Линий передачи (стр. 6 из 8)

5.4. Емкостный штырь [2, 3]

Емкостный штырь (рис. 24) представляет собой круглый проводник, установленный по направлению силовых линий напряженности электрического поля Е и соединенный с 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 Е в области разомкнутого конца штыря, а индуктивность обусловлена прохождением токов по штырю.

При некоторой длине штыря, близкой к λ₀/4, проводимость последовательного контура обращается в бесконечность и волновод закорачивается. 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.

Рисунок 24 - Емкостный штырь в прямоугольном волноводе

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 не применяются.

6. Согласованные нагрузки [2,3]

Согласованные (не отражающие) нагрузки предназначены для поглощения СВЧ мощности, передаваемой по линии передачи, и используются в виде меры сопротивления в измерительных устройствах СВЧ, а также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры.

Основной характеристикой согласованной нагрузки является модуль ее коэффициента отражения |ρ| (или соответствующие значения КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. Технически возможно создание согласованных нагрузок с входным коэффициентом стоячей волны (КСВ)<1,05 ( |ρ| ≤ 0,01) в полосе частот 20-30 % и более. Ввиду малости |ρ| требования к фазе коэффициента отражения от нагрузки не предъявляются и эта фаза может иметь любое значение в интервале 0 – 2 π.

Важной характеристикой нагрузки является допустимая поглощаемая мощность. Существуют нагрузки для низкого уровня мощности (не более 1 Вт) и для высокого уровня мощности.

Способы выполнения нагрузок зависят от типа линии передачи, диапазона частот и уровня мощности. Различают сосредоточенные и распределенные нагрузки. Распределенные нагрузки получают путем увеличения размеров могут быть выполнены на большую мощность.

6.1. Волноводные согласованные нагрузки [1-3]

Конструктивно волноводные согласованные нагрузки представляют собой отрезок короткозамкнутого волновода размером 1-3 длины волны, внутрь которого помещены поглощающие вставки переменного профиля. В маломощных согласованных нагрузках вставки имеют вид тонких диэлектрических пластин, покрытых графитовыми или металлическими пленками (рис. 25а). Объемные поглощающие с большой мощностью рассеяния выполняются из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или карбида кремния (рис. 25г). Для достижения малого отражения вставки имеют вид клиньев или пирамид, обеспечивающих постепенное заполнение поперечного сечения вставки поглощающим материалом. Для устранения отражения от короткозамыкателя вставка должна вносить ослабление 20-25 дБ. При очень больших мощностях (сотни ватт и более) для улучшения теплоотвода площадь соприкосновения вставки со стенками волновода делают максимальной, а корпус волновода снабжают радиатором или водяной рубашкой.

Рис. 25 – Волноводные согласованные нагрузки

6.2. Коаксиальные согласованные нагрузки

В коаксиальном тракте простейшей согласованной нагрузкой является сосредоточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии. Однако хорошее согласование в этом случае осуществляется, если размер резистора во много раз меньше длины волны. Но на сантиметровых волнах размеры резистора становятся соизмеримыми с длиной волны, что приводит к ухудшению качества согласования и зависимости его от частоты. Для снижения коэффициента отражения и расширения рабочей полосы частот коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона часто выполняются в виде отрезков нерегулярной линии передачи с потерями. Поглощающие элементы в таких нагрузках могут быть объемными или в виде тонких поглощающих пленок. На рис. 26а показана нагрузка с объемным поглощающим элементом в виде конуса. Хорошее качество согласования в этой конструкции достигается при длине поглощающего элемента l ≥ λ.

Более распространены коаксиальные нагрузки с поглощающими элементами в виде керамических цилиндров, покрытых металлооксидными или углеродистыми проводящими пленками. Толщина пленки выбирается малой по сравнению с глубиной проникновения поля, поэтому поверхностное сопротивление пленки почти не зависит от частоты. Чтобы входное сопротивление коаксиальных нагрузок с цилиндрическими поглощающими элементами были чисто активными и почти не менялись в нужной полосе частот, такие нагрузки снабжают нерегулярными металлическими экранами со специально подобранными профилями и размерами.

Рисунок 26– Коаксиальные согласованные нагрузки

На (рис. 26б) показана коаксиальная нагрузка с экраном ступенчатой формы. Оптимальное качество согласования имеет место в диапазоне длин волн λ ≥ 6l. Длина уступа внешнего проводника должна быть несколько меньше длины пленочного поглотителя.

Наиболее широкополосные коаксиальные нагрузки имеют внешний экран воронкообразной формы (рис. 26в).

7. Реактивные нагрузки [2,3]

Реактивные нагрузки, применяемые в качестве мер при измерениях на СВЧ, а также в согласующих и управляющих устройствах, должны обладать стабильным нормированным входным сопротивлением, номинал которого может быть рассчитан по геометрическим размерам.

Наибольшее распространение получили короткозамкнутые шлейфы, выполняемые в виде отрезков линий передачи (волноводной, коаксиальной) с короткозамкнутыми поршнями, регулирующими их длину.

Основным параметром реального шлейфа является значение входного КСВ, которое должно быть как можно более высоким. 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 оказываются ниже, однако, как правило, они превышают 100. Холостой ход в шлейфах, т. е. размыкание выхода, может быть реализован только в закрытых многопроводных линиях, когда устранено излучение.

Возможные конструктивные решения подвижных короткозамыкающих поршней для прямоугольных волноводов показаны на рис. 27 для продольных сечений, параллельных узкой стенке волновода. В первой конструкции (рис. 27а) разрезные пружинные контакты А вынесены от закорачивающей стенки В внутрь волновода на расстояние λ_в/4. Поэтому контакты оказываются в сечении волновода с нулевыми значениями продольного тока на стенках и не идеальность контактов не приводит к потерям мощности.

Во второй конструкции поршня (рис. 27б) контакты А включены в волновод через два трансформирующих отрезка линии передачи с низкими нормированными волновыми сопротивлениями z_в1 и z_в2. Предполагая, что активное сопротивление контактов в точке А равно r_Aи, применяя дважды формулу пересчета сопротивления через четвертьволновый трансформатор, можно найти входное сопротивление в точках В: r_В = r_A (z_в1 / z_в2)². При z_в1<< z_в2 удается существенно уменьшить эквивалентное сопротивление контакта r_В и увеличить КСВ поршня.

Рис. 27 – Волноводные короткозамыкающие поршни:

1 – волновод, 2 – поршень, 3 - тяга

В третьей конструкции поршня (рис. 27в) точки контакта помещены в середину свернутого короткозамкнутого полуволнового отрезка линии передачи, состоящего из двух каскадно включенных четвертьволновых отрезков с волновыми сопротивлениями z_в1 и ₁z_в2. К активному сопротивлению контакта r_Aдобавляется бесконечное реактивное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа с волновым сопротивлением z_в2, и сумма сопротивлений контакта и шлейфа трансформируется четвертьволновым отрезком с волновым сопротивлением z_в1 в практически нулевое сопротивление в точке В (т. е. в точке В создается виртуальное короткое замыкание для токов СВЧ).

Рассмотренные принципы выполнения волноводных поршней непосредственно применимы и для коаксиальных поршней в диапазоне сантиметровых волн.

8. Металлические изоляторы для коаксиального тракта [2,3]

В жестких коаксиальных трактах существует проблема крепления внутреннего проводника коаксиальной линии. К устройствам крепления предъявляются противоречивые требования: не порождать отражения, не снижать электрическую прочность, не увеличивать коэффициент затухания, не сужать рабочую полосу частот, допускать возможность разборки и сборки тракта и т. д.

Наиболее распространены два способа крепления внутреннего проводника: с помощью диэлектрических шайб и с помощью металлических изоляторов. Простая диэлектрическая шайба (рис. 28а), включенная в коаксиальную линию, на низких частотах слабо влияет на параметры тракта. Однако при возрастании частоты возникают заметные отражения и растет коэффициент затухания. Для уменьшения отражений можно уменьшить диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии на участке, занятом шайбой, и тем самым сохранить постоянным волновое сопротивление.