Элементы конструкций линий передачи свч

Лекция 6. Элементы конструкций линий передачи свч

1. Соединения линий передачи СВЧ

Для сборки и разборки элементов тракта СВЧ они оснащаются специальными разъемами или соединительными устройствами. Такие разъемы должны обеспечивать надежный электрический контакт между соединяемыми устройствами. Они не должны снижать электрическую прочность тракта и вносить значительные отражения в тракт. Кроме того, разъемы должны обеспечивать необходимый уровень электрогерметичности тракта, т.е. минимальный уровень излучения электромагнитных волн из места соединения линий передачи.

В волноводных трактах применяют два типа соединений: контактное и дроссельно-фланцевое.

Контактное соединение может быть неразборным и разборным. Неразборное соединение волноводов осуществляется с помощью внешних муфт, надеваемых на место соединения с последующей сваркой или пропайкой (рис. 3.1, а). Разборное соединение выполняется в виде гладких фланцев, припаиваемых к концам волновода (рис. 3.1, б). Направляющие штифты обеспечивают необходимую точность установки волноводов.

Фланцы имеют отверстия, через которые с помощью болтов осуществляется стягивание соединения. Для улучшения контакта и обеспечения электрогерметичности между соединяемыми волноводами помещают тонкую контактную прокладку, выполняемую из бериллиевой бронзы. Края этой прокладки, примыкающие к стенкам волновода, рассечены и отогнуты в разные стороны. При необходимости герметизации тракта используют также резиновые прокладки. Контактное разъемное фланцевое соединение – |Г| < 0.1 в полосе работы волновода.

Рис 3.1. Соединение волноводов: а – неразъемное контактное; б – разъемное контактное; в – контактное с пружинящей прокладкой; 1 – припой; 2 – гладкий фланец; 3 – направляющий штифт; 4 – болт, 5 – контактная прокладка; б – резиновая прокладка

Рекомендуемые материалы

Дросселъно-фланцевое соединение обеспечивает надежный контакт между соединяемыми волноводами электрическим путем. Такое соеди­нение показано на рис. 3.2, а и отличается от контактного наличием кольцевой канавки во фланце глубиной d и шириной у и радиальной проточки с размером l и шириной z. Канавка представляет собой короткозамкнутый коаксиал, в котором возбуждается волна Н₁₁, а радиальная проточка – участок так называемого радиального волновода. Структура силовых линий электрического поля в волноводе и канавке с волной Н₁₁ показана на рис. 3.2, б. На рис. 3.2, в представлена эквива­лентная схема дроссельно-фланцевого соединения. Место механического контакта на этой схеме отмечено стрелкой. Дроссельная канавка вместе с радиальной проточкой представлены на эквивалентной схеме как два последовательно включенных короткозамкнутых шлейфа. Для того чтобы входное сопротивление этих шлейфов на рабочей частоте равнялось бы нулю, необходимо взять их общую длину l_л/2, а механический контакт расположить в нуле тока, т.е. на расстоянии l_л/4 от ко-роткозамыкаюшей перемычки. Таким образом, глубину канавки d следует взять равной l_H11/4, а размер проточки l = l/4. Диапазонность дроссельного соединения увеличивается, если у > z. Обычно у = (2...5)z. Дроссельно-фланцевые соединения обеспечивают |G|<0.01 в

полосе частот 20 %.

Рис. 3.2. Дроссельно-фланцевое соединение волноводов: а – конструкция соединения; б – структура электрическою поля в соединении; в – эквивалентная схема соединения

В коаксиальных трактах в качестве соединений используют высокочастотные разъемы штепсельного типа. При этом с одной стороны соединяемых коаксиалов размещается штыревой контакт, а с другой стороны – гнездовой. На практике находят применение различные типы коаксиальных высокочастотных разъемов. Пример конструкции одного из них приведен на рис. 3.3.

2. Изгибы и скрутки линий передачи СВЧ

При компоновке тракта СВЧ любой радиотехнической системы возникает необходимость применения изгибов и скруток. Эти элементы нарушают регулярность тракта и могут быть источником недопустимых отражений. В волноводных трактах используют изгибы (рис. 3.4). Размеры отражателей Х_Е и Х_H в изгибах, показанных на рис. 3.4, a, б, выбираются из условия обеспечения минимального значения коэффициента отражения Х_H = (0,6...0,7)a, Х_Е = 0,4b. В изгибе с двойным изломом (рис. 3.4, в) улучшение согласования достигается за счет уменьшения отражений от каждого из изломов и взаимной компенсации отраженных волн от каждого из них. Для этого расстояние между изломами l выбирается примерно равным l_в/4. Плавный изгиб (рис. 3.4, г) характеризуется своим радиусом r и углом поворота j. Чем больше радиус изгиба и меньше угол поворота, тем меньше отражения от изгиба. Для улучшения согласования длину изгиба следует выбирать кратной l_в/2.

В волноводных трактах используют также скрутки. Возможный вариант выполнения скрутки показан на рис. 3.5. Скрутка предназначена для изменения плоскости поляризации, распространяющейся по волноводу волны на требуемый угол. Для улучшения согласования скрутки ее длину выбирают кратной l_в/2.

Рис. 3.4. Волноводные изгибы: a – в плоскости Е; б – в плоскости H; в – в плоскости Е с двойным изломом; г – плавный

В жестких коаксиальных трактах используются уголковые и плавные изгибы (рис. 3.6). Для улучшения согласования простого уголкового изгиба уменьшают диаметр центрального проводника d =0,52r₁ (рис. 3.6, а) или делают срез центрального проводника на величину d =0,28r₁. Для улучшения согласования длина плавных изгибов должна быть кратной l_л/2.

Рис. 3.6. Коаксиальные изгибы: а – простой с согласующей протечкой; б – с согласующим срезом; в – плавный

3. Переходы линий передачи СВЧ (волноводные и коаксиальные).

Изменение сечения линий передачи необходимо, как правило, для их согласования с нагрузками (по волновому сопротивлению). Устройства, предназначенные для согласования линий передач с нагрузкой путем изменения их сечения или контролируемого введения в линию диэлектрического элемента, либо отрезка другой линии передачи, называются согласующими устройствами. Согласующие устройства делятся на узкополосные (подключаемые последовательно или параллельно с ЛП отрезки других ЛП – шлейфы) и широкополосные (частотные компенсаторы, ступенчатые переходы – трансформаторы и плавные переходы – неоднородные линии). Широкополосными называют устройства, работающие в полосе частот 10% и более. В технических требованиях к этим устройствам указывается полоса частот и допустимое рассогласование, K_св < K_св.доп в этой полосе. Задача широкополосного согласования возникает, например, при необходимости стыковки линий передачи с различными размерами или формами поперечных сечений, а также при работе тракта с широкополосными сигналами, например, линейно-частотномодулированными или шумоподобными.

Далее более подробно рассмотрим варианты исполнения широкополосных согласующих устройств в виде ступенчатых и плавных переходов на основе прямоугольных волноводов и коаксиалов.

Варианты кострукций ступенчатых переходов на основе прямоугольных волноводов и коаксиалов представлены на рисунке 3.7 (а, б). Схема ступенчатого перехода – трансформатор – на рисунке 3.7 (в)

Ступенчатые трансформаторы (переходы) применяются для согласования линии с активной нагрузкой или нагрузкой, имеющей небольшую реактивную составляющую. Ступенчатые трансформаторы представляют собой каскадное включение отрезков линий передачи с различными волновыми сопротивлениями (рис. 3.7 в.), но имеющими одинаковую длину l. Волновые сопротивления соседних ступенек отличаются на небольшую величину, и отражения от них невелики. Принцип работы ступенчатого трансформатора заключается в том, что всегда найдется хотя бы пара ступенек, отражение от которых компенсируется. Чем больше ступенек, тем лучше согласование и шире полоса пропускания. Структура трансформатора определяется числом ступенек п. Рис. 3.7. в Ступенчатый длиной ступеньки l и отношением трансформатор волновых сопротивлений соседних ступенек. Свойства трансформатора описываются его частотной характеристикой, которая представляет собой зависимость рабочего затухания L от частоты. Под рабочим затуханием понимают величину:

L = P_вх/P_вых или L = 10lg(P_вх/P_вых) [дБ],

где Р_вх, Р_вых – мощность на входе и выходе трансформатора соответственно. Затухание в трансформаторе определяется отражениями от его входа в полосе частот. При этом в качестве аргумента функции рабочего затухания L берут величину q = 2pl/l = 2pl/c, где с скорость света в вакууме. Поэтому частотная характеристика трансформатора представляет собой зависимость рабочего затухания L от электрической длины ступеньки.

Определение структуры трансформатора по заданным полосе частот 2Df и допустимому рассогласованию K_св.доп является задачей синтеза согласующего устройства. Решение этой задачи рассмотрено, например, в монографии Кац Б.М. и др. "Оптимальный синтез устройств СВЧ с Т-волнами" / Под ред. В. П. Мещанова. – М.: Радио и связь, 1984. – 288 с.

Плавные переходы (плавные волноводные и коаксиальные переходы представлены на рисунке 3.8 а, б) используются также для согласования активных нагрузок и могут рассматриваться как предельный случай ступенчатого перехода при увеличении числа ступенек п до бесконечности и неизменной длине перехода. Частотные характеристики плавных переходов непериодические. Наиболее часто употребляются на практике экспоненциальный переход (схема представлена на рисунке 3.8 в), чебышевский переход и вероятностный переход, являющийся предельным случаем ступенчатого перехода с максимально плоской характеристикой.

Плавный переход, по существу, является нерегулярной двухпроводной линией передачи, в которой погонные параметры и волновое сопротивление – функции продольной координаты. При этом эквивалентная схема элементарного участка такой линии длиной dz имеет вид, как и для регулярной линии (см. рис. 1.10). Поэтому остаются справедливыми телеграфные уравнения (1.2). Все входящие в эти уравнения величины зависят от z. В частности, для двухпроводной экспоненциальной линии (рис. 2.12) при увеличении z растет |Z₁|, а |Y₁| уменьшается.

Это обусловлено увеличением погонной индуктивности L₁ и уменьшением погонной емкости С₁ вызванными увеличением расстояния между проводами. Можно подобрать геометрию линии так, чтобы

оставалась постоянной вдоль линии величина k = . Можно показать, что волновое сопротивление в такой линии изменяется по экспоненциальному закону:

W = W₀e^bz, b ¹ 0,

где W₀ – волновое сопротивление в начале линии; b – коэффициент, определяющий скорость изменения волнового сопротивления вдоль линии. Подбирая значения W₀ и b, можно обеспечить широкополосное согласование. Эффективность согласования зависит от скорости изменения волнового сопротивления вдоль линии. Чем медленнее изменяется W, тем шире полоса согласования и больше длина перехода.

Недостатком плавных экспоненциальных переходов является их большая длина при значительных перепадах волнового сопротивления. Например, при W(z=l) /W₀ = е^bl = 7,4 и допуске на рассогласование |Г_max| £ 0,05 длина перехода l ³ 3l. При этом длина оптимального че-бышевского перехода в 3¸4 раза меньше. Среди плавных переходов при одинаковых перепадах волновых сопротивлений, нижней граничной частоте и допуске на рассогласование наименьшую длину имеют чебышевские переходы.

Сравнение ступенчатых и плавных переходов показывает, что при одинаковых параметрах длина ступенчатого перехода заметно меньше, чем плавного. Однако при этом полоса пропускания плавного перехода гораздо шире. При повышенных требованиях к электрической точности плавный переход предпочтительнее ступенчатого. Снижение электрической прочности последнего объясняется концентрацией электромагнитного поля в местах стыков отдельных ступенек. Следует отметить, что существует теоретическое ограничение на ширину полосы согласования, которое устанавливается теоремой Фано:

Как проводится психологическое консультирование - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

2Df/f = p/(Q ln|Г|),

где Q – добротность нагрузки, определяемая как отношение реактивной мощности, накапливаемой в нагрузке на средней частоте f₀, к мощности тепловых потерь. Согласование невозможно также на частотах, соответствующих бесконечно большим реактивным сопротивлениям или проводимостям нагрузки.

4. Волноводные разветвления