Переходы между линиями передачи различных типов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

Очень распространенными узлами трактов СВЧ являются переходы с одной линии передачи на другую, в которых используются различные типы волн. Эти переходы называют также трансформаторами типов волн или возбудителями волны заданного типа. При проектировании переходов основное внимание уделяется достижению хорошего качества согласования в полосе частот при обеспечении необходимой электрической прочности.

В технике СВЧ применяют большое число таких устройств различных конструкций. Рассмотрим характерные конструкции переходов.

3.1. Коаксиально-волноводные переходы [1-3]

Соединение коаксиальной линии с прямоугольным волноводом (рис. 11) является трансформатором волны типа Т в коаксиальной линии в волны типа Нили Ев прямоугольном волноводе и относится к числу так называемых зондовых переходов. Для возбуждения волны типа Нв волновод вводится штырь (зонд), перпендикулярный продольной оси волновода (рис. 11а), т. е. поперек волновода, а для возбуждения волны типа Е штырь вводится с торца волновода параллельно продольной оси волновода (рис. 11б). Штырь, являющийся продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, служит антенной, излучающей электромагнитную энергию в волновод или отбирающей ее из волновода. Для получения минимального отражения волн от перехода, необходимо коаксиальную линию и волновод согласовать, т. е. создать режим бегущих волн. Согласование осуществляется подбором длины штыря l_1,расстояния l₂ от штыря до заглушки (поршня), замыкающей накоротко волновод, и расстояния l₃ от штыря до ближайшей узкой стенки волновода (рис. 11а). Для согласования перехода в диапазоне частот используется подвижный короткозамыкающий поршень, компенсирующий реактивную составляющую входного сопротивления штыря.

Рисунок 11 – Волноводно – коаксиальные переходы:

а) – для всех типов Н; б) – для всех типов Е

Широкополосный коаксиально-волноводный переход с поперечным стержнем (рис. 12), имеет полосу пропускания более 30% за счет того, что поперечный стержень обеспечивает равномерность и малую зависимость от частоты распределения тока на вертикальной части зонда.

Рисунок 12 – Широкополосный коаксиально – волноводный переход

Возбуждение прямоугольного волновода с волной типа Н₁₁ от коаксиального волновода с Т-волной производится с помощью коаксиально-волноводных переходов (рис. 13). Основным элементом таких переходов являются обтекаемые электрическим током штыри, размещаемые в короткозамкнутом с одной стороны волноводе параллельно силовым линиям электрического поля Е.

В зондовом переходе (рис. 13а) согласование входов обеспечивается изменением длины зонда l_з, а также подбором расстояний lи х, определяющих положение зонда. Для расширения полосы частот согласования желательно увеличивать диаметр зонда d. При тщательном выполнении зондовый переход обеспечивает полосу частот согласования 15-20 % относительно расчетной частоты при КБВ не менее 0, 95. Недостатком зондового перехода является снижение электропрочности из-за концентрации силовых линий электрического поля Е на конце зонда. В определенной мере этот недостаток преодолевается в коаксиально-волноводном переходе с последовательным шлейфом (рис. 13б), однако даже при самом тщательном подборе расстояний l и l_ш рабочая полоса частот составляет около 7%.

Рисунок 13 – Коаксиально – волноводные переходы:

а) – зондовый, б) – с коаксиальным шлейфом, в) – с поперечным стержнем,

г) – «пуговичный»

Лучшие результаты по согласованию и электропрочности имеет переход с поперечным стержнем (рис.13в), дополненный согласующей индуктивной диафрагмой. В таком переходе достижима относительная полоса частот согласования около 15%. Максимальные широкополосность (около 20% при КБВ не менее 0, 95) и электропрочность достигаются в коаксиально-волноводных переходах так называемого пуговичного типа (рис.13г), требующих, однако, тщательного подбора формы проводников в сочетании с дополнительным согласованием с помощью индуктивной диафрагмы.

3.2. Переходы от прямоугольного волновода к круглому [1-3]

Переход от прямоугольного волновода с волной Н₁₀к круглому волноводу с волной Н₁₁ осуществляется путем постепенной деформации поперечного сечения волновода от прямоугольного к круглому (рис. 14а ).

Если длина перехода составляет примерно длину волны в волноводе или больше ее, то его полоса пропускания равна полосе частот круглого волновода с волной типа Н₁₁. Размеры волноводов выбираются такими, чтобы в них в заданном диапазоне частот могли распространяться только низшие типы волн, соответственно Н₁₀ в прямоугольном и Н₁₁— в круглом волноводе. Если длина такого перехода превышает длину волны, то отражения в широкой полосе частот оказываются незначительными.

Для уменьшения размеров перехода можно использовать компактные, но более узкополосные ступенчатые переходы (рис. 14б). В данном случае сочленение соосных прямоугольного и круглого волноводов осуществляется через согласующую четвертьволновую вставку с овальной формой поперечного сечения.

а) б)

Рисунок 14 – Переходы от прямоугольного волновода к круглому

Большинство используемых на практике трансформаторов типов волн являются обратимыми элементами, т.е. конструкция, обеспечивающая переход, Н₁₀ ® Н₁₁, обеспечивает и обратный переход Н₁₁ ® Н_10.

Возбуждение волны Н₁₁ в круглом волноводе может производиться от прямоугольного волновода через отверстие в боковой стенке. Если широкие стенки прямоугольного волновода ориентированы параллельно оси круглого волновода (рис. 15а), то в круглом волноводе возбуждаются волны Н, распространяющиеся в обе стороны от ответвления с одинаковыми фазами. При поперечном расположении возбуждающей щели в круглом волноводе (рис. 15б) волны Н₁₁, возбуждающиеся справа и слева от нее, противофазны. Если требуется обеспечить передачу волны Н₁₁ в одном направлении, то один из концов круглого волновода закорачивают, причем для разветвления на рис. 15арасстояние между центром щели и короткозамыкателем должно быть близким λ _в/4, а в случае, показанном на рис. 15б —близким λ _в /2.

а) б)

Рисунок 15 – Тройниковые разветвления прямоугольного и круглого волноводов

Особенно трудной задачей является конструирование возбудителей волны Н₀₁ в круглом волноводе . Здесь главное требование состоит в обеспечении высокой степени чистоты возбуждения волны Н₀₁ при глубоком подавлении ряда низших и высших волн, способных к распространению в круглом волноводе большого диаметра. На рис. 16 показана одна из возможных конструкций перехода от прямоугольного волновода с волной Н₁₀ к круглому волноводу с волной Н₀₁, основанная на принципе плавной деформации формы поперечного сечения волновода и структуры электрического поля.

Рисунок 16 – Плавный переход для возбуждения волны Н₀₁в круглом волноводе

Волноводный Е-тройник и две продольные скрутки на углы 90° в противоположных направлениях образуют систему двух прямоугольных волноводов, соединенных узкими стенками и содержащих поля равной амплитуды с противоположными фазами. Затем эта система плавно преобразуется к двум секторным волноводам с общим ребром. По мере увеличения угла раскрыва секторных волноводов образуется круглый волновод с продольной металлической перегородкой. Обрыв этой перегородки не изменяет структуру электромагнитного поля, и на выходе перехода получается круглый волновод с волной Н_01. Для обеспечения требуемой чистоты возбуждения волны Н₀₁ этот переход должен иметь длину l » λ ₀.

3.3. Коаксиально-полосковые переходы [2, 3]

Коаксиально-полосковые переходы в зависимости от взаимного расположения соединяемых проводников могут быть соосными или перпендикулярными (рис. 17). Для уменьшения нерегулярности в области сочленения внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной линии должен быть близким расстоянию между внешними пластинами симметричной полосковой линии или удвоенной толщине основания несимметричной полосковой линии. Для улучшения согласования в соосном переходе делают скосы на конце полоскового проводника (рис. 17а). При таком соединении структуры полей основного типа наиболее близки друг к другу по своей конфигурации.

а) б)

Рисунок 17 – Коаксиально – полосковые переходы

Согласование перпендикулярного коаксиально-полоскового перехода (рис. 17б) осуществляют подбором диаметра соединительного штыря, проходящего через диэлектрическое основание, а также размеров коаксиальной диафрагмы на выходе из коаксиальной линии и короткого разомкнутого шлейфа из отрезка полоскового проводника. Часто коаксиально-полосковые переходы совмещают с коаксиальными соединителями.

3.4. Волноводно-полосковые переходы [2, 3]

Устройства для возбуждения полосковой линии передачи от прямоугольного волновода с волной Н₁₀ называются волноводно-полосковыми переходами.

Рисунок 18 – Волноводно – полосковый переход

Соединение полосковой линии с прямоугольным волноводом может быть выполнено через плавный или ступенчатый переход на П-образном волноводе (рис. 18). В такой конструкции перехода обеспечивается широкополосное согласование прямоугольного волновода с полосковой линией передачи и устраняется паразитное излучение из открытого конца волновода.

4. Переходные секции в волноводах [1-3]

Переходные секции в волноводах служат для изменения направления волноводного тракта и соединения волноводов с различными поперечными сечениями. Конструктивно эти секции представляют собой отрезки волноводов с фланцами на концах.

Очень важно снизить потери в волноводе для того, чтобы уменьшить затухание волн и повысить к.п.д. С этой целью внутреннюю поверхность волновода, по которой проходят токи, наведенные электромагнитным полем, делают возможно более гладкой и покрывают ее серебром. Весьма тщательно также соединяются отдельные части волновода друг с другом.

Второй, не менее важной проблемой, является сведение к минимуму частичных отражений от различных неоднородностей, имеющихся в волноводе. К таким неоднородностям относятся волноводные уголки (повороты), изгибыи ответвления, а также вращающиеся сочленения двух волноводов. Любые нарушения однородности внутреннего устройства волновода приводят к появлению отраженных волн, в результате чего уменьшается КБВ, возрастают потери и снижается к.п.д.

4.1. Волноводные уголки (повороты) и изгибы[1-3]

Волноводные уголки (повороты) и изгибы (рис. 19) представляют собой нерегулярности, распределенные вдоль линии на расстоянии, сравнимом с длиной волны. Эти нерегулярности снижают качество согласования и за счет концентрации силовых линий электрического поля в области резких изгибов снижают электрическую прочность тракта. Такой распределенной нерегулярности можно придать форму, обеспечивающую минимальные отражения.

Рисунок 19 – Повороты линий передачи

В уголковых изгибах любых линий передачи в той или иной мере возбуждаются поля нераспространяющихся волн высших типов, в которых происходит накопление электромагнитной энергии. Для минимизации возникающих из-за этого отражений изгибы дополняют различными согласующими элементами. Например, изгиб на 90° коаксиального тракта сочетают с четвертьволновым изолятором и дополняют небольшой проточкой на внутреннем проводнике линии (рис. 19а). Подбор расположения и размеров проточки, а также правильный выбор длины металлического изолятора позволяют сохранить согласование в тракте в широкой полосе частот.

Повороты в полосковой линии передачи согласовывают с помощью «подрезания» внешних углов примерно на 1/3 диагонали, соединяющей внутренний и внешний углы поворота (рис. 19б). Однако, такие компенсированные повороты вносят небольшое добавочное запаздывание в линию передачи и это должно учитываться прирасчете электрических длин резонансных отрезков.

В прямоугольном волноводе с волной типа Н₁₀ уголки и радиусные изгибы могут быть выполнены как в Е-так и в Н-плоскости. Кроме того, уголки могут быть простые и двойные. В двойных поворотах (рис. 19г) две нерегулярности разносят на расстояние l_в/4. Создание скосов (рис. 19в)и двухуголковых (рис. 19г)изгибов имеют своей целью улучшить согласование как из-за уменьшения отражений от каждой нерегулярности, так и вследствие взаимной компенсации отражений от них.

В радиусных изгибах (рис. 19д) для уменьшения отражения необходимо, чтобы радиус изгиба R был не меньше длины волны в волноводе, а средняя длина L изогнутого участка кратна величине l/2, так как в этом случае изогнутый волновод играет роль полуволновой линии, согласующей равные волновые сопротивления на входе и выходе.

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

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒