Реферат: Устройства СВЧ

Реферат: Устройства СВЧ

инистерство образования Российской Федерации

Уральский Государственный Технический Университет - УПИ

Кафедра "ВЧСРТ"

Реферат

по курсу

«Техническая электродинамика»

                                                                             Преподаватель: Князев С.Т.

                                                                    Студент: Черепанов К.А.

                                                   Группа: Р-307

Екатеринбург

2002

Содержание

1 Согласованные нагрузки для линий передачи.................................................................... 2

2 РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ................................................................................................................................. 4

2.1 Поршни................................................................................................................................................................... 4

2.2 Диафрагмы........................................................................................................................................................... 5

2.3 Штыри..................................................................................................................................................................... 7

3 РАЗЪЕМЫ И СОЧЛЕНЕНИЯ В ТРАКТАХ СВЧ............................................................................................ 8

3.1 Соединители волноводных трактов........................................................................................................ 8

4 ПОВОРОТЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ.................................................................................................................... 10

5 ПЕРЕХОДЫ МЕЖДУ ЛИНИЯМИ ПЕРЕДАЧИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ............................................ 11

    Библиографический список................................................................................................................ 16

Одним из наиболее распространенных элементов трактов яв­ляются согласованные нагрузки, предназначенные для поглощения передаваемой по линии СВЧ - мощности. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры и в виде меры сопротивления в измери­тельных СВЧ - устройствах (например, в установках для измерения матриц рассеяния многополюсников).

Основной электрической характеристикой согласованной на­грузки является величина модуля ее коэффициента отражения  (или соответствующие величины КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. На практике возможно создание нагрузок с ||£0,01 в относительной полосе частот Df c/fo=20-30 % и более. Ввиду ма­лости || требования к фазе коэффициента отражения от нагруз­ки не предъявляются, и эта фаза может иметь любую величину в интервале от 0 до 2 p.

Важной характеристикой нагрузки является величина допусти­мой поглощаемой мощности. Существуют нагрузки для низкого уровня мощности (£1 Вт) и нагрузки, предназначенные для вы­сокого уровня мощности.

Конструктивное выполнение нагрузок зависит от типа линии передачи, диапазона частот и уровня мощности. Различают сосре­доточенные и распределенные нагрузки, причем последние пу­тем увеличения размеров и массы могут быть выполнены на боль­шую мощность.

В коаксиальном тракте простейшей нагрузкой является сосре­доточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопро­тивлению линии передачи. Однако на сантиметровых волнах раз­меры резистора соизмеримы с длиной волны, входное сопротив­ление становится частотно-зависимым и качество согласования заметно ухудшается. Для снижения коэффициента отражения и расширения рабочей полосы частот коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона волн часто выполняют в виде отрезков нерегулярной линии передачи с потерями. Поглощающие элементы в  таких нагрузках могут быть объемными  или в виде тонких поглощающих пленок.  Коаксиальная нагрузка с объемным  поглощающим элементом в виде конуса показана на рис.1, а. Хоро­шее качество согласования в этой конструк­ции достигается при длине поглощающего элемента 1³l.

Более распространены коаксиальные на­грузки с поглощающими элементами в виде керамических цилиндров, покрытых металлооксидными или углеродистыми проводя­щими пленками. Толщину пленки выбирают малой по сравнению с глубиной погруже­ния тока, поэтому поверхностное сопротив­ление пленки почти не зависит от частоты. Чтобы входные сопротивления коаксиальных нагрузок с цилиндрическими поглощаю­щими элементами были чисто активными и почти не менялись в значительном интер­вале частот, такие нагрузки снабжают не­регулярными металлическими экранами со специально подобранными профилями и раз­мерами.

На рис.1, б показана коаксиальная на­грузка с экраном ступенчатой формы. Найде­но, что оптимальное качество согласования при l³.61получается при выборе уменьшенного диаметра экрана в соответствии с соотношением: , где ZB — волно­вое сопротивление основного коаксиального волновода. Длина уступа внешнего проводника должна быть несколько меньше длины пле­ночного поглощающего элемента.

Наиболее широкополосные коаксиальные нагрузки имеют внеш­ний экран воронкообразной формы (рис.1, в). Например, при выборе формы экрана в соответствии с уравнением r(г)=аеАг (где а — диаметр внутреннего проводника коаксиального волновода; А — константа) нагрузка оказывается работоспособной при А>l. Суще­ствуют и более широкополосные коаксиальные нагрузки, экран ко­торых имеет профиль в виде специальной кривой — трактрисы.

Согласованные нагрузки для полосковых линий передачи представляют собой тонкопленочные полоски из резистивных материа­лов, нанесенные на полосковую плату и закороченные с одного конца на экран полосковой линии. Толщину полоски подбирают в несколько раз меньше глубины проникновения тока, а длина по­лоски может быть малой по сравнению с длиной волны. Однако из-за небольшой площади теплоотвода такие сосредоточенные на­грузки выдерживают лишь небольшую мощность. Для увеличения рассеиваемой мощности нагрузки выполняют в виде протяженных (l~l) отрезков регулярных или нерегулярных линий передаче с потерями.

Рис. 1 Коаксиальные согласованные нагрузки

При этом необходим специальный подбор формы поглощающей поверхности. В полосковых узлах СВЧ применяют также навесные нагрузки в виде керамических пластинок или стержней с нанесенным пленочным поглощающим покрытием. На полосковых платах при выполнении нагрузок и в других случаях части возникают трудности с осуществлением короткого замыкания полосковых проводников на экраны полосковых линий. При узкой полосе частот Df c/fo=5-8% эти трудности преодолевают применением четвертьволновых разомкнутых шлейфов, обладающих близким к нулю входным сопротивлением.

Волноводные согласованные нагрузки выполняют в виде погло­щающих вставок переменного профиля в отрезке короткозамкнутого волновода. В маломощных нагрузках вставки имеют вид тонких диэлектрических пла­стин, покрытых графитовыми или металлическими пленками (рис.2, а). Объемные погло­щающие вставки (рис.2, б, в, г) с большой мощностью рассеивания выполняют из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или кар­бида кремния.

Рис. 2 Волноводные согласованные нагрузки

Для уменьше­ния отражений поглощающим вставкам придают вид клиньев или пирамид. Наименьшие отражения в широкой полосе частот обеспечиваются от вставок, входная часть которых имеет форму экспоненциального клина в плоскости вектора Е. Для устранения отражения от короткозамыкателя вставка должна вносить ослабление 20—25 дБ. Для улучшения теплоотвода площадь сопри­косновения вставки со стенками волновода делают максимальной, а внешнюю поверхность волновода снабжают радиатором.

Реактивные нагрузки, применяемые в качестве мер при измере­ниях на СВЧ, а также в согласующих и управляющих устройст­вах СВЧ, должны обладать стабильным нормированным входным сопротивлением, величина которого может быть строго рассчитана по геометрическим размерам. В качестве реактивных двухполюс­ников обычно используют короткозамкнутые отрезки закрытых ли­ний передачи, иначе говоря короткозамкнутые шлейфы. Реактив­ное сопротивление короткозамкнутого шлейфа определяют по фор­муле, где ZВ — нормированное волновое сопротивление;  b - коэффициент фазы, l - длина шлейфа. Основным параметром, характеризующим качество реального шлейфа, является величина входного КСВ, которая должна быть как можно более высокой. 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   получаются ниже, однако,   как   правило, превышают  100. Холостой ход в шлейфах, т.е.   размыкание выхода, может  быть  реализован только в закрытых многопроводных   линиях    передачи, когда устранено излучение.

2.1        Поршни

 Возможные конструктивные  решения   подвижных  короткозамыкающих поршней для прямоугольных   волноводов   показаны на рис. 3 для продольных    сечений,     параллельных  узкой стенке волновода. В первой  конструкции   (рис. 3, а)  разрезные пружинные контакты А   вынесены   от  закорачивающей стенки В внутрь  вол­новода на расстояние lв/4. По­этому   контакты   оказываются в сечении волновода с нулевы­ми   значениями    продольного тока на стенках волновода, и неидеальность     контактов   не приводит   к   потерям   мощно­сти.

Рис. 3 Волноводные короткозамыкающие поршни:

1 — волновод;  2 — поршень;  3 — тяга

Во второй конструкции поршня (рис. 3,б) механические кон­такты А включены в волновод через два трансформирующих от­резка линии передачи с низкими значениями нормированного волнового сопротивления ZВ1 и ZВ2. Предполагая, что активное сопро­тивление контактов в точке А равно rа, и применяя дважды фор­мулу пересчета сопротивления через четвертьволновый трансформатор, находим  входное сопротивление в точках В: rB= =rA(ZВ1/ZВ2)2. При выборе ZВ1<<ZВ2 удается существенно уменьшить эквивалент­ное сопротивление контакта rA  и увеличить КСВ поршня.

В третьей конструкции поршня (рис. 3, в) точки механического контакта помещены в середину свернутого короткозамкнутого полуволнового отрезка линии передачи, состоящего из двух каскадно включенных четвертьволновых отрезков с волновыми сопротивлениями ZВ1 и ZВ2. К активному сопротивлению контакта rA добавляется бесконечное реактивное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа с волновым сопротивлением ZВ2, и сумма сопротивлений контакта и шлейфа трансформируется четвертьволновым отрезком с волновым сопротивлением ZВ1 в практически нулевое сопротивление в точке В (т. е. в точке В создается виртуальное короткое замыкание для токов СВЧ).

Рассмотренные принципы выполнения волноводных поршня непосредственно применимы и в коаксиальных поршнях для диа­пазона коротких сантиметровых волн. На дециметровых и более длинных волнах применяются коаксиальные поршни с обычными пружинными контактами в точках короткого замыкания линии передачи, так как четвертьволновые трансформирующие отрезки оказываются слишком громоздкими.

2.2   Диафрагмы

Диафрагмами называют тонкие металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода. В прямоугольном волноводе наиболее употребительны симметричная индуктивная, симметричная емкостная и резонансная диафрагмы, показанные на рис. 4.   

Рис. 4 Диафрагмы в прямоугольном волноводе

В индуктивной диафрагме (рис. 4,а) поперечные токи на широких стенках волновода частично замыкаются через пластины, соединяющие эти стенки. В магнитном поле токов, текущих по пластинкам диафрагмы, запасается магнитная энергия. Схема замещения индуктивной диафрагмы представляет собой индуктивность, вклю­ченную параллельно в линию передачи. Нормированную реактивную проводимость индуктивной диафрагмы bL определяют по прибли­женной формуле

                                                                            (2.2.1)

где  — длина волны в волноводе; а – размер широкой стенки волновода; dL — ширина зазора диафрагмы.

Емкостная диафрагма (рис. 4, б) уменьшает зазор между ши­рокими стенками волновода, между кромками диафрагмы концен­трируется поле Е и создается некоторый запас электрической энергия. Поэтому схемой замещения емкостной диафрагмы является емкость, включенная параллельно в линию передачи. Нормированная реактивная проводимость емкостной диафрагмы bс определяется по приближенной формуле

                                                                                          (2.2.2.)

где b — размер узкой стенки волновода; dc — ширина зазора диа­фрагмы. Емкостная диафрагма сильно снижает электрическую прочность волновода.

Резонансная диафрагма (резонансное окно) - металлическая пластинка с отверстием прямоугольной или овальной формы (рис. 4, в), содержащая в себе элементы индуктивной и емкостной диафрагм. Размеры отверстия резонансной диафрагмы могут быть выбраны так, чтобы на заданной резонансной частоте диа­фрагма не оказывала влияния на распространение волны H10 в волноводе, т. е. имела нулевую проводимость. Схема замещения резонансной диафрагмы имеет вид параллельного резонансного контура, включенного в линию передачи параллельно. Прибли­женно резонансную частоту резонансной диафрагмы определяют из условия равенства волновых сопротивлений линии передачи, эквивалентной волноводу, и отверстия диафрагмы на основании формулы (2.2.3):

                                                                                           (2.2.3)

                                                         (2.2.4)

Можно убедиться, что выбранной резонансной длине волны l0  в формуле (2.2.4) соответствует множество диафрагм с отверстиями различных размеров, начиная с узкой щели длиной l0/2 и кончая полным поперечным сечением волновода. Эти резонансные диафраг­мы обладают разной внешней добротностью, т. е. добротностью эквивалентного  колебательного LC-контура  с учетом  влияния   согласованной с двух  концов линии передачи, в ко­торую включен этот контур.

2.3   Штыри

Индуктивный    штырь,   показанный    вместе   со   схемой   замещения на рис.5, а, представляет собой проводник круглого сечения, установленный в по­перечном сечении прямо­угольного волновода по на­правлению силовых линий поля Е, и соединенный с двух концов с широкими стенка­ми волновода.

Рис. 5 Индуктивный штырь в прямоугольном волноводе

Схема заме­щения индуктивного штыря содержит параллельно вклю­ченную индуктивность и два последовательных емкостных сопротивления, учитываю­щих конечную толщину шты­ря. Номиналы элементов определяются по формулам и графикам, имеющимся в справочной литературе. Индуктивные штыри не снижают электри­ческой прочности волновода и просты в изготовлении. Когда необходимы низкие значения параллельного сопротивления ха, приме­няют решетки из нескольких индуктивных штырей, располагаемых в поперечном сечении волновода, как показано на рис. 5, б.

Емкостный   штырь    (рис. 6)    представляет     собой   круг­лый  проводник, установленный  по направлению силовых линий поля Е и соединенный одним концом с широкой стенкой волно­вода. Схема замещения емкостного штыря содержит последовательный LC-контур, включенный параллельно в линию передачи. Емкость этого контура связана с концентрацией поля E в области разомкнутого конца штыря, а индуктивность обусловлена прохож­дением токов по штырю. При некоторой длине штыря, близкой к l0/4, проводимость последовательного контура обращается в бесконечность, и волновод закорачивается.

Рис. 6 Емкостной штырь в прямоугольном волноводе

Более ко­роткие штыри имеют ем­костную проводимость: при длинах штыря, боль­ших резонансной, прово­димость носит индуктив­ный характер. Последова­тельные емкостные сопро­тивления в схеме заме­щения учитывают конечность толщины штыря. При малых диаметрах штыря эти сопро­тивления малы, и их влиянием можно пренебречь. Емкостные штыри в основном применяют в качестве регулируемых реак­тивных элементов, вводимых внутрь волновода с помощью резь­бовых отверстий на широкой стенке. Однако емкостные штыри заметно снижают электропрочность волноводов, и поэтому в мощ­ных трактах они не находят применения.

Страницы: 1, 2