Переходы между линиями передачи СВЧ

В трактах СВЧ часто возникает необходимость перехода от одного типа линии передачи к другому, например от коаксиала к прямоугольному или круглому волноводу, от коаксиала к полосковой линии, от прямо­угольного волновода к круглому и т.п. Для этих целей предназначены специальные устройства, называемые переходами. Переходы нарушают регулярность тракта и поэтому должны быть хорошо согласованы по каждому из входов и не снижать электрическую прочность тракта. Наиболее важным в переходе является элемент связи, предназначенный для извлечения энергии из одной линии передачи и возбуждения электромагнитных колебаний в другой. В зависимости от типа соединяемых линий элемент связи может иметь различные конструкторские реализации. В электродинамическом смысле он представляет собой систему электрических и магнитных сторонних токов, определенным образом размещенных в линии передачи. Эти токи стремятся расположить так, чтобы с максимальной интенсивностью в линии передачи возбуждался требуемый тип волны и не возбуждались волны нежелательных типов. Амплитуда возбуждаемого типа волны будет максимальна, если при расположении элемента связи в линии передачи выполняются следующие условия:

• сторонний электрический ток на элементе связи протекает параллельно электрическому полю возбуждаемой волны;

• сторонний магнитный ток на элементе связи протекает параллельно силовым линиям магнитного поля;

• элемент связи располагается в максимуме соответствующей компоненты поля.

Различают элементы связи электрического и магнитного типов. Например, штырь является электрическим элементом связи, а петля – магнитным. Для возбуждения линий передачи СВЧ могут быть использованы элементы связи в виде отверстий определенной формы или узких щелей.

На рис. 3.8. представлен коаксиально-волноводный переход. Он предназначен для перехода от коаксиала с волной типа Т к прямоугольному волноводу с волной H₁₀. Обычно штырь, являющийся продолжением внутреннего провода коаксиала, располагают посредине широкой стенки волновода, а расстояние до короткозамыкающей стенки z₁, берут равным четверти длины волны в волноводе. Для обеспечения хорошего согласования необходимо также правильно выбрать высоту штыря l и его диаметр. Обычно берут l = l/4. Форма штыря и его диаметр существенно сказываются на полосовых свойствах перехода: чем толще штырь, тем шире полоса. При работе перехода вблизи штыря образуются все типы волн в прямоугольном волноводе. Кроме основной волны Н₁₀, они находятся в закритическом режиме, и их амплитуды экспоненциально убывают при удалении от штыря. Скорость убывания определяется индексами т и п, характеризующими каждый тип волны в волноводе. Расстояние z₂, от штыря до контактного фланца выбирается из условия уменьшения амплитуды высшей волны, ближайшей к основной волне Н₁₀, до требуемой величины. Ближайшей к основной высшей волной в таком переходе является волна H₃₀. Для уменьшения ее амплитуды в N раз величину z₂ следует выбрать из соотношения

Рис. 3.8.Коаксиально-волноводный переход

Для возбуждения основной волны в прямоугольном волноводе с помощью полосковой линии используется волноводно-полосковый переход. Широкополосный переход между полосковой линией и прямоугольным волноводом может бытьреализован применением П-образного волновода. При этом П-образный волновод получается из обычного прямоугольного волновода путем установки продольного металлического клина длиной (2..3)l_в (рис. 3.9). Варианты коаксиально-полосковых переходов показаны на рис. 3.10.

На практике часто возникает задача передачи мощности СВЧ от неподвижного генератора к вращающейся антенне. Эта техническая задача решается с помощью перехода, называемого вращающимся сочленением. Для вращающихся сочленений используют линии передачи, имеющие осевую симметрию поперечного сечения, и выбирают тип волны, у которой силовые линии поля обладают азимутальной симметрией. Перечисленным условиям удовлетворяют коаксиальный волновод с волной типа Т и круглый волновод с волной Е₀₁

Рис. 3.9. Волноводно-полосковые переходы: а – зондовый на симметричную полосковую линию; б – П-образный на несимметричную полосковую линию; 1 – центральный проводник; 2 – металлическая пластина; 3 – диэлектрическая подложка; 4 – прямоугольный волновод; 5 – поршень; 6 –металлический клин; 7 – гребень П-образного волновода

Основным элементом вращающегося сочленения коаксиального типа являются дроссельные канавки, обеспечивающие надежный электрический контакт между вращающимися коаксиалами (рис. 3.11). Назначение и принцип работы дроссельных канавок во вращающемся сочленении такие же, как и в дроссельно-фланцевом соединении. Трущиеся контакты располагаются в нулях продольных токов, что достигается выбором глубины дроссельных канавок порядка четверти длины волны. При этом дроссельные канавки располагаются как во внешнем, так и во внутреннем проводниках коаксиала.

Рис 3.10.Коаксиально-полосковые переходы: а – непосредственный на симметричную полосковую линию; б – перпендикулярный на симметричную полосковую линию; в – перпендикулярный на несимметричную полосковую линию; 1 – центральный проводник; 2 – металлическая пластина; 3 – коаксиальная линия; 4 –разомкнутый шлейф; 5 – отверстие для согласования перехода

На рис. 3.12 схематично представлено вращающееся сочленение на основе круглого волновода с волной Е₀₁. Оно представляет собой основной круглый волновод диаметром 2a₁ перпендикулярно которому присоединены два прямоугольных волновода, являющихся входами устройства. Основной круглый волновод сверху и снизу заканчивается гасящими объемами. Они представляют собой короткозамкнутые круглые волноводы диаметром 2а₂ и длиной l. Внутри основного волновода на расстоянии L друг от друга размещены резонансные металлические кольца диаметром 2r_к.Рабочим типом волны во вращающемся сочленении является волна E₀₁, круглого волновода. Структура силовых линий полей этой волны показана на рис. 1.27, б. Диаметр основного круглого волновода 2а₁ выбирается из условия распространения в нем волны E₀₁: l<l_крE01 = 2,61a₁. Ближайший высший тип волны круглого волновода H₂₁, должен находиться в закритическом режиме l>l_крH21 = 2,06a₁. Из этих неравенств определяем интервал возможных значений a₁: l/2,61 < a₁ < l/2,06. При возбуждении прямоугольным волноводом круглого в нем, кроме волны E₀₁, возбуждается паразитная волна H₁₁, которая является основной волной круглого волновода и при выбранном радиусе a₁ находится в докритическом режиме, так как l<l_крE01<l_крH11=3,41a₁. Наличие волны H₁₁ в основном волноводе является нежелательным, так как структура поля этой волны не обладает азимутальной симметрией, вследствие чего при работе вращающегося сочленения могут изменяться условия передачи мощности с одного входа сочленения на другой. В реальных конструкциях вращающихся сочленений для подавления
волны H₁₁ предназначены гасящие объемы или резонансные кольца.

Рис. 3.12.Вращающееся сочленение на круглом волноводе

Эквивалентная схема вращающегося сочленения с гасящими объемами показана на рис. 3.13. Длина шлейфов l выбирается таким образом, чтобы для волны E₀₁ линия от клемм 1к клеммам 2была бы прозрачной, для волны H₁₁ имела бы разрыв в месте подключения шлейфов. Это обеспечивается выполнением равенств l = l_E01/2, l = 3l_H11/4. Первое из этих равенств обеспечивает нулевое входное сопротивление шлейфов для волны E₀₁а второе – бесконечное входное сопротивление для волны
H₁₁. Одновременное выполнение этих равенств достигается выбором радиуса a₂круглого волновода гасящего объема.

Рис. 3.13.Эквивалентные схемы волноводного вращающегося сочленения сгасящими объемами

Резонансные металлические кольца могут быть использованы для подавления волны H₁₁ вместо гасящих объемов. Так как кольца тонкие, то они не оказывают заметного влияния на распространение волны E₀₁. Силовые линии магнитного поля этой волны параллельны кольцу и не вызывают появления в кольце кольцевого поверхностного тока. Однако структура магнитных силовых линий волны H₁₁ такова, что в кольце возбуждается поверхностный кольцевой ток (рис. 3.14). Амплитуда этого тока максимальна при резонансной длине кольца 2pr_к=l. В данном случае такое кольцо интенсивно отражает волну H₁₁. Для усиления эффекта гашения этой волны используют два резонансных кольца, размещаемых на расстоянии L друг от друга: L = 2(n + 1) l_H11/4, где n = 1,2.

Литература

1. Сазонов Д. М., Гридин А.Н., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ: Учеб. пособие / Под ред. Д. М. Сазонова. - М.: Высшая школа, 1981.

2. Григорьев Л Д. Электродинамика и техника СВЧ: Учебник для вузов но специальности "Электронные приборы и устройства". - М.: Высшая школа, 1990.

3. Кац Б. М. и др. Оптимальный синтез устройств СВЧ с эм-волнами / Под ред. В.П. Мещанова. - М.: Радио и связь, 1984.

Микроэлектронные устройства СВЧ: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов / Г. И. Веселое, Е. Н. Егоров, Ю. Н. Алехин и др.; Под ред. Г. И. Веселова. - М.\ Высшая школа, 1988.

5. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев, В. И. Вольман, Ю. Н. Либ и др. I Под ред. В. И. Вольмана. — М.: Радио и связь, 1982.

6. Линии передачи СВЧ-диапазона; Максимов В.М.; Сайнс-Пресс; 2002 г.; 80 стр