Согласующие устройства в линиях передачи СВЧ

Рассмотрим согласующие устройства в линиях передачи СВЧ, наиболее распространенные на практике.

В волноводных, коаксиальных и полосковых трактах СВЧ применяются следующие типы согласующих устройств:

• четвертьволновые трансформаторы;

• последовательные и параллельные шлейфы;

• ступенчатые и плавные переходы.

Кроме того, в волноводных трактах в качестве согласующих устройств используются диафрагмы и реактивные штыри. На рис. 2.13. представлены варианты волноведного исполнения четвертьволновых трансформаторов. При переходе от волновода, заполненного диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью e_r к пустому волноводу может быть использован трансформатор, показанный на рис. 2.13, a. Трансформатор длиной l_в/4 частично заполнен диэлектриком и имеет волновое сопротивление, равное среднему геометрическому волновых сопротивлений соединяемых волноводов:

W_тр = , W = .

На рис. 2.13, 6. в представлены четвертьволновые трансформаторы, предназначенные для согласования перехода прямоугольных волноводов с различными волновыми сопротивлениями. В частности, для волноводов с различными размерами узких стенок размер b_тропределяется из условия: b_тр = , а для волноводов с различными размерами широких стенок согла
сование обеспечивается при .

Рис.2.13. Четвертьволновые трансформаторы в волноводном исполнении для согласования волноводов с различным диэлектрическим заполнением (а) и с различными размерами узких (б) и широких (в) стенок

Варианты коаксиального выполнения четвертьволновых трансформаторов показаны на рис. 2.3. Диаметры проводов коаксиала трансформатора определяются из условия согласования W_тр = ,и выражения для волнового сопротивления коаксиала (см. табл. 1.3).

Рис. 2.14. Полосковый четвертьволновый согласующий трансформатор

На рис. 2.14 показана топология четвертьволнового трансформатора в полосковом исполнении.

Для целей согласования в трактах СВЧ используются короткозамкнутые реактивные шлейфы. Варианты исполнения шлейфов представлены на рис. 2.15.

Рис. 2.15.Шлейфы: а – параллельный волноводный; б – последовательный волноводный; в – параллельный коаксиальный; г – параллельный полосковый разомкнутый; д – параллельный полосквый короткозамкнутый; е – последовательный полосковый; ж – эквивалентная схема последовательного полоскового шлейфа

Короткое замыкание в волноводных (рис. 2.15, а, б) и коаксиальных (рис.2.15, в) шлейфах достигается размещением в них проводящих поршней, размеры поперечного сечения которых обеспечивают короткое замыкание стенок волновода и свободное перемещение поршня вдоль волновода. (На рисунках поршни не показаны). На рис. 2.15, г, д, е показана топология полосковых шлейфов. Параллельный разомкнутый шлейф (рис. 2.15, г)имеет емкостный характер входного сопротивления: Х_ш = -W_шctg(bl) при l < l_л/4. Параллельный короткозамкнутый шлейф (рис. 2.15, д) имеет индуктивный характер входного сопротивления Х_ш= W_шtg(bl) при l < l_л/4. Короткое замыкание достигается соединением металлической перемычкой через отверстие в подложке полос ки и металлического экрана. Последовательный полосковый шлейф и его эквивалентная схема показаны на рис. 2.15, е, ж. Параметры эквивалентной схемы определяются из соотношений:

, .

С использованием таких шлейфов могут быть построены шлейфовые согласующие устройства, эквивалентные схемы которых представлены на рис. 2.7, 2.8. Для примера на рис. 2.16. показана топология грехшлейфового полоскового согласующего устройства.

Четвертьволновые трансформаторы и шлейфы являются узкополосными согласующими устройствами. К широкополосным согласующим устройствам относятся ступенчатые и плавные переходы. На рис. 2.17. показаны варианты исполнения таких устройств на основе прямоугольных волноводов, коаксиалов и полосковых линий.

Диафрагмы и реактивные штыри, применяемые для согласования в волноводных факта, также являются узко-полосными устройствами.

Диафрагмой называется тонкая металлическая перегородка, частично закрывающая поперечное сечение волновода. Различают диафрагмы емкостные, индуктивные и резонансные. Их вид и эквивалентные схемы представлены на рис 2.18. Нормированные значения проводимости емкостной и индуктивной диафрагм определяются приближенными соотношениями

В_С = (4b/l_в) ln(cosec(pd/2b)cosec(pу₀/b));

В_L = -(l_в/a) ctg²(pd/2a)(l + sec(pd/2a)ctg²(px₀/a)).

Резонансная диафрагма образуется наложением емкостной и индуктивной диафрагм. Резонансная частота диафрагмы определяется приближенным соотношением

,

где с = 3 10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

Недостаток емкостной и резонансной диафрагм состоит в том, что они значительно снижают электрическую прочность тракта.

На практике находят применение сложные многощелевые диафрагмы. Они имеют многоконтурную эквивалентную схему. Подбирая размеры и количество щелей, удается создать требуемую частотную характеристику диафрагмы. Пример такой диафрагмы дан на рис. 2.19.

Реактивный штырь представляет собой металлический цилиндр небольшого диаметра, размещаемый в поперечном сечении волновода параллельно или перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В зависимости от расположения штыря в поперечном сечении волновода и его размеров на эквивалентной схеме он может быть представлен индуктивностью пли емкостью. На рис. 2.20 представлены реактивные штыри в волноводе и их эквивалентные схемы. Значения номиналов элементов эквивалентных схем штырей определяются по формулам, имеющимся в справочной литературе. При неглубоком погружении штыря в волновод параллельно силовым линиям электрического поля он эквивалентен емкости (рис. 2.20, б).Такие штыри используются в перестраиваемом согласующем устройстве, эквивалентном трехшлейфовому согласователю (рис. 2.21). Недостаток емкостных штырей состоит в том, что они снижают электрическую прочность тракта.