Лаб работа 33
advertisement
Лабораторная работа №33 НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА П-ВОЛНОВОДЕ Цель работы: изучить физический принцип действия, конструкцию, параметры и характеристики направленного ответвителя на П-волноводе. Задание: занести в рабочую тетрадь название и цель лабораторной работы; основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы. 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Направленный ответвитель – устройство, служащее для ответвления из основного высокочастотного тракта части мощности одной из двух бегущих волн, распространяющихся по линии в противоположных направлениях: падающей или отраженной волны. Главное назначение ответвителей – направленно ответвлять некоторую часть высокочастотной мощности из основного тракта во вспомогательный. Особенности этого прибора заключаются в том, что он реагирует на волну только одного направления, то есть только на падающую или отраженную в основном тракте. Его работа основана на возбуждении во вторичном тракте двух волн, смещённых по фазе так, что амплитуды волн, распространяющихся в желаемом направлении, интерферируя, суммируются, а в нежелаемом – взаимно компенсируются. Несмотря на то, что направленные ответвители, по сути дела всегда решают одну и ту же задачу – ответвляют некоторую часть энергии основной линии передачи во вспомогательную линию, — их применение в технике СВЧ весьма многообразно. Направленные ответвители используются для получения развязки между генераторами при включении в основную линию передачи 3 дополнительного источника высокочастотных колебаний; при включении гетеродина в супергетеродинном приёмнике; для получения необходимых амплитудных и фазовых соотношений между сигналом в основной линии и в вспомогательной линии (например, в трёхдецибельных щелевых мостах и для определения величины проходящей мощности и коэффициента стоячей волны; для переменной связи с основной линией передач и т.д. 2 ПАРАМЕТРЫ НАПРАВЛЕННЫХ ОТВЕТВИТЕЛЕЙ Направленные следующими ответвители параметрами: любого переходным типа принято ослаблением, характеризовать направленностью, развязкой, балансом выходных плеч, согласованием плеч ответвителя с подводящими фидерными линиями, рабочим ослаблением в первичной линии, фазовыми соотношениями для напряжений в выходных плечах, диапазоном частот. Обобщенная схема НО, который в общем случае представляет собой полностью согласованный элементарный восьмиполюсник, представлена на рисунке 1. Рисунок 1 – Обобщенная схема НО Если на вход 1 элементарного восьмиполюсника поступает СВЧ мощность P1, то на выход 3 основного волновода поступит мощность P3, а на выходы 2 и 4 вспомогательного волновода – соответственно P2 и P4 . 4 На рисунке 2 представлены направленные ответвители с тремя типами направленности. Рисунок 2 – Три типа НО Переходное ослабление определяется, как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности рабочего плеча вспомогательной линии. Выражается обычно в децибелах. Например, для ответвителя, изображенного на рисунке 2, переходное ослабление вычисляется по формуле: C14 10 lg P1 P4 [äÁ ] . (1) Переходное ослабление зависит от размеров, числа, положения и типов элементов связи, также от частоты. Принципиально можно обеспечить любую величину переходного ослабления от очень малых значений вплоть до бесконечно больших. В зависимости от переходного ослабления C НО делятся на устройства с сильной (С 0 – 10дБ) и слабой (С 10дБ) связью. Направленные ответвители, имеющие равные мощности в выходных плечах (С 3,01дБ), выделены в особый класс соединений, называемый трехдецибельные (3 - дБ) направленные ответвители или мосты. 5 Направленностью называется отношение мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вспомогательной линии. Для рисунка 2 первого типа: N P4 P2 10 lg 42 Направленность [äÁ ] . идеального (2) направленного ответвителя равна бесконечности. Чем больше направленность ответвителя, тем выше его качество. Существенно также, чтобы ответвитель обладал широкополосными свойствами, т.е. чтобы направленность возможно меньше зависела от рабочей частоты. Направленность элементарного восьмиполюсника может быть положительной, отрицательной или нулевой, когда во вспомогательной линии в разные стороны от волновода связи распространяются волны равной амплитуды. Развязка определяется как отношение входной мощности основной линии к выходной мощности нерабочего плеча вспомогательной линии. Для рисунка 2 первого типа: L 12 10 lg P1 P2 [äÁ ] (3) [äÁ] N 42 [äÁ]. (4) или L C 12 14 Балансом входных плеч называется отношение мощностей на выходе основной линии и рабочего плеча вспомогательной линии. Для рисунка 2 первого типа: B34 10 lg P3 P4 [äÁ ] . (5) Рабочее ослабление в первичной линии определяется отношением мощностей на входе и выходе основной линии. Для рисунка 2 первого типа: 10 lg 13 A P1 P3 [äÁ ] . Для определения диапазонных свойств направленного ответвителя 6 (6) основные характеристики определяются в функции частоты (длины волны). Согласование плеча НО с входной подводящей линией характеризуется КСВН, измеряемым со стороны входного плеча направленного ответвителя, когда к остальным плечам подключены согласованные нагрузки. Величина КСВН направленного ответвителя характеризует искажение поля в основном тракте изза наличия элементов связи. Аналогичным образом определяют и КСВН плеча вспомогательного тракта НО. Полному отражению от нагрузки соответствует бесконечно большой КСВН. Режим идеального согласования с нагрузкой характеризуется величиной КСВН равном единице. 3 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ НАПРАВЛЕННОГО ОТВЕТВИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ НО представляет собой восьмиполюсник, образованный двумя линиями передачи (ЛП), связанными между собой N ≥ l элементами связи. Размеры элементов связи могут быть соизмеримы с длиной волны в ЛП (распределенная связь), так и много меньше (сосредоточенная или дискретная связь). В волноводных НО элементами связи в большинстве случаев являются отверстия в общей стенке двух волноводов. Эти отверстия можно представить как отрезок волновода. Поперечное сечение этого волновода может быть круглым, прямоугольным, крестообразным, Н – образным, и т.д. В НО с малым значением ответвленной мощности (НО со слабой связью) отверстия связи (ОС) – запредельные волноводы. Если в ОС может распространяться волна, а его длина соизмерима с , то такое ОС называется шлейфом. ОС может иметь собственную направленность, т.е. возбуждать во вторичном волноводе волны различной амплитуды в положительном и отрицательном направлениях. В этом случае НО может иметь только одно ОС. В противном случае их число не менее двух. Устройство состоящее из отрезка основной передающей линии и отрезка 7 вспомогательной линии, связанной с основной линией при помощи двух параллельно включенных зондов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, обеспечивает эффект направленного ответвителя. Следует заметить, что простой одиночный зонд, например штырь, не может быть использован в качестве направленного ответвителя. Мощность, ответвляемая одиночным зондом, пропорциональна квадрату амплитуды высокочастотного напряжения в данной точке, являющегося векторной суммой напряжений падающей и отраженной волн. Эквивалентная схема показана на рисунке 3,а. Роль реактивных элементов связи играет ёмкость штыря или индуктивность петли (отверстия) связи. Оба зонда связаны с основной линией, т.е. по отношению к вспомогательной линии они играют роль генераторов напряжения (рисунок 3,б). а) 8 б) а – эквивалентная схема, б – возбуждение волн Рисунок 3 – Принцип действия НО с двумя зондами Пусть в основной линии имеется только волна, распространяющаяся от плеча 1 к плечу 3, т.е. на конце основной линии включена идеальная согласованная нагрузка. Во вспомогательной линии каждый из зондов (генераторов) возбуждает две волны, распространяющиеся в обоих направлениях. Фаза колебаний в сечении зонда 2 отличается на величину 2L b , где L – геометрическое расстояние между зондами; b – длина волны в основной и во вспомогательных линиях. Амплитуды колебаний, возбуждаемых зондами во вспомогательной линии, считаем одинаковыми. Если выбрать L=в/4, то в плоскости плеча 2 волны будут иметь разность фаз, равную =, т. е. произойдет полное уничтожение волн. По вспомогательной линии волны смогут распространяться только в направлении 9 плеча 4. Таким образом, в результате распространения по основной линии волны в направлении слева направо во вспомогательной линии возбуждается волна, распространяющаяся в том же направлении. Аналогичный результат получается, если волна в основной линии распространяется справа налево. Ответвлённая волна будет поступать лишь по направлению к плоскости плеча 2. Принципиально в плоскостях A и B могут быть включены два согласованных индикатора, например амплитудных детектора. Однако, ввиду трудности хорошего согласования детектора, один из них обычно заменяют согласованной нагрузкой, как показано на рисунке 4. Рисунок 4 – Принципиальная схема НО с двумя элементами связи Если необходимо одновременно регистрировать как прямую, так и отражённую волну, то пользуются двумя НО описанного типа. Каждый НО имеет во вспомогательной линии согласованную нагрузку и индикатор; НО включают в противоположных направлениях. Идеальный НО не ответвляет в индикатор сигнала при распространении волны по основной линии в обратном направлении. Однако, ввиду неточности изготовления НО, отклонение длины волны от расчётной и наличия небольшого рассогласования нагрузки во вспомогательной линии наблюдается некоторое прохождение сигнала в ненормальном направлении. 10 4 ВОЛНОВОДНЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ СО СЛАБОЙ СВЯЗЬЮ Основным элементом, определяющим многообразие НО, является область связи, т.е. совокупность элементов связи, расположенных на общей для основного и вспомогательного волноводов стенке. В качестве элементов связи НО, как правило, применяют отверстия в стенках волновода. Простейшей областью связи является одно отверстие, которое обладает собственной направленностью. При конструировании НО наиболее часто применяются элементы связи в форме круглых отверстий, щелей (продольных и поперечных), крестиков и отверстий эллиптического типа. В зависимости от расположения отверстия при волне типа H10 в прямоугольном волноводе связь может быть либо чисто магнитной (рисунок 5,а), либо смешанной – электрической и магнитной (рисунок 5,б). а) б) Рисунок 5 – Характер электрического и магнитного полей при волне типа H10 вблизи отверстия в узкой (а) и широкой (б) стенке волновода Переходное ослабление элемента связи зависит от того, на какой стенке волноводного тракта расположен элемент связи. Ориентация вспомогательного волновода относительно основного производится в соответствии с принципами 11 возбуждения волн в волноводах. Отверстия связи можно рассматривать как возбуждающие зонды. Если связь осуществляется сразу по электрическому и по магнитному полю, одно отверстие эквивалентно двум зондам: штырю и петле. Различают направленные ответвители со связью по узкой или по широкой стенке волновода. Связь между волноводами через небольшое круглое отверстие осуществляется: а) по тангенциальной составляющей магнитного поля; б) по нормальной составляющей электрического поля; На рисунке 6,а (отверстие в узкой стенке) электромагнитное поле у отверстия имеет только Hz компоненту. Связь осуществляется только по магнитному полю. На рисунке 6,б (отверстие в широкой стенке) электромагнитное поле у отверстия имеет компоненты Hx, Hz и Ey. Связь осуществляется по магнитному и электрическому полю. На рисунке 6,в (отверстие у одного волновода в узкой, а у другого в широкой стенке) электромагнитное поле у отверстия имеет только Ey компонента. Связь осуществляется только по электрическому полю. y 2 1 2 1 а) x 2 1 б) в) 1 – основной тракт, 2 – вспомогательный тракт Рисунок 6 – Связь прямоугольных волноводов через малое отверстие по узкой (а), по широкой (б) и по узкой и широкой (в) стенке Наиболее простой и часто применяемый в случае связи через малые 12 отверстия метод исследования НО – квазистатическая теория Бёте. В рамках этого метода полагается, что геометрические размеры отверстий достаточно малы по сравнению с размерами волноводов (меньше /2), так что можно пренебречь изменением значения фазы поля вдоль отверстия связи. Кроме того, необходимо, чтобы отверстие связи было достаточно удалено от углов волновода и противоположных стенок. Тогда амплитуды волн в волноводе, возбуждаемом малым отверстием, вычисляются через его дипольные моменты. Дипольные моменты пропорциональны коэффициентам электрической и магнитной поляризуемости отверстий. К достоинствам теории Бёте следует отнести простоту анализа и достаточно хорошую для практики точность (3-7%) расчета переходного ослабления и направленности, хотя в рамках этого метода не выполняется соотношение энергетического баланса и отсутствует возможность учёта высших волн в области связи. Как уже отмечалось, переходное ослабление определенного типа элемента связи двух волноводов зависит от длины волны в волноводе, геометрических размеров и положения этого элемента связи. Причем необходимо, чтобы переходное ослабление НО оставалось постоянным или как можно меньше отклонялось от некоторого постоянного уровня в заданном диапазоне длин волн, что в свою очередь требует постоянства переходного ослабления отдельного элемента связи в том же диапазоне. С этой точки зрения под оптимальной характеристикой переходного ослабления элемента связи понимают такую характеристику, которая удовлетворяет условию: С-C12 ≤ C, где С – заданный уровень переходного ослабления; C12 – значения переходного ослабления элемента связи на краях заданного диапазона; C – допустимая величина отклонения переходного ослабления от заданного уровня. 13 Как правило, величина C находится в пределах 0,1–1дБ. Принято считать, что C – значение переходного ослабления элемента связи в середине диапазона. Выбирая соответствующим образом положение круглого отверстия связи по широкой стенке волновода, можно получить характеристику переходного ослабления с минимальным отклонением от определенного уровня в заданном диапазоне длин волн. Для отверстия связи, расположенного по узкой стенке волновода, оптимальность характеристики переходного ослабления, т.е. ее отклонение от заданного уровня, однозначно определяется изменением длины волны. Вообще говоря, связь двух волноводных трактов прямоугольного сечения по узкой стенке носит название “Ответвитель Бёте”. Схематически ответвитель Бёте изображен на рисунке 7, где два прямоугольных волновода связаны между собой через центральное отверстие в широкой стенке. Оси волноводов сдвинуты под углом . A и B – амплитуды электромагнитных волн основного типа колебания во вспомогательном тракте. B 1 2 a H10 x A z Рисунок 7 – Ответвитель Бёте Электрическая связь в соответствии с рисунком 5 возбуждает во вспомогательном волноводе синфазное поле, магнитная связь – противофазное. Поэтому мощность суммарного поля 14 во вспомогательном волноводе распространяется в обратном направлении, т.е. в направлении противоположном распространению энергии в основном волноводе. Ответвитель Бёте не может не иметь переходное ослабление порядка 20дБ и ниже, так как большое отверстие волновода приводит к возникновению существенного отражения в основном и во вспомогательном трактах. На практике полоса частот, в которой направленность не опускается ниже 20дБ, около 20%. Рабочий диапазон ответвителя Бёте можно несколько расширить, если уменьшить отверстие связи ответвителя – заполнить его диэлектриком с 1. 5 НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С НЕНАПРАВЛЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ НО можно получить и при использовании ненаправленных элементов связи. Ненаправленным элементом связи называется такой элемент, который возбуждает во вспомогательном волноводе электромагнитные волны с равными амплитудами, т.е. в отношении A=B (рисунок 8). основной согласованная волновод вспомогательный нагрузка волновод Рисунок 8 – Направленный ответвитель с двумя отверстиями связи Примером элемента связи, который не обладает направленностью, является отверстие в узкой стенке прямоугольного волновода. Волноводы в этом случае связаны тангенциальной составляющей магнитного поля Hz. Два таких 15 отверстия, расположенных на расстоянии /4 друг от друга, образуют направленный ответвитель (рисунок 8). – длина волны в волноводе. Синфазное возбуждение. Каждое отверстие связи возбуждает во вспомогательном волноводе пару волн с амплитудой A, причем возбуждённая волна находится в фазе с возбуждаемой каждым элементом связи. Подобное возбуждение вспомогательного волновода называется синфазным. Волна возбуждённая отверстием 1 во вспомогательном волноводе, отстает по фазе на /2, а волна возбуждённая отверстием 2, имеет равное отставание в основном волноводе, поэтому общая волна во вспомогательном волноводе с правой стороны (рисунок 8) Ae j 2 Ae j 2 2 jA . (7) Волна слева A Ae j 0 , (8) так как запаздывание по фазе приобретает только волна, возбуждаемая отверстием 2, которая отстает по фазе на /2 в основном и во вспомогательном волноводах. Зависимость направленности ответвителя с двумя отверстиями связи при синфазном возбуждении от длины волны представлена на рисунке 9. Рисунок 9 – Зависимость направленности ответвителя с двумя отверстиями связи от длины волны 16 Направленность ответвителя теоретически равна бесконечности на длине волны, для которой расстояние между отверстиями равно 0/4. Если 0 – расчетная длина волны, то при длине волны волна слева не равно нулю и определяется выражением: B A Ae j 0 A[1 e j 0 , ] A j 0 (9) где B – амплитуда суммарной волны слева; 0 , откуда направленность ответвителя N 20 lg 2A 2 20 lg . B (10) Из рисунка 9 видно, что при отклонении на 10% величина направленности равна всего 16дБ. Согласно формуле (10), на расчётной длине волны должна получаться бесконечная направленность, которая в действительных конструкциях не имеет места из-за наличия отражений, неточности изготовления и взаимодействия элементов связи. Формула (10) достаточно точно определяет направленность ответвителя только при значительном отклонении длины волны от расчётной, когда направленность ответвителя определяется, в основном, расположением элементов связи. Описанный выше НО с двумя отверстиями связи обладает следующими недостатками: большим переходным ослаблением и значительной зависимостью переходного ослабления от длины волны. Противофазное возбуждение. Рассмотрим случай противофазного возбуждения, когда один элемент связи возбуждает во вспомогательном волноводе волну в фазе, а соседний с ним элемент связи – в противофазе. Принципиальная схема ответвителя представлена на рисунке 10. 17 с противофазным возбуждением Рисунок 10 – Принципиальная схема противофазного НО Очевидно, что во вспомогательном волноводе, независимо от расстояния между отверстиями связи l, будет отсутствовать волна справа, тогда как волна слева зависит от расстояния l и определяется выражением B A[1 e j j 4 Значение слагаемого ]. e (11) j j 4 в формуле (11) может меняться от минус l до плюс l, при этом модуль B изменяется соответственно от 0 до 2A. Таким образом, системе с противофазным возбуждением присуща широкополосная направленность, поскольку уничтожение волн в одном направлении не определяется расстоянием между отверстиями связи. Основная волна, возбуждаемая во вторичном волноводе, распространяется в обратном направлении по сравнению с первичным волноводом и зависит от изменения расстояния между элементами связи, но значительно слабее, чем уничтожаемая волна в синфазном ответвителе l=/4. Зависимость переходного ослабления от длины волны можно уменьшить, скомпенсировав её обратной зависимостью элементов связи. На рисунке 11 показан один из вариантов противофазного направленного ответвителя. 18 Рисунок 11 – противофазный НО Узкая сторона вспомогательного волновода расположена по середине широкой стороны основного волновода, в которой на одинаковом расстоянии от центральной линии прорезаны два отверстия связи, отстоящие друг от друга на l=/4. Связь основного и вспомогательного волноводов в этом случае осуществляется только за счет тангенциальной составляющей магнитного поля, так как электрическое поле, нормальное к отверстиям связи, отсутствует во вспомогательном волноводе. В основном волноводе имеются две компоненты магнитного поля Hx и Hz, во вспомогательном волноводе существует только одна компонента Hz. Поскольку компонента Hz меняет знак при переходе через x=a/2, то поля, возбуждаемые отверстиями связи, будут в противофазе. С целью уменьшения зависимости ослабления от длины волны в волноводе, отверстия связи в практических конструкциях противофазного ответвителя выполняют в виде щелей. 6 НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ С ОДИНАКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СВЯЗИ НО с двумя ненаправленными элементами связи узкополосен, так как волны во вспомогательном канале складываются при определенной частоте, для которой l = /4. Для расширения полосы в которой НО обеспечивает требуемые 19 характеристики, используется связь через n 2 отверстий, расположенных на расстоянии l = /4, где берется в середине диапазона. Пусть НО представляет собой систему элементов связи с равными геометрическими размерами, разнесённых на некоторое расстояние друг от друга. На рисунке 12 схематически изображён трёхэлементный НО у которого расстояние между элементами связи l произвольно. Рисунок 12 – НО с одинаковыми элементами связи При рассмотрении параметров НО используем следующие предположения: фазовые скорости распространения волны в основном и вспомогательном волноводах равны между собой, размеры отверстий малы по сравнению с длиной волны. Во вспомогательном волноводе справедливы соотношения для суммарных волн, распространяющихся в прямом и обратном направлении, соответственно: A 3 Ae j 2 2l B A(1 e j , 2 2l (12) e j 2 4l ), где A – амплитуда волны, возбуждаемой одиночным отверстием связи. Условие идеальной направленности B = 0 выполняется при l=/6. Выражения (12) для ответвителя с n отверстиями связи имеют вид: 20 A nA , 2l . B A 2l sin sin n (13) На основании (13) направленность ответвителя равна 2l , N 20 lg n 2l sin n sin (14) и переходное ослабление C при единичной амплитуде волны в основном волноводе (A0=1) равно C=20 lg nA . (15) Очевидно, направленность ответвителя будет идеальной только тогда, когда sin n 2l 2l 0, n m , m 1,2,3... (16) В данном случае, при m=l, расстояние между соседними элементами связи l=/2 . Если в выражении для направленности ответвителя перейти к пределу при n и l, то можно получить выражение направленности ответвителя, имеющего в качестве элемента связи длинную щель: 2L N * 20 lg 2L , sin n (17) где L – длина щели. 21 7 ЩЕЛЕВЫЕ НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ Щелевой НО можно представить в виде симметричного относительно горизонтальной плоскости dd восьмиполюсника (рисунок 13,а). а – щелевой НО; б – эпюры напряженности электрических полей в плече 1 и в области связи Рисунок 13 – К рассмотрению щелевого НО методом связанных волн Таким образом, в рамках этого представления можно считать, что в области связи согласованного щелевого НО рассматриваются две волны: синфазная и противофазная (при этом полагают, что мощность колебаний распределяется между ними поровну). В результате интерференции этих волн происходит перераспределение СВЧ энергии между каналами 3 и 4. В таком согласованном щелевом НО сигнал в плече 2 будет отсутствовать, а напряжения в плечах 3 и 4 сдвинуться по фазе на /2. Его анализ проводят, используя суперпозицию параметров четырехполюсников двух типов, один из которых соответствует режиму синфазного возбуждения восьмиполюсника (в плоскости симметрии токи равны нулю, четырехполюсник образуется рассечением восьмиполюсника плоскостью из идеального магнетика), другой – режиму противофазного возбуждения (в плоскости симметрии напряжения равны нулю, четырехполюсник образуется 22 аналогичным рассечением восьмиполюсника плоскостью стандартного прямоугольного из идеального проводника) (рисунок 13,б). В рабочем диапазоне волновода 2a в области связи могут распространяться три волны – H10 (критическая длина волны c = 4a), H20 (c = 2a), H30 (c = 4/3a). Работа щелевого моста обусловлена интерференцией только двух низших волн области связи. Поэтому его рабочий диапазон 4/3a 2a уже рабочего диапазона волновода. Для увеличения широкополосности область связи сужают. В этом случае частотная зависимость переходного ослабления согласованного НО определяется выражением C14 10 lg 1 L sin 2 2 , (18) где k 2 k12 k 2 k 22 ; 2 k – волновое число свободного пространства; k1, k2 – собственные числа соответственно синфазной и противофазной волн в области связи щелевого НО; L – длина области связи. Из формулы (18) следует, что переходное ослабление в диапазоне длин волн при фиксированной длине щели будет плавно изменяться. Условие деление мощности пополам между каналами 3 и 4 имеет вид: L=(2n-1)/2 , n=1,2,3… (19) 23 Нижняя граница НО определяется нижней частотой работы волновода. Так как появление в области связи третьей волны H30 приводит к появлению интерференции трех характеристик. волн, это Поэтому верхняя приводит к существенному граница рабочей полосы ухудшению определяется критической частотой волны H30 в области связи. 8 ИЗУЧАЕМЫЙ НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ НА П-ВОЛНОВОДЕ В последнее время значительно расширилась область применения волноводов со сложной формой поперечного сечения. Это вызвано тем, что использование волноводов сложной формы при конструировании СВЧ устройств позволяет удовлетворить возросшие требования, предъявляемые к современной СВЧ аппаратуре: увеличение широкополосности, уменьшение массы и габаритов, передача больших мощностей. В связи с этим возникает необходимость в изучении элементов и узлов, построенных на этих волноводах: коаксиально-волноводных переходов, фильтров, направленных ответвителей, фазовращателей и т.п. В частности необходимо изучить такой класс устройств, часто применяемый в широкополосной СВЧ аппаратуре, как щелевые направленные ответвители (НО) на П-волноводах. Щелевые НО на П-волноводах со связью по широкой стенке характеризуются сложностью структуры в области связи. Изучаемый щелевой НО, устройство которого показано на рисунке 14, состоит из двух П-волноводов, наложенных друг на друга по широкой стенке, в которой прорезаны две щели связи шириной a и длиной L. Аналогичный щелевой НО на прямоугольных волноводах описан в работах [6,7,8]. 24 Рисунок 14 – НО на П-волноводе со связью в виде двух щелей по широкой стенке Щели в области связи в рамках метода частичных областей с особенностью на ребре (рисунок 15) можно рассматривать как комбинацию электрической и магнитной стенок, а область связи – как коаксиальную линию, центральным проводником которой является часть общей стенки между прорезанными щелями. Первая распространяющаяся волна в области связи представляет собой чисто поперечную Т-волну. Вторая волна – волна типа H10 в П-волноводе. Третья волна – волна типа H11. 25 Рисунок 15 – Поперечное сечение НО на П-волноводах со связью в виде двух щелей по широкой стенке 9 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ МЕТОД РЕФЛЕКТОМЕТРА Этот метод основывается на определении падающих и отражённых волн в стандартной линии, подключённой к испытуемому устройству, и вычислении коэффициента отражения в соответствии с определением Еотр Е пад , (20) Первые средства измерений, работающие по этому методу, получили 26 название рефлектометров. Основным элементом рефлектометра является устройство для выделения падающих и отражённых волн в линии – направленный ответвитель. Он состоит из двух отрезков линий передач, связанных между собой. Принцип действия направленного ответвителя, входящего в состав рефлектометра, рассмотрим на примере волноводного устройства с двумя элементами связи (рисунок 16). Вых. 2 Вых. 1 ВК P1 P2 Н Г P ОК В 4 Рисунок 16 - Принцип работы волноводного направленного ответвителя Волновод, через который проходит сигнал от генератора Г к нагрузке Н, принято называть основным каналом направленного ответвителя (ОК). Волновод, связанный с основным, называют вспомогательным каналом (ВК). Волноводы расположены параллельно друг другу и имеют общую широкую стенку. В общей стенке выполнены два отверстия (либо поперечные щели) на расстоянии четверти длины волны в волноводе одно от другого. Волна Р бегущая в основном канале от генератора к нагрузке, возбуждает во вспомогательном канале волны, распространяющиеся в обе стороны от каждого из отверстий. При сложении этих волн происходит следующее. Волны, бегущие от отверстий в том же направлении, что и в основном канале, имеют одинаковые фазы, и, складываясь, 27 дают волну мощностью P1, бегущую к выходу 1. Волны, бегущие от отверстий в противоположном направлении, имеют разность хода / 2 , т.е. оказываются в противофазе. Если амплитуды волн от каждой из отверстий равны, то они компенсируют одна другую. Следовательно, если в основном канале существует волна только одного направления, то в этом случае мощность волны P2, бегущей к выходу 2, будет равна нулю. Точно также волна, бегущая в основном канале от нагрузки к генератору (отражённая волна), образует во вспомогательном канале волну, бегущую лишь к выходу 2. Таким образом, если к выходам 1 и 2 подключить неотражающие (согласованные) индикаторы мощности, то на выходе 1 будем иметь информацию о мощности волны, падающей к нагрузке, а на выходе 2 – отражённой от нагрузки. Для получения одновременной информации о падающей и отражённой волнах необходимо два ответвителя, соединённые так, как показано на рисунке 17. Рисунок 17 – Принцип работы рефлектометра 28 При таком соединении сигнал от генератора Г проходит через основные каналы ответвителей НО1 и НО2, попадает на вход испытуемого узла ИУ. Выход вторичного канала ответвителя НО1 нагружен на детекторную секцию Д1 с индикатором И1, который даёт показания, пропорциональные падающей мощности Р. Выход вторичного канала ответвителя НО2 нагружен на детекторную секцию Д2 с индикатором И2. Его показания пропорциональны мощности, отражённой от испытуемого узла ИУ. Если коэффициенты передачи детекторных секций равны, а переходные ослабления ответвителей одинаковы, то отношение показаний индикаторов И2 и И1 даёт значение квадрата модуля коэффициента отражения Г2 i2 i1 , (21) где i1 и i2– отсчёты по шкалам индикаторов И1 и И2 соответственно. В настоящее время устройство, показанное на рисунке 17, является основным узлом современных средств измерения – панорамных измерителей КСВН и измерителей комплексных коэффициентов передачи. Основные источники погрешностей данного метода: неидентичность характеристик ответвителей, детекторных секций и индикаторов; отличие вольт-амперных характеристик диодов от квадратичной; распределенные потери в основных каналах ответвителей. 29 10 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Для экспериментального изучения физического принципа действия НО используется установка, структурная схема калибровки которой приведена на рисунке 18. Рисунок 18 – Схема электрическая структурная калибровки прибора Р2-61 На этом рисунке обозначены: Р1 – индикаторный блок Я2Р-61 панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-61; G1– генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-61; W1,W2 – рефлектометры падающей и отраженной волн из комплекта Р2-61; XW1 – волноводно-коаксиальный переход; XW2 – волноводная согласованная нагрузка из комплекта Р2-61; А,Б,В,Г,Д – кабели соединительные из комплекта Р2-61. На рисунке 19 приведена схема электрическая структурная измерения КСВН направленного ответвителя. 30 Рисунок 19 – Схема электрическая структурная измерения КСВН щелевого НО на П-волноводе На этом рисунке обозначены: А1 – изучаемый направленный ответвитель на П-волноводе; Р1 – индикаторный блок Я2Р-61 панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-61; G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-61; W1,W2 – рефлектометры падающей и отраженной волн из комплекта Р2-61; XW1 – волноводно-коаксиальный переход; XW2, XW3 – переходы с прямоугольного волновода на П-волновод; XW4 – согласованная нагрузка на П-волноводе; XW5 – волноводная согласованная нагрузка из комплекта Р2-61; А,Б,В,Г,Д – кабели соединительные из комплекта Р2-61. На рисунке 20 приведена схема электрическая структурная измерения переходного ослабления направленного ответвителя. 31 Рисунок 20 – Схема электрическая структурная измерения переходного ослабления щелевого НО на П-волноводе На этом рисунке обозначены: А1 – изучаемый направленный ответвитель на П-волноводе; Р1 – индикаторный блок Я2Р-61 панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-61; G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-61; W1,W2 – рефлектометры падающей и отраженной волн из комплекта Р2-61; XW1 – волноводно-коаксиальный переход; XW2, XW3 – переходы с прямоугольного волновода на П-волновод; XW4 – согласованная нагрузка на П-волноводе; XW5 – волноводная согласованная нагрузка из комплекта Р2-61; А,Б,В,Г,Д – кабели соединительные из комплекта Р2-61. На рисунке 21 приведена схема электрическая структурная измерения развязки 32 направленного ответвителя. Рисунок 21 – Схема электрическая структурная измерения развязки щелевого НО на П-волноводе На этом рисунке обозначены: А1 – изучаемый направленный ответвитель на П-волноводе; Р1 – индикаторный блок Я2Р-61 панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-61; G1 – генератор качающейся частоты (ГКЧ) панорамного измерителя КСВН и ослаблений Р2-61; W1,W2 – рефлектометры падающей и отраженной волн из комплекта Р2-61; XW1 – волноводно-коаксиальный переход; XW2, XW3 – переходы с прямоугольного волновода на П-волновод; XW4 – согласованная нагрузка на П-волноводе; XW5 – волноводная согласованная нагрузка из комплекта Р2-61; А,Б,В,Г,Д – кабели соединительные из комплекта Р2-61. 33 11 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ВНИМАНИЕ! При подготовке рабочего места необходимо выполнить правила, изложенные в «Инструкции по технике безопасности для студентов в учебной лаборатории», предварительно изучив ее. Изучить раздел «Указание мер безопасности» в «Техническом описании инструкции по эксплуатации» (ТО и ИЭ) к каждому прибору, входящему в установку, и руководствоваться ими при работе. 12 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ Для подготовки к измерениям необходимо проделать следующее: - ознакомиться с краткими теоретическими сведениями; - ознакомиться с каждым прибором по «Техническому описанию и инструкции по эксплуатации»; - собрать рабочее место согласно рисунка 18; - включить приборы тумблером СЕТЬ и подготовить их к работе в соответствии с их эксплуатационной документацией; - провести калибровку прибора; - выключить генерацию мощности тумблером СВЧ. 13 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ - Соберите схему измерения КСВН НО в соответствии с рисунком 19. - Включите генерацию тумблером СВЧ. - Проведите измерение КСВН НО со входа 1. Зарисуйте в тетрадь 34 наблюдаемый визуально отклик сигнала на экране ЭЛТ, отметив особые точки по частоте. - Выключите мощность тумблером СВЧ. - Соберите схему измерения переходного ослабления в соответствии с рисунком 20. - Включите генерацию тумблером СВЧ. - Проведите измерение переходного затухания НО. Зарисуйте в тетрадь наблюдаемый визуально отклик сигнала на экране ЭЛТ, отметив особые точки по частоте. - Выключите мощность тумблером СВЧ. - Соберите схему измерения развязки НО в соответствии с рисунком 21. - Включите генерацию тумблером СВЧ. - Проведите измерение развязки НО. Зарисуйте в тетрадь наблюдаемый визуально отклик сигнала на экране ЭЛТ, отметив особые точки по частоте. - Выключите мощность тумблером СВЧ. - Выключите прибор тумблером сеть. - Соберите схему в соответствии с рисунком 18. 14 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ При оформлении результатов необходимо занести в рабочую тетрадь: а) все пункты задания; б) функциональную схему лабораторной установки в) результаты работы в виде графиков; г) выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно). 35 15 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ - Чем обусловлены направленные свойства ответвителя? - Какие типы направленности Вы знаете? - Опишите параметры НО? - Как понимать НО со слабой связью и НО с сильной? - От чего зависит переходное ослабление элемента связи и чем определяется его оптимальное значение? - В чём отличие направленных от ненаправленных элементов связи? - Объясните конструктивные особенности НО с одинаковыми элементами связи. - Опишите конструкцию изучаемого НО на П-волноводе. - Опишите структурную схему измерительной установки. - Опишите принцип работы приборов, входящих в установку. - Как осуществляется связь через малое отверстие в НО по электрическому и магнитному полю? - Объясните полученные результаты. 36 ЛИТЕРАТУРА 1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ, т. 1./ Под ред. академика Н.Д. Девяткова. Учебник для студентов вузов по спец. «Электронные приборы». – М.: Высш. школа, 1970. – 440с. 2. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.Н. Справочник по элементам волноводной техники. – М.: Сов. радио, 1967. – 424с. 3. Вальднер О.А., Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория. – М.: Сов. радио, 1967. – 424 с. 4. Валитов Р.А., Сретенский В.Н. Радиотехнические измерения. Методы в технике измерений в диапазоне от длинных до оптических волн. – М.: Сов. радио, 1970. – 712 с. 5. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. – М.: Энергия, 1969. – 528 с. 6. Сосунов В.Л., Шибаев А.А. Направленные ответвители сверхвысоких частот. Саратов: Приволжское кн. изд-во, 1969. – 397 с. 7. Милованов О.С., Михайлик В.И., Смирнов И.А. Направленный ответвитель со связью по широкой стенке. Изв. Вузов СССР// Радиоэлектроника. т.18, №2, 1975. – С.107-111. 8. Паттерсон. Патент. РЖЭ, №9, 1959. – С. 191 9. Заргано Г.Ф., Ларцев Н.К., ЛерерА.М., Синявский Г.П., Чекрыгина И.М. Исследование параметров щелевых направленных ответвителей на П-волноводах. Известия СКНЦ ВШ, сер. естественных наук, №4, 1976. – С.61 10. Заргано Г.Ф., Ларцев Н.К., Синявский Г.П., Чекрыгина И.М. П-волноводный щелевой мост.// Всесоюзная научно-техническая конференция «Применение машинных методов для решения краевых задач» – М., 1976, – С.137-138. 37 11. Заргано Г.Ф., Ларцев Н.К., Синявский Г.П., Чекрыгина И.М. Щелевые мосты на П-волноводах.// Восьмая межвузовская конференция «Электроника СВЧ». 14-17 сент. 1976г., Ростов-на-Дону: Тезисы докладов. – Ростов-на-Дону, 1976. – С.102 12. Заргано Г.Ф., Лерер А.М, Михалевский В.С., Синявский Г.П. Расчет полей и критических частот волноводов сложных сечений с учётом особенности на ребре. Известия СКНЦ ВШ, сер. естественных наук, №2, 1976. – С.31 13. Заргано Г.Ф., Нойкин Ю.М., Синявский Г.П., Чекрыгина И.М. Расчёт щелевых мостов на П-волноводах. Седьмой Всесоюзный симпозиум «Дифракция и распространение волн». 12-14 сент. 1977г., Ростов-на-Дону: Краткие тезисы докладов. – М., 1977, – С.89-90. 38