Антенно-фидерные устройства. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РТ. Антеннофидерные устройства
 Скачать 7.65 Mb.
|
|
Неполноводные резонаторы В технике СВЧ используется многоразличных типов резонаторов, которые не являются отрезками волноводов. К ним относятся коаксиальные резонаторы (риса, б, тороидальные резонаторы прямоугольного сечения рис. 62, в, полукоаксиальный резонатор (рис. 62, г, резонатор типа цилиндра со щелью (рис. д, щелевые и другие резонаторы. Все эти, резонаторы имеют множество резонансных частот, соответствующих множеству различных типов колебаний. Обычно такие резонаторы используются на основной частоте, соответствующей простейшему типу колебаний, имеющему наибольшую длину волны. Основным типом волн коаксиальных резонаторов являются поперечные волны ТЕМ. В соответствии с этим длина основной волны коаксиального резонатора, замкнутого с обоих концов, равна удвоенной его длине, а замкнутого с одной стороны (рис. 62, б) — 4L. 81 Рисунок 62. Неполноводные резонаторы. Для основных типов колебаний других неволноводных резонаторов характерным является почти полное пространственное разделение электрического и магнитного полей. Этим резонаторы подобны обычным колебательным контурам с сосредоточенными параметрами. Из рис. 62 видно, что электрическое поле резонатора сосредоточено в основном в той части резонатора, где расстояние между проводящими поверхностями наименьшее. Эта часть резонатора подобна конденсатору. Магнитное поле в конденсаторной части резонатора практически отсутствует. Оно сосредоточено в другой части резонатора, которая поэтому подобна индуктивности. В индуктивной части резонатора почти нет электрического поля. Из-за пространственного разделения полей длина основной волны резонатора оказывается значительно больше геометрических размеров резонаторов. Так, например, для резонатора, показанного на рис. 62, д, длина основной волны определяется по формуле 82 На границе конденсаторной части резонатора возможен отбор энергии полем бегущей волны от модулированного по плотности электронного потока. Поэтому резонаторы неволноводного типа широко применяются в электронных приборах СВЧ. Подстройка объемных резонаторов в небольших пределах производится введением в конденсаторную или индуктивную часть настроечных винтов, пробок, лопаток. При изменении длины или положения подстроечного элемента изменяются эквивалентные емкость или индуктивность резонатора. Перестройка объемных резонаторов в широких пределах осуществляется изменением их размеров. 83 2.2. Фидерные трансформаторы. Согласование линий Необходимость согласования линий Под согласованием линии понимают трансформацию сопротивления нагрузки в активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Согласование необходимо для получения бегущих волн в линии. Передача электромагнитной энергии высокой частоты от генератора к нагрузке с помощью чисто бегущих волн имеет следующие достоинства. а) Одна и та же мощность в режиме бегущих волн передается с более высоким КПД, чем в режиме смешанных волн. Чем меньше коэффициент бегущей волны, тем больше должна быть мощность падающей я отраженной волн, чтобы их разность составляла заданную мощность в нагрузке. Но обе волны, и падающая и отраженная, затухают. Поэтому потери в линии тем больше, чем меньше коэффициент бегущей волны. Диэлектрические потери в линии пропорциональны квадрату напряжения. Следовательно, максимумы напряжения в несогласованной линии значительно увеличивают диэлектрические потери, понижают максимальную передаваемую мощность и увеличивают опасность пробоя изоляции. Отсутствие перенапряжения на отдельных участках линии составляет важное преимущество режима бегущих волн. б) В режиме смешанных волн входное сопротивление линии — комплексное и изменяется в больших пределах при небольших изменениях частоты генератора или длины линии. При этом мощность в нагрузке также резко изменяется. В режиме бегущих волн входное сопротивление линии и мощность в нагрузке малочувствительны к небольшим изменениям частоты и нечувствительны к изменениям длины линии. в) Согласованная линия меньше влияет на частоту колебаний генератора, чем несогласованная, так как она вносит в контур генератора только активное сопротивление. г) Наибольшая энергия импульсных сигналов высокой частоты поступает на вход приемника в том случае, если входное сопротивление приемника равно волновому сопротивлению фидера, те. если фидер 84 согласован. При отсутствии согласования часть энергии каждого импульса отражается от входа приемника, что уменьшает мощность на входе. Согласующее устройство, или трансформатор сопротивления, включается, возможно, ближе к нагрузке, чтобы по всей длине линии была чисто бегущая волна. Рассмотрим основные типы согласующих устройств. Согласующие трансформаторы с сосредоточенными индуктивностями Схема согласующего устройства такого типа показана на риса. Рисунок 63. Схема согласующего трансформатора (аи эквивалентные схемы (б,в). Согласующим трансформатором служат индуктивности L 1 и L 2 , которые могут быть одновитковыми и разделенными для устранения емкостной связи электростатическим экраном. Вторичная цепь представлена на рис. б эквивалентной схемой при н. Элементы вторичной цепи L 2 , С, С 2 ’выбираются так, чтобы она была настроена в резонанс. Вторичная цепь вносит в первичную чисто активное сопротивление Первичный контур C 1 L 1 C 1 ’ также настраивается в резонанс. При этом его сопротивление (в точках а-б) являетсячисто активным, равным сумме собственного активного сопротивления я вносимого. Собственным активным 85 сопротивлением контура можно пренебречь, в потому линия с волновым сопротивлением оказывается нагруженной на конце вносимым сопротивлением ∆R (рис. 63, в. Можно так подобрать величину взаимоиндуктивности, чтобы вносимое сопротивление ∆R стало равным волновому сопротивлению линии ρ 1 , илиния будет согласована. Такой способ согласования применяется в диапазоне метровых волн. Четвертьволновый трансформатор Если сопротивление нагрузки активное и неравно волновому, то его можно подключить к линии с помощью четвертьволнового трансформатора рис. Волновое сопротивление трансформатора т подбирается так, чтобы его входное сопротивление бы равно волновому сопротивлению линии ρ. Тогда во всей линии от генератора до входа трансформатора буду чисто бегущие волны. Необходимая величина т определяется по формуле Смешанные волны на четвертьволновом трансформаторе образуются от сложения падающей волны с волной, отраженной от нагрузки R н Последняя не попадает в линию, так как она компенсируется па входе трансформатора его отраженной волной. Рисунок 64. Распределение амплитуд напряжения и тока в линии, согласованной четвертьволновым трансформатором. 86 Если сопротивление нагрузки комплексное, то нагрузку нельзя непосредственно подключить к четвертьволновому трансформатору, потому что входное сопротивление трансформатора будет комплексными согласования не получится. При комплексной нагрузке четвертьволновый трансформатор включают в линию так, чтобы его нагрузкой было чисто активное входное сопротивление в точках минимального напряжения, те. резонансная линия (рис 65). Поскольку входное сопротивление в таких точках меньше волнового сопротивления линии, то необходимое для согласования волновое сопротивление трансформатора можно получить утолщением проводов линии на участке длиной в четверть волны. Этот способ подключения согласующего трансформатора можно применять и для согласования активных нагрузок. Рисунок 65. Согласование линий при комплексной нагрузке. Одиночный шлейф Для согласования воздушных двухпроводных линий в простейшем случае применяется отрезок короткозамкнутой или разомкнутой линии, называемый шлейфным согласователем. Рисунок 66. Нагруженная линия (аи ее эквивалентная схема (б. Когда линия не согласована (Нее входное сопротивление и входная проводимость состоят из активных и реактивных составляющих, 87 изменяющихся в зависимости от длины линии в больших пределах.Допустим, что в точках абриса) активная составляющая входной проводимостью линии равна, а реактивная составляющаяимеет емкостный характер. Общая проводимость равна сумме активной и реактивной проводимостей известно, что общая проводимость параллельного соединения сопротивлений равна сумме проводимостей параллельных ветвей. Следовательно, участок линии ан б (см. риса) можно заменить эквивалентной схемой (рис. 66, б, на которой — емкость, проводимость которой равна реактивной составляющей входной проводимости линии в точках а—б, а Rвх=ρ, так как по принятому выше условию активная составляющая входной проводимости в точках а—б равна 1/ρ. Рисунок 67. Согласованная линия (аи ее эквивалентная схема (б. Для согласования линий необходимо скомпенсировать реактивную составляющую входной проводимости Линии в точках а—б, те. скомпенсировать сопротивление емкости С экв . Это можно выполнить с помощью шлейфного согласователя (риса) К точкам а-б линии подключается шлейф, те. отрезок короткозамкнутой линии длиной 1<λ/4, чтобы его входное сопротивление было индуктивными по величине равным емкостному сопротивлению конденсатора С экв . Эти два равные по величине но противоположные по знаку сопротивления образуют параллельный резонансный контур, эквивалентное сопротивление которого крез очень велико (из- за малых потерь энергии в линии. Поэтому можно считать, что нагрузкой линии в точках а—б служит активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии (рис. 67, б, те. линия согласована. Вблизи нагрузки н можно найти и такие точки а’—б’, в которых реактивная составляющая входной проводимости имеет индуктивный характера активная составляющая равна 1/ρ. Для согласования линии в этих точках необходимо подключить отрезок разомкнутой линии длиной l’<λ/4. 88 Согласование двумя шлейфами Одиночный шлейф неудобен для согласования коаксиальной линии. Профессор В. В. Татаринов предложил применять вместо негодна неподвижных короткозамкнутых шлейфа е регулируемой длиной (рис. 68), укрепленных на расстоянии друг от друга. При изменении длины первого шлейфа, ближайшего к нагрузке, изменяется его эквивалентная емкость или индуктивность, а поэтому изменяется распределение стоячих волн, те. перемещаются максимумы и минимумы напряжения, что эквивалентно перемещению второго шлейфа. Можно подобрать такую длину первого шлейфа, при которой второй шлейф окажется подключенным в точках линии, где активная составляющая параллельного входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии.Вторым шлейфом компенсируется реактивная составляющая входного сопротивления линии, поэтому на участке между генератором и вторым шлейфом образуются чисто бегущие волны. Длина шлейфов изменяется с помощью закорачивающих поршней (плунжеров. Рисунок 68. Схема согласования линии с помощью двух неподвижных шлейфов. Участок линии между вторым шлейфом и нагрузкой и сами шлейфы составляют трансформатор сопротивления. Этот трансформатор пересчитывает сопротивление нагрузки к точкам подключения шлейфа как чисто активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Согласующие шлейфы и четвертьволновые трансформаторы обладают частотной избирательностью, те. условия согласования выполняются лишь на одной частоте. При изменении частоты изменяются реактивные сопротивления трансформаторов исогласование нарушается. Согласование с точностью до 10% в полосе частот от расчетной можно получить с помощью устройств, показанных на рис. 69. При последовательном включении двух и более четвертьволновых трансформаторов (риса) отношения т ρ т2 :ρ т1 ; R н :ρ т2 увеличиваются, приближаясь к единице, что расширяет диапазонность согласования. При подключении четвертьволновых линий к трансформаторам (рис. 69, б,в) в 89 некотором диапазоне частот происходит компенсация реактивного входного сопротивления трансформатора реактивным сопротивлением линии, благодаря чему сохраняется согласование. Рисунок 69. Диапазонные согласующие устройства (а, б, в) и конический переход (г. При согласовании линий с различными волновыми сопротивлениями применяются те же согласующие устройства, что и при подключении нагрузки. Для сочленения коаксиальных линий с одинаковыми волновыми сопротивлениями, но разными сечениями, используются конусообразные переходы, которые устраняют отражение волн от сочленений (рис. 69, г). Конусообразный переход представляет собой коническую линию, оба конуса которой имеют общую вершину, а потому и определенное неизменяющееся по длине волновое сопротивление. Согласование волноводов Нагрузкой волноводов служат рупорные, щелевые, вибраторные антенны и другие потребители энергии. Нагрузка может быть присоединена непосредственно к волноводу или ккоаксиальному фидеру. Впоследнем случае для перехода от волновода к коаксиальному фидеру применяются те же устройства, что и для возбуждения волновода. При передаче энергия по волноводу используется режим чисто бегущих волн. Такой режим необходим 90 в волноводе по тем же причинам, что ив фидерной линии. При работе на прием в режиме бегущих волн на приемное устройство поступает максимальная мощность, равная мощности бегущей волны. Согласованный волновод не влияет на частоту колебаний генератора, что особенно важно при непосредственном соединении волновода с генератором, например, с помощью щели. При заданной мощности в нагрузке потери в волноводе тем меньше, чем больше коэффициент бегущей волны. Отсутствие пучностей электрического поля в отдельных сечениях волновода уменьшает опасность пробоя и позволяет передавать по волноводу большую мощность. Для получения в волноводе бегущей волны необходимо устранить отражение волн от нагрузки или скомпенсировать отраженную от нагрузки волну, введя в волновод вблизи нагрузки специальные отражатели, например емкостные диафрагмы (рис. 70). Рисунок 70. Емкостные диафрагмы а – несимметричная б – симметричная в – эквивалентная схема. На риса показана несимметричная, а на рис. 70, б — симметричная емкостная диафрагма. Диафрагма представляет собой тонкую пластинку, расположенную параллельно электрическим силовым линиям. Она называется емкостной потому, что вносит в волновод емкостное сопротивление это означает, что сопротивление волновода в том сечении, где расположена диафрагма, имеет емкостный характер. Физически это объясняется тем, что емкостная диафрагма сближает противоположные заряды на верхней и нижней стенках волновода, за счет чего увеличивается напряженность электрического поля. Более точный анализ показывает, что внесение реактивного сопротивления является следствием возникновения у диафрагмы волн высших порядков. Энергия этих волн, колеблющаяся на небольшом участке волновода у диафрагмы, обусловливает реактивное сопротивление. 91 Диафрагма отражает падающие волны. При правильном подборе размера окна диафрагмы d и места ее расположения волны, отраженные от нагрузки и диафрагмы, взаимно компенсируются идостигается режим чисто бегущих волн на участке волновода между возбудителем и диафрагмой. диафрагма, таким образом, подобна одиночному согласователю (шлейфу, применяющемуся в линиях. Емкостная диафрагма не применяется при передаче большой мощности, так как она снижает пробивное напряжение. Применением большого числа емкостных диафрагм (штырей или выступов, расположенных вдоль оси волновода, можно значительно уменьшить скорость распространения волн в волноводе. На рис. 71 показана индуктивная диафрагма. Она располагается в волноводе параллельно электрически силовым линиями создает дополнительные пути для поперечного тока поэтому сопротивление волновода в сечении диафрагмы имеет индуктивный характер. Принцип действия индуктивной диафрагмы тот же, что и емкостной. Для согласования следует так подобрать размеры и месторасположения диафрагмы, чтобы отраженные от нагрузки и диафрагмы волны взаимно компенсировались на участке волновода между возбудителем и диафрагмой. Применяются также индуктивно-емкостные диафрагмы, имеющие форму прямоугольного окна с размерами аи Такая диафрагма имеет резонансную частоту, на которой она эквивалентна параллельному резонансному контуру. Резонансная длина волны определяется по формуле где аи размеры волновода аи размеры прямоугольного окна. Рисунок 71. Индуктивная диафрагма (аи ее эквивалентная схема (б. 92 Кроме диафрагм, для согласования применяются подвижные и неподвижные настроенные винты, шлейфные согласователи, полноводные трансформаторы и другие устройства. Во всех случаях сущность согласования состоит во взаимной компенсации волн, отраженных от нагрузки и согласователя. Согласующий винт штырь) обычно располагают перпендикулярно широкой стенке волновода. Если он соединяет широкие стенки волновода, то имеет индуктивно сопротивление, те. эквивалентен индуктивной диафрагме. Если штырь не касается одной из широких стенок, тов зависимости от глубины погружения он имеет емкостное сопротивление (при малой глубине) или представляет собойпоследовательный контур. Шлейфный согласователь представляет собой отрезок короткозамкнутого волновода, который включается в широкую или узкую стенку волновода. В первом случае включение называется последовательным во втором — параллельным (рис. 72). Принцип действия этого согласователя подобен описанному принципу действия одиночного шлейфа. Рисунок 72. Шлейфовые волноводные согласователи: а, б – схемы в,г – эквивалентные схемы. Волноводный трансформатор представляет собой отрезок волновода с расположенными в нем двумя подвижными кварцевыми пластинками, расстояние между которыми может изменяться. Перемещая обе пластинки вдоль отрезка волновода и подбирая расстояние между ними, можно скомпенсировать отраженную от нагрузки волну на входе трансформатора. В ряде случаев необходимы переходы от прямоугольного волновода одного сечения к волноводу другого сечения. При этом отношения a/b обоих волноводов могут быть одинаковыми или разными. В первом случае соединение волноводов производится с помощью переходного волновода, у которого отношение a/b по длине остается неизменным (рис. 73). Во втором случае переходной пирамидальный волновод должен иметь изменяющееся 93 по длине отношение a/b, чтобы на его концах оно было равно соответствующим значениям a/b соединяемых волноводов. Рисунок 73. Соединение волноводов с различными сечениями. Согласование волновода может нарушиться при изгибе, изломе или повороте волновода, так как от изогнутого или скрученного участка отражаются волны, для уменьшения отражения необходимо, чтобы радиус изгиба риса) был не меньше длины волны в волноводе, а длина скрученного участка рис. 74, б) была равна целому числу полуволн. Если изгиб волновода имеет прямоугольную форму, то применяется косой срез угла или двойной излом, благодаря чему в значительной мере устраняется распространение отраженной волны в направлении, противоположном падающей волне (рис. 75). Такие изгибы могут быть как в плоскости электрического поля, таки в плоскости магнитного поля. Рисунок 74. Волноводы различной формы а – изогнутый б – скрученный. Рисунок 75. Волноводные уголки ас одиночным поворотом в плоскости Е б – с двойным поворотом в плоскости Н. 94 Вопросы для самопроверки 1. Как определяются параметры длинных линий 2. Для чего необходимо согласовывать линии 3. Какие разновидности линий существуют 4. Что такое волновод 5. Какие типы волн распространяются в волноводе 6. Какая волна является основной в волноводе 7. Какими параметрами характеризуется волновод 8. Чем объемный резонатор отличается от волновода 9. Какими параметрами характеризуется объемный резонатор 10. Как из волновода можно получить объемный резонатор 11. Какие устройства применяются для согласования волноводов и резонаторов 12. Какие типы волн распространяются в резонаторе |