63927 (Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн), страница 4

где а — радиус раскрыва и d — расстояние между корректорами. Одной из основных характеристик системы является дифракционный параметр

. (3.4)

Практически все теоретические результаты для линий и резонаторов получены для условий, когда соотношения хорошо выполняются (резонаторы и линии для квантовых генераторов).

Потери в лучевых волноводах:

1. Дифракционные потери являются характерной особенностью лучевых волноводов. Благодаря этому виду потеоь лучевые волноводы обладают хорошо выраженными свойствами самофильтрации. Дифракционные потери регулярного конфокального лучевого волновода определяются только величиной параметра С. Соответствующим выбором значения С дифракционные потери могут быть сведены к сколь угодно малым значениям. Следует оговорить, что вопрос о допустимом уровне дифракционных потерь при расчете линии передачи должен быть решен с учетом всех остальных видов потерь, так как при очень малых дифракционных потерях (по отношению к остальным) свойства лучевого волновода ухудшаются - теряются селективные свойства и неоправданно возрастают габариты.

2. Потери на отражение для одной линзы линзового лучевого волновода равны

Дб , (3.5)

где Г - коэффициент отражения по мощности.

3. Тепловые потери в линзе определяются в первую очередь величиной тангенса угла потерь tg исходного диэлектрика и его толщиной. Поскольку линза неравномерна по толщине, то поглощение в ней зависит еще и от распределения поля.

Величина тепловых потерь на одиночной линзе для волн ТЕМmn определяется следующим выражением:

Дб, (3.6)

где D0—максимальная толщина линзы.

4. Потери в среде всегда должны учитываться при построении субмиллиметровых линий передачи. Средой, в которой происходит распространение радиоволн при использовании квазиоптических методов, является, как правило, атмосферный воздух. Известно, что для волн с частотой ниже 1 Ггц атмосфера является практически прозрачной. Ослабление энергии весьма мало даже при большой протяженности линии передачи. На более высоких частотах сказываются два фактора:

- поглощение и рассеивание радиоволн на сосредоточенных объектах, присутствующих в воздухе;

- резонансное поглощение в атмосферных газах и парах воды.

5. Потери на возбуждение возникают в том случае, когда амплитудное и фазовое распределение волны, поступающей на вход лучевого волновода, отличается от распределения рабочей волны (первой собственной волны). Действительно, возбуждающее поле может быть разложено в ряд по собственным волнам регулярного лучевого волновода. Коэффициенты разложения будут представлять собой амплитуды возбуждаемых волн. Поскольку волны высших порядков при распространении в линии быстро затухают, энергия, затраченная на их возбуждение, теряется впустую.

4. Элементы трактов субмиллиметрового диапазона

В связи с изобретением и широким применением на практике лучевых волноводов возникла необходимость в разработке вспомогательных устройств, позволяющих управлять канализируемой энергией электромагнитных волн. В СВЧ диапазоне используются различные волноводные элементы: тройники, двойные тройники, направленные ответвители, аттенюаторы, делители мощности, согласованные поглощающие нагрузки, различного вида согласующие устройства и т. д.

Как и в обычных металлических волноводных линиях, связь генератора или передающей квазиоптической линии с измерительными приборами различного назначения осуществляется с помощью направленного ответвителя. Основное назначение этого устройства - ответвить некоторую часть энергии электромагнитных колебаний, проходящей по линии передачи в прямом или обратном направлении. Кроме этого он может использоваться как постоянный или переменный аттенюатор при измерении больших уровней энергии, в измерителях проходящей мощности, измерителях коэффициента стоячей волны, для связи индикаторов или спектральных приборов, контролирующих работу линии при настройке, и т. д.

4.1 Направленные ответвители

Рассмотрим различные варианты построения направленных ответвителей.

Если электромагнитная волна падает под углом 45° на проволочную решетку или диэлектрическую пластину, то ее энергия делится на две части: одна часть проходит прямо, а другая отражается под прямым углом к направлению пришедшей волны. Величина ответвленной энергии зависит от коэффициентов пропускания и отражения полупрозрачной пластины. В случае применения проволочной решетки коэффициент отражения зависит от густоты расположения проволок, точнее от отношения шага к длине волны облучающего сигнала. По мере укорочения длины волны или при увеличениишага решетки коэффициент отражения уменьшается.

Заметим, что коэффициент отражения делителя с решеткой зависит от поляризации волны. Благодаря этому имеется возможность изменять величину отражения. Если угол между направлением вектора Е и проволочками равен , то коэффициент отражения

г' = г sin . (4.1)

Коэффициент отражения тонкой диэлектрической пластинки, как известно, определяется величиной диэлектрической проницаемости материала. Для пластины, расположенной под углом 45° к направлению распространения электромагнитной волны, он может быть найден из соотношения:

. (4.2)

Если один диэлектрик расположен вблизи другого, как, например, в случае двух призм, то, как было замечено Бозе, происходит переход энергии из одной призмы в другую. Изменяя расстояние между призмами, можно получить отношение переданной и отраженной энергии электромагнитной волны от нуля до очень большой величины.

Квазиоптический призменный направленный ответвитель характеризуется теми же параметрами, что и волноводный: переходным затуханием, направленностью и диапазоном рабочих частот.

Направленность ответвителя характеризует отношение мощностей электромагнитных волн, распространяющихся в побочном плече в противоположных направлениях при бегущей волне в основной линии. Эта величина выражается в децибелах и может быть найдена как:

. (4.3)

Направленность квазиоптического ответвителя зависит от толщины воздушного зазора между призмами и рабочей частоты. Она может изменяться в широких пределах.

Рабочий диапазон призменного устройства весьма широк. С увеличением частоты он ограничивается допусками на обработку поверхности призм и требованиями к механизму перемещения. Ограничение со стороны длинных волн обычно обусловлено конструктивными элементами. Действительно, при увеличении длины волны сигнала, с одной стороны, оказывается необходимым увеличить размеры призм из-за расширения волнового пучка, с другой стороны, для достижения тех же характеристик потребуется увеличить воздушный зазор между призмами, а механизм перемещения имеет ограниченные возможности.

4.2 Аттенюаторы

Зависимость ответвляемой мощности от величины воздушного зазора призменного направленного ответвителя может быть также использована при конструировании аттенюаторов для квазиоптических линий передачи. Как известно, аттенюаторы используются для уменьшения мощности, поступающей от источника колебаний к нагрузке или развязки сверхвысокочастотных цепей между собой для уменьшения их взаимного влияния. Степень уменьшения мощности или затухание аттенюаторов выражается в децибелах:

, (4.4)

т. е. определяется отношением мощности колебаний на выходе устройства (P1/) к мощности приходящего сигнала (P1).

Если аттенюатор используется совместно с измерителем малой мощности, то поступающая к нему мощность связана с измеренной следующим образом:

Р1=Р1/*100,1В

В субмиллиметровых квазиоптических линиях передачи наибольшее распространение нашли призменные, поляризационные и поглощающие аттенюаторы. Причем призменные устройства в известной степени являются аналогами предельных аттенюаторов сантиметрового диапазона радиоволн.

Для ослабления сигнала в квазиоптической линии передачи может быть использован поляризационный аттенюатор. В основу конструкции устройства положена зависимость уровня сигнала, прошедшего через проволочную или ленточную решетку, от угла, образованного направлением вектора электрического поля Е и лентами или проволоками.

Рис. 4.1. Схема решетчатого аттенюатора

Из теории дифракционных решеток известно, что если плоская электромагнитная волна падает на решетку нормально к ее поверхности, то происходит искажение конфигурации поля, характеризующееся отраженной волной (коэффициент отражения а0) и прошедшей волной (коэффициент прохождения Ь0).

Для поляризационного квазиоптического аттенюатора обычно используются густые проволочные или ленточные решетки, у которых период связан с длиной волны облучающего поля неравенством

L<<

Рис. 4.2 Схема поляризационного аттенюатора с двумя дифракционными решетками

Существенным недостатком поляризационного аттенюатора на одной решетке является то, что он сам изменяет поляризацию сигнала. Это во многих случаях практики недопустимо. Поэтому была предложена система из двух решеток, свободная от указанного недостатка.

На рис. 4.2 показано взаимное расположение двух решеток. Причем одна из них может быть повернута на произвольный угол относительно другой. Неподвижная (внешняя по отношению к падающей волне) решетка предназначена для восстановления первоначальной поляризации сигнала, т. е. для того, чтобы исключить влияние решетчатого аттенюатора на вид поляризации электромагнитной волны, распространяющейся по тракту.

Обычно для решеток аттенюатора выполняется условие l<< . Для случая взаимного расположения решеток, показанного на рис. 4.2, составляющая падающего поля Ех полностью пройдет через неподвижную решетку, а составляющая Еу, возникающая после прохождения через подвижную решетку, отразится и не пройдет дальше неподвижной решетки.

Затухание двухрешетчатого аттенюатора подсчитывает-ся по формуле:

Дб. (4.5)

4.3 Модуляторы

Используемые в диапазоне субмиллиметровых волн генераторные лампы не дают возможности осуществлять амплитудную модуляцию сигнала без сколько-нибудь заметных смещений частоты. Здесь практически приемлемой становится лишь амплитудная модуляция в линии передачи, основанная на активном поглощении части энергии без заметного отражения в источник излучения, так как последнее также может привести к неустойчивости частоты генератора.

Полупроводники, проводимость которых может электрическим путем меняться во много раз, позволяют создать активные модуляторы для линий передачи всех диапазонов длин волн начиная от метровых и кончая коротковолновым участком инфракрасного спектра. Основные конструктивные особенности модуляторов в соответствующем диапазоне частот в значительной степени определяются механизмом взаимодействия электромагнитных волн с полупроводниковым материалом и способом канализации энергии.

Поскольку с укорочением длины волны начинают сказываться явления, которые не проявлялись заметно на более низких частотах (дисперсия показателя преломления и показателя поглощения ряда веществ, увеличение потерь и др.), то в субмиллиметровом диапазоне для решения необходимых практических задач требуются совершенно новые методы и технические приемы. В частности, имеется тенденция решать практические и исследовательские задачи в субмиллиметровом диапазоне методами, принятыми в оптике. Управление энергией в этом диапазоне также целесообразно осуществлять, используя некоторые оптические свойства полупроводников, связанные с поглощением фотонов малой энергии.

Практически это можно осуществить, располагая на пути пучка электромагнитной энергии некоторый объем полупроводника, оптическая плотность которого может меняться вследствие изменения концентрации или подвижности свободных носителей тока. При этом используются процессы, совершающиеся в объеме тел, а не в очень малых по сравнению с длиной волны областях (как, например, в точечном диоде).

Наиболее простой метод изменения концентрации свободных носителей тока — это инжекция неосновных носителей с помощью р-п перехода. В этом случае модулятор представляет собой полупроводниковую пластинку, на одном конце которой имеется р -п переход, а на другом — неинжектирующий эксклюзионный п-п+ или р-р+ переход («омический контакт»). Пластинка располагается поперек сфокусированного пучка энергии в лучевом волноводе, заполняя все его сечение, причем контакты находятся за пределами электромагнитного поля. При пропускании тока через такой диод изменяются концентрация носителей тока в объеме вследствие инжекции неосновных носителей тока из р-п перехода при этом изменяется' и прозрачность слоя по отношению к электромагнитной энергии. Так может быть осуществлена модуляция энергии в лучевом волноводе.

Плоский слой вещества с управляемой концентрацией носителей тока обладает свойствами, интересными с точки зрения применения их для управления электромагнитным излучением. Отраженная от слоя и прошедшая сквозь слой энергия, а также коэффициент модуляции прошедшей энергии являются осциллирующими функциями относительной толщины слоя

(d—толщина слоя, - длина волны электромагнитного излучения, - диэлектрическая проницаемость полупроводника). При этом возможен ряд вариантов.

Когда толщина слоя кратна половине длины волны в нем, коэффициент отражения, начальные потери и скачок фазы отраженной волны минимальны и слабо растут с увеличением проводимости слоя; коэффициент модуляции прошедшей волны максимален (т = 80 - 90%).

Если толщина слоя полупроводника кратна четверти длины волны в нем, то коэффициент отражения и начальные потери максимальны, скачок фазы отраженной волны мал (несколько градусов), коэффициент модуляции минимален.

Широкополосность модуляторов можно увеличить применением, например, антиотражающих покрытий или такой ориентировкой образца, при которой коэффициент отражения вертикально-поляризованной волны минимален. В качестве согласующих материалов используются кварц, полиэтилен, слюда.

5. Измерение частоты и мощности в субмиллиметровом диапазоне

5.1 Измерение частоты и длины волны

Частота или длина волны колебаний субмиллиметрового диапазона является одной из основных характеристик, подлежащих определению при аттестации генераторов и приемников, диагностике плазмы и изучении свойств различных веществ как твердых, так и газообразных. Особенно важно знать точное значение частоты или длины волны колебаний при спектроскопических исследованиях.

Развитие радиотехники миллиметрового диапазона радиоволн, освоение нового, более коротковолнового субмиллиметрового диапазона потребовало разработки специальных приборов для измерений частоты и длины волны. Принципиально возможны два пути решения этой задачи: использование хорошо известных радиотехнических методов частотных измерений и не менее хорошо разработанных оптических методов измерений длины волны с помощью различных оптических резонаторов (интерферометров) и дифрактометров. Кроме этого, возможны гибридные системы, использующие как радиотехнические, так и оптические методы измерений.

В свободном пространстве скорость движения волны v равна скорости света с. При распространении радиоволн в различных средах и линиях передачи их фазовая скорость отличается от скорости света. Фазовая скорость, или фазовая длина волны в волноводах, зависит от их формы и геометрических размеров. Итак, при постоянной частоте колебаний f их фазовая скорость и длина волны не являются постоянными величинами при распространении в различных средах и линиях передачи. В то же время частота колебаний не зависит от условий распространения электромагнитной энергии и является постоянным параметром, характеризующим электромагнитное колебание.

В практике измерений на СВЧ удобно пользоваться термином «длина волны», так как геометрические размеры колебательных систем соизмеримы с длиной волны. Благодаря этому имеется возможность во многих случаях свести измерение длины волны колебаний к измерению линейных или угловых перемещений рабочих элементов. Для более точных измерений используется метод сравнения частот эталонов того или иного типа или их гармоник с частотой неизвестного колебания.

Рассмотрим теперь конкретные примеры построения волномеров и частотомеров субмиллиметрового диапазона радиоволн.

5.1.1 Волномеры с объемными резонаторами

В сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн, особенно в длинноволновом его участке, широкое распространение получили волномеры, использующие резонансные явления в отрезках коаксиальной линии или в круглых и прямоугольных волноводах.

Для иллюстрации на рис. 5.1 приведены их упрощенные схемы. С помощью подвижного поршня 2 изменяется длина камеры l, т. е. ее резонансный объем. Связь с линией передачи осуществляется через отверстия связи 3. Момент резонанса фиксируется по показаниям индикаторного прибора (микроамперметра), включенного в цепи детектора. В зависимости от схемы включения волномера микроамперметр в момент резонанса покажет либо минимум тока (рис. 5.1, а и в), либо максимум (рис. 5.1, б). В этом случае длина резонатора будет кратна целому числу полуволн, т. е.

(5.1)

где — длина волны в волноводе; п — целое положительное число.

Продолжая движение поршня в сторону укорочения или удлинения линии, добиваются повторных резонансов. Разность отсчетов положения поршня между двумя соседними резонансами равна половине длины волны в волноводе.