/ . Сравним ширину окна, требуемую для реализации значения нормированной реактивной проводимости В для несимметричных диафрагм.

Таблица 9.1 Несимметричная индуктивная диафрагма

Нормированная проводимость В		-0, 5	-1	-2	-4	-8	-16
Окно d/a		0, 776	0, 702	0, 618	0, 532	0, 451	0, 378

Примечание. В табл. 9.1 принято соотношение аλ _в=0, 575.

Таблица 9.2 Несимметричная емкостная диафрагма

Нормированная проводимость В		0, 5
Окно d/b		0, 568	0, 414	0, 240	0, 086	0, 0116	0, 21-10-³

Примечание. В табл. 9.2 принято соотношение b /λ _в=0, 25.

Как видно из сравнения таблиц, индуктивная диафрагма позволяет легко реализовать конструктивно малые и большие значения проводимости. Реализация емкостной диафрагмы затруднена при В> 4, так как ширина окна становится очень малой и, кроме того, резко снижается допустимая мощность в волноводе. Применение емкостной диафрагмы имеет смысл при малой мощности, небольшом КСВ в линии передачи и в том случае, когда емкостная диафрагма является параллельным согласующим элементом, наиболее близко расположенным к нагрузке, то есть если фаза коэффициента отражения от нагрузки по току удовлетворяет соотношению

arсcos((КСВ-1)/(КСВ+1)) > φ ₀₁ > -arccos((КСВ-1)/КСВ+1)).

При этом достигается наибольшая полоса согласования.

Вопрос о применении согласующих индуктивных и емкостных штырей решается аналогично применению диафрагм: легче реализуются индуктивные штыри, а емкостные штыри следует применять при небольших требуемых значениях проводимости, так как конструктивно они могут быть удобно реализованы в виде винта, погружаемого внутрь волновода через резьбовое отверстие в центре широкой стенки.

Список литературы

1. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. - К.: Вища школа, 1982 - 278 с.

2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988 - 432 с.

3. Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. Под ред. Д.М.Сазонова. - М.: Высшая школа, 1981 - 296 с.

4. Жеребцов И.П. Введение в радиотехнику дециметровых и сантиметровых волн. - М-Л.: Госэнергоиздат, 1953 - 200 с.

5. Джуринский К. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. - М.: Техносфера, 2006 - 216 с.

6. Калашников А.М., Степук Я.В. Колебательные системы - М.: Воениздат, 1972 - 376 с.

7. Справочник конструктора РЭА. Компоненты, механизмы, надежность. Под ред. Р.Г. Варламова.- М.: Радио и связь, 1985 - 384 с.

8. Наймушин М.П. Согласование линий передачи с нагрузкой.- Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 44с.

Приложение 1 [1-4, 6]

Рисунок 1 – Электрическая связь коаксиальной линии с волноводом

для волны Н₁₀ (а) и Е₀₁(б)

Рисунок 2 – Магнитная связь линии с волноводом для случая волны Н₁₀

Рисунок 3 – Y - образное разветвление

Рисунок 4 – Коаксиальный тройник

Рисунок 5 – Волноводный Н–тройник и его эквивалентная схема

Рисунок 6 - Волноводный Е–тройник и его эквивалентная схема

Рисунок 7 – Кольцевой резистивный делитель

Рисунок 8 – Двойной волноводный тройник

Рисунок 9 – Элементы настройки двойного волноводного тройника:

1 – штырь, 2 - диафрагма

Рисунок 10 – Волноводные тройники (Т –соединения): а – типа Е, б – типа Н

Рисунок 11 – Поглощающий волноводный аттенюатор

Рисунок 12 – Поляризационный аттенюатор

Рисунок 13 – Предельный аттенюатор: а – с возбуждающими дисками, б – с возбуждающими петлями

Рисунок 14 – Шлейфовый антенный переключатель

12 3 4 5 6 Следующая ⇒