Элементы трактов СВЧ

Лекция. Элементы трактов СВЧ

Тракты СВЧ состоят из ряда элементов, соединенных друг с другом. Для упрощения ремонта и транспортировки их обычно делают разборными. Любое нарушение целостности тракта эквивалентно введению неоднородности. Поэтому даже едва заметный зазор между сочленяемыми отрезками линий передачи либо небольшое смещение их друг относительно друга вызывают отражения в тракте и дополнительные тепловые потери. Излучение через зазор части энергии электромагнитной волны, распространяющейся по тракту, может, кроме того, привести к паразитным связям между его элементами. К сочленениям (разъемам) предъявляется ряд требований: сохранение согласования в тракте и его электрической прочности, внесение минимального ослабления в передаваемую мощность, отсутствие паразитного излучения и др. Для этого, как правило, в плоскости контакта сочленяемых отрезков линии передачи нужно обеспечить малое сопротивление для продольных токов. На практике применяют разъемы двух типов: контактные и дроссельные.

При контактном сочленении волноводов к концам соединяемых отрезков припаиваются плоские фланцы. Контактное сочленение прямоугольных волноводов с одинаковыми размерами поперечных сечений. Качество электрического контакта в месте сочленения зависит в основном от тщательности механической обработки, параллельности, и чистоты контактирующих поверхностей. Чтобы уменьшить тепловые потери и потери на излучение между фланцами 1 вводят тонкую бронзовую прокладку 2 с пружинящими лепестками. Защита сочленения от пыли и влаги, проникающих из окружающего пространства, осуществляется с помощью резиновых уплотнительных колец 3, уложенных в специальные канавки на фланцах. Герметизация волновода позволяет поддерживать в нем повышенное давление газа, если требуется увеличить предельную мощность волновода. Коэффициент отражения от хорошо выполненного контактного сочленения обычно не превышает 0,001 при потерях менее 0,01 дБ во всей рабочей полосе частот волновода. Поэтому контактные сочленения применяют в особо точной измерительной аппаратуре, в широкополосных системах связи (спутниковых, радиорелейных). Недостатками контактного сочленения являются относительно высокая стоимость из-за жестких требований, которые приходится предъявлять к точности изготовления, а также ухудшение качества контакта при многократных сборках и разборках вследствие окисления металла в месте контакта.

В коаксиальных линиях конструкция контактного сочленения несколько усложняется, так как требуется одновременно обеспечить хороший контакт как центральных, так и внешних проводников соединяемых отрезков.

Если требования к качеству согласования, уровню потерь и широкополосности не столь жестки, целесообразно использовать дроссельное сочленение.

Дроссельное сочленение прямоугольных волноводов (рис. 71) образуется двумя различными по конструкции фланцами: обычным контактным 1 и дроссельным 2 с кольцевой канавкой 3. Между частью торцевой поверхности фланцев (от волновода до канавки) оставлен зазор 4, через который поле из волновода проникает в канавку 3. Структура силовых линий электрического поля в дроссельном сочленении при распространении основной волны во волноводу показана на рис. 71. При этом кольцевую канавку 3 можно рассматривать как отрезок короткозамкнутой коаксиальной линии, в котором устанавливается стоячая волна типа Н11 с длиной волны.

где, a R1 и R2-радиусы кольцевой канавки.

Зазор между фланцами (от области механического контакта В до соединяемых волноводов) представляет собой отрезок радиальной линии, длина волны низшего типа в которой равна л. Эквивалентная схема дроссельного сочленения показана на рис. 72, где RK-сопротивление механического контакта в области В. Если на средней частоте рабочего диапазона выбрать глубину канавки 1 г равной л /4, а длину зазора до канавки 11 равной л /4, то образуются два четвертьволновых трансформатора. При этом сопротивление зазора между соединяемыми волноводами будет равно нулю при любых значениях RK, поскольку последовательно с ним включено бесконечно большое входное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового отрезка коаксиальной линии. Поэтому такое сочленение не критично к качеству механического контакта и небольшим перекосам фланцев.

Очевидным недостатком дроссельного сочленения является зависимость его параметров от частоты, так как сопротивление зазора между соединяемыми волноводами равно нулю только на средней частоте. Коэффициент отражения от тщательно изготовленного дроссельного сочленения обычно не превышает 0,02 в полосе ±15% от центральной частоты рабочего диапазона. Аналогично строятся дроссельные сочленения для соединения отрезков круглого волновода или коаксиальной линии.

В трактах СВЧ могут использоваться отрезки линий передачи разного типа. Поэтому весьма распространенными узлами трактов являются трансформаторы типов волн, иногда называемые переходами с одной линии передачи на другую. Такие устройства, располагающиеся между соединяемыми линиями разных типов или между линиями одного типа, имеющими разные размеры поперечного сечения, должны эффективно преобразовывать волну одного типа в волну другого типа или волну одного типа в волну того же типа, но с другими параметрами. Эти устройства должны обеспечить допустимое согласование с подключаемыми линиями в требуемой полосе частот, высокий КПД и необходимую электрическую прочность. Поэтому подобные двухплечные устройства могут быть представлены эквивалентным взаимным четырехполюсником. В идеальном случае это согласованный четырехполюсник, описываемый матрицей |S| при N=2, где S11 =S22 =0 и S12=S=exp (-i). Фазовый сдвиг, возникающий между волнами на входе и выходе трансформатора, зависит от выбора плоскостей отсчета фаз в его входном и выходном плечах. Подобные устройства представляют собой трансформаторы ТЕМ-волны, распространяющейся в коаксиальной линии, в одну из волн прямоугольного или круглого волновода. Иногда такие устройства называют коаксиально-волноводными переходами. разъем линия передача Если прямоугольный и круглый волновод работают в одноволновом режиме на низшем типе волны, то для перехода от одного волновода к другому чаще всего используют плавный переход с постепенной деформацией формы поперечного сечения от прямоугольной к круглой (см. рис.73). При длине такого перехода, волны высшего типа практически не возбуждаются и волна Н плавно трансформируется в волну Н, При этом полоса согласования перехода получается весьма широкой.

Переходы между коаксиальной линией и полосковыми линиями (СПЛ или МПЛ), работающими на низшем типе волны, как правило, строятся по схемам, изображенным на рис. 74 и 75 и называемым соосной или перпендикулярной. Волновые сопротивления сочленяемых линий делают одинаковыми. Внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной линии обычно выбирают равным b при переходе на СПЛ или 2h при переходе на МПЛ. Для расширения полосы согласования соосной конструкции используют плавный переход от внутреннего проводника коаксиальной линии к полоске СПЛ. Согласование перпендикулярной конструкции обеспечивается подбором металлического стержня 2R вводимого в МПЛ, диаметра отверстия D в экране МПЛ, а также подбором длины согласующего шлейфа, разомкнутого на конце.

Вращающиеся сочленения необходимы в тех случаях, когда энергия электромагнитных волн передается от неподвижного передатчика к антенне, вращающейся в горизонтальной или вертикальной плоскости. Эти сочленения следует выполнять так, чтобы уровень мощности, поступающий в антенну, не зависел от ее углового положения. Для этого в конструкции таких сочленений используют линии передачи, энергию по которым переносят волны со структурой поля, обладающей осевой симметрией. Этому требованию удовлетворяют коаксиальная линия с ТЕМ-волной, круглый волновод с волной Н11, имеющей круговую поляризацию электрического поля. Одна из возможных конструкций вращающегося сочленения схематически изображена на рис. 76. Мощность, переносимая волной Н10 по прямоугольному волноводу, через коаксиально-волноводный переход поступает в коаксиальную линию. Центральный проводник коаксиальной линии поддерживается с помощью двух Т-изоляторов, представляющих собой четвертьволновые короткозамкнутые коаксиальные шлейфы, включенные параллельно основной линии. Входное сопротивление шлейфов значительно больше волнового сопротивления основной коаксиальной линии, поэтому Т-изоляторы слабо влияют на передачу энергии по коаксиальной линии при условии, что устройство работает в сравнительно узкой полосе частот. Через второй коаксиально-волноводный переход мощность из коаксиальной линии поступает в прямоугольный волновод на выход вращающегося сочленения. Между подвижной частью 2 и неподвижной 1 включено дроссельное сочленение, благодаря чему сохраняется хороший электрический контакт между вращающейся и неподвижной частями устройства даже при наличии небольшого зазора в сечении АА. Аналогично строятся вращающие сочленения с использованием круглого волновода.