Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 30
Текст из файла (страница 30)
4.1,а,б) в качестве делителей мощности используют диэлектрические пластинки или пленки, а также сетки из тонких параллельных проволок. В диэлектрическом делителе пучка отношение мощностей прошедшей и отраженной волн определяется показателем преломления и= р а материала, его толщиной 4!, углом падения О и поляризацией па- ~~ г д/ е/ Рпс.
4.1. Схемы впазноптичеохих входных устройств: делителей мошноспн (а, б), ннтерферометров (в — е) дающего излучения. С учетом многолучевой интерференции в пластинке [164) коэффициент отражения мощности 4/! 21пз (Х/2) (4.1) (1 — Й)2+40 21пз(Х/2) а коэффициент прохождения В этих формулах )(=(4п/Х)пе(созтр; Х вЂ” длина волны в воздухе (считаем п„х — — 1); 1Р— Угол пРеломленнЯ, свЯзанный с Углом падения 0 формулой Сиеллиуса пз[п4р=з(п0. Коэффициент однократного отражения Й на границе раздела диэлектрик — воздух для излучения, поляризованного параллельно и перпендикулярно плоскости падения, определяется выражениями ( и соз 0 соз Ч1 ) ) 1 ( соз 0 и соз 4р ) (4 Проволочные сетки с шагом бк 0,05).
и отношением диаметра проволок к шагу 0,15 ... 0,35 практически полностью отражают излучение с электрическим вектором, параллельным проволокам, и пропускают без ослабления излучение, поляризованное перпендикулярно проволокам. Если на рис. 4.1,б сетка повернута в диагональной плоскости так, что ее проволоки составляют угол тр с электрическими векторами сигнала и гетеродина, лежащими в плоскости рисунка, то коэффициенты передачи мощности сигнала и гетеродииа в этой поляризации равны К,=з(петр, К,=соззтр. Двухлучевые интерферометры тоже используют диэлектрические или сетчатые делители мощности.
На рис. 4.1,в показана наиболее простая схема интерферометра Цандера †Ма, состояшая из двух диэлектрических делителей луча, установленных под углом 0=45' к пересека1ощимся под прямым углом пучкам сигнала и гетеродина, и подвижного 90-градусного уголкового отражателя, регулирующего разность хода Л в плечах интерферометра. С учетом того, что волна, прошедшая сквозь диэлектрическую пластинку, опережает по фазе отраженную волну на 22/2, коэффициенты передачи мощности со входов 1 и 4 на выходы 2 и 3 равны (138, 165! К„=1 — 2й„(1 — й,) [1+сох (2я/)/Х)[; К41 = 2/т (1 — й„) [1+сов (2яЛ/Х)); /'12 ! К12 К42 К43 ! К42 К12' Здесь й,— коэффициент отражения мощности, определяемый формулой (4.1) при 0=45'.
Для любого значения /т, и 1, т=О, 1. 2, ... при Л=(т~(21+1)/2!). К12=1, К42=0. При Ь=т). К12=(1 — 2й,)', К42=4й,(1 — й,), так что для А,=0,5 Км=О и Кзз=1. Выбирая для сигнала путь 1 — 2, максимальный коэффициент передачи по которому равен единице независимо от величины й„условия одновременной передачи на выход 2 максимальной мощности сигнала в полосах приема Л+ и Х и гетеродина можно записать в виде Ь=[гп+(21+1)/2]Х+., Ь=ту; Ь= [т — (2!+1!/2]Х . (4.6) Отсюда Ь= (21+1)3ч/2. (Здесь Х~ — длина волны промежуточной частоты.) Для получения максимальной полосы устройства выбирают Е=О, чему соответствует Ь=Х~/2. При отклонении частот гетеродина и сигнала от центральных значений на величины Ь/„Ь/+ и Ь/ для такого полуволнового интерферометра при й,=0,5 из (4.4) получаем К1$ (Ь/ ) = (1/2) [1 + соз (ЛЬЫ/0)1; ] ° К„(Ь/,) = (1/2) (! + сс (яЬ/,!/,)); ! (4.7) Кхз (Ь/~) = (1/2) [1 соз (яЬ/~//в)).
Последнее из этих выражений характеризует подавление шумов гетеродина в полосах приема сигнала. Интегрируя соотношения для Ки(Ь/+) и Кзз(Л/ ) по Ь/ в пределах полосы УПЧ П и беря отношение интегралов, получаем коэффициент подавления полу- волновым интерферометром шумов гетеродина, поступающих в смеситель в обеих боковых полосах, по отношению к входному шумовому сигналу в одной боковой полосе: ж ! — "~ при П<</,. 24 Г /ч~' ~ п~ Свойства интерферометра Цандера — Маха существенно меняются, если разность хода удовлетворяет соотношениям Киа(Ь//) =Кгз(Ь/з) .= (1/2)'[! ~сов(яЬЯ2/а) ]; Кьз (Ь/~) = Кзз (Л/з) = (1/2) [1 Ч=соз (яЬ/ /2/о) ]; Каз (Ь/г) = (1/2) [1 — з1п (лЬ/г/2/о) ]; Кзз (Ь/г) = (1/2)'[1+3!и (лЬ/г/2/а) ]. (4.8) Для полосы Ь/+ коэффициент передачи Кы(Ь/+) по-прежнему близок к единице, но для полосы Ь/ К~я(Ь/ ) близок к нулю.
Потери мощности гетеродина в таком иитерферометре составляют Гдз Л= [т+ (2!+1)/2]Х+, Ь=тХ При этом Ь=(21+1)лч/4 и для Е=О получаем Ь=йэ/4. Такой четвертьволновый интерферометр при /г,=0,5 обладает следующими коэффициентами передачи: около 3 дБ. Другая половина мощности гетеродина и большая часть мощности сигнала в полосе частот Ь/ направляются в плечо 3, Таким образом, четвертьволновый интерферометр обеспечивает одиополосный (Ь/+) режим смесителя в плече 2.
Другая полоса (Ь/ ) может приниматься вторым смесителем„установленным в плече 3, Недостатком этой схемы является подавление шумов гетеродина только в полосе Ь/+ для плеча 2 и полосе Ь/ для плеча 3. Шумы гетеродина могут быть предварительно отфильтрованы в дополнительном полуволновом интерферометре или рассматриваемом ниже иитерферометре Фабри — Перо. Интегрируя выражения для Км(Ь/+) и Кы(Ь/ ) поЬ/в пределах полосы ПУПЧ, получаем коэффициент подавления шумового сигнала в нижней боковой полосе относительного шумового сигнала в верхней боковой полосе: Приведенные выше частотные зависимости коэффициентов передачи были получены при Й,=0,5, когда в интерферометре не возникает дополнительных потерь. Это значение должно считаться оптимальным при расчете диэлектрических делителей пучка.
А„определяется (4.1) и изменяется с частотой вследствие зависимости от Х разности фаз Х. Однако коэффициенты передачи между входами и выходами интерферометра мало меняются при умеренных отклонениях от оптимального значения 0,5. Например, при 0,3(й„(0,7 для Ь=гцХ согласно (4.5) Кы(0,16, К~з)0,84. Из (4.1) видно, что выполнение условия й„ж0,5 обеспечивается в максимальной полосе в случае, если показатель преломления и и толщину диэлектрика гЕ выбрать так, чтобы на центральной частоте разность фаз т=я, а й„несколько превышало 0,5.
Тогда при отклонении частоты й„будет уменьшаться, проходя оптимальное значение 0,5. Для излучения, поляризованного перпендикулярно плоскости падения, как видно из (4.1) и (4.3), необходимое значение показателя преломления в=2. В частности, для плавленого кварца я=1,96 [92] и я„) „„=0,55. Для излучения, поляризованного в плоскости падения, следует выбирать значение лт3,6. Рассматриваемая схема интерферометра может быть реализована как на сверхразмерных волноводах, так и на гауссовых пучках излучения в свободном пространстве. В сверхразмерных волноводах возникают дополнительные потери мощности из-за затухания в стенках и разрывов волноводов в местах установки делителей мощности и зеркал. Эти потери составляют в реальных устройствах около 1 дБ.
С укорочением Л чаще применяют интерферометры на гауссовых пучках. В этом случае дополнительные потери возникают из-за неодинаковой расходимости пучков в плечах иитерферометра при наличии разности хода Ь. В [165] по14я казано, что в интерферометре с А,=0.5 максимальный коэффициент передачи сигнала К|х . ж1 — а~/2; а=АЛД2яв'о), (4.10) где шч — параметр поперечного распределения электрического поля в перетяжке гауссова пучка: Е=Е0ехр( — гав'ч). Для достижения этого максимального значения коэффициента передачи разность хода Л должна быть изменена на малую величину аХ/2я.
Если допустить дополнительные потери, равные 0,2 дБ, то для разл1ера пучка в перетяжке получаем оценку шч)~ З,ЗАЛ/2л. С учетом того, что минимальный диаметр гауссова пучка должен быть не менее 4иж разность хода в простом интерферометре Цандера— Маха (см. рис. 4.1,в) не может быть сделана меньше 8во. Например, если А=2 мм, 1ч — — 1,5 ГГц то в полуволновом интерферометре А=100 мм, шва!0 мм, и он может быть реализован с дополнительными потерями не более 0,2 дБ по рассматриваемой схеме. Если же [ч- 2 ГГц, то необходимая разность хода Л(8щ, и, чтобы избежать добавочных потерь за счет диафрагмнрования пучков, следует использовать более сложные схемы интерферометров, позволяющие получить малые разности хода Л. Один из возможных вариантов приведен на рис.
4.1,г [165). Аналогичные частотные характеристики могут быть йолучены в поляризационном интерферометре, схема которого изображена на рис. 4.1,д. Гетеродин и сигнал вводятся в интерферометр в ортогональных поляризациях с помошью проволочной решетки 5. Роль делителя мощности пучков пополам играет такая же решетка 6, проволоки которой ориентированы под углом ф=45' к поляризациям сигнала и гетеродина. Двухгранные 90-градусные уголковые отражатели повернуты вокруг осей пучков на угол 45; относительно проволок решетки 6. При этом плоскости поляризации составляющих поля, отраженных от решетки 6 и прошедших сквозь нее, поворачиваются уголковыми отражателями на 90 так, что ие обратном пути они соответственно проходят решетку или отражаются от нее и поступают к смесителю. На выходе полуволнового интерферометра шумы гетеродина оказываются поляризованными ортогонально сигналу и гетеродину и отражаются проволочной решеткой 7 на выход 3.
В четвертьволновом иятерферометре сетка 7 отражает к выходу 3 боковую полосу приема вблизи ), половину мощности гетеродина и его шумы на частотах вокруг [+, на этом выходе можно установить смеситель на вторую боковую полосу. Как и рассмотренный выше интерферометр Цандера — Маха, поляризационный интерферометр может быть реализован либо в сверхразмерном волноводе [1661, либо на свободных пучках [18!. Дополнительные потери мошности вызываются теми же причинами и в волноводном исполнении оказываются несколько выше (1 ...
1,5 дБ по сравнению с 0,2 ... 0,3 дБ на свободных пучках). В качестве квазиоптического устройства сложения мошиости сигнала и гетеродина может быть также использован интерферо- 150 метр Фабри — Перо, состоящий из двух частично (с коэффициентом отражения 11) отражаюших зеркал, расположенных на расстоянии г! друг от друга (рис.
4.1,е). Коэффициенты отражения и прохождения мощности через интерферометр даются формулами (4.1), (4.2), где Х='(4лд/А)созй (а=1, ~р=й). Максимумы пропускания интерферометра наблюдаются при Х= оп, где т= =О, 1, 2, ..., и, если 1 — !7~1, добротность устройства может быть весьма высокой, а пики пропускания — острыми [1641. Если сигнал и гетеродин наклонно падают с противоположных сторон на интерферометр, настроенный на пропускание сигнала (луч 1), то будет обеспечен однополосный режим работы приемника при малых, в отличие от рассмотренных выше двухлучевых четвертьволновых интерферометров„потерях мошности гетеродина (луч 2). При этом, однако, в смеситель по-прежнему поступает шум гетеродина во второй боковой полосе, а сигнал в этой полосе теряется„отразившись от интерферометра (луч 3). Если интерферометр настроен на пропускание гетеродина (луч 1), то он обеспечивает двухполосный режим работы для сигнала по лучу 2 и подавление (отражение по лучу 3) шумов гетеродина в обеих боковых полосах и близок по характеристикам к двухлучевому полуволновому интерферометру.
При наклонном падении луча сушествуют дополнительные потери мощности из-за дифракции и искажения прошедших и отраженных пучков. Они возникаютза счет пространственного сдвига осей составляющих их парциальных пучков постепенно умеиьшаюшейся амплитуды при многократных лереотражениях между зеркалами и постепенной расходимости этих пучков. Потери ул1еньшаются при увеличении диаметра гауссова пучка и уменьшении угла падения 8 [1651. В качестве частично отражаюших зеркал могут быть использованы перфорированные диски из фольги, проволочные сетки и тонкие диэлектрические пластины. УСТРОИСТВА СВЯЗИ ГЕТЕРОДИНА СО СМЕСИТЕЛЕМ НА ВОЛНОВОЛАХ ОСНОВНОГО СЕЧЕНИЯ Принципы конструирования устройств связи на волноводах основного сечения в ММ диапазоне мало отличаются от хорошо развитых в технике СВЧ [1, 801.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
