Характеристика и классификация управляющих устройств СВЧ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Аттенюаторы

В процессе настройки и измерения параметров различных устройств возникает необходимость в регулировке уровня мощности, передаваемой по тракту, либо в развязывающих устройствах, ослабляющих реакцию нагрузки на генератор. Устройства, выполняющие подобные функции, называют аттенюаторами (ослабителями). Такие устройства, имеющие, как правило, два плеча, характеризуются вносимым затуханием:

аттенюатор фазовращатель отражательный электромагнитный

lg (Рвх/РВых),

где Рвх и РВых - мощности на входе и выходе аттенюатора соответственно. В регулируемых аттенюаторах Nзат может меняться плавно или принимать ряд дискретных значений (плавные или дискретные аттенюаторы). При конструировании реальных аттенюаторов обычно требуют, чтобы затухание Nзат в рабочей полосе частот оставалось постоянным, обеспечивалось требуемое согласование аттенюатора с подводящими линиями передачи, а фазовый сдвиг , получаемый волной при прохождении через аттенюатор, был пропорционален частоте. Поэтому подобные двухплечные устройства могут быть представлены эквивалентным взаимным четырехполюсником, описываемым матрицей || S || при N=2. В идеальном случае это согласованный четырехполюсник, элементы матрицы || S || которого равны:

S11 =S22 =0, S12= S22 = exp[-Nзат /(20lg е)]ехр(-i)ехр(-Nзат /8,68)ехр(-i).

В волноводных трактах обычно используют два типа аттенюаторов: поглощающие и предельные. В поглощающих часть входной мощности рассеивается внутри аттенюатора, а оставшаяся часть поступает на его выход.

Для уменьшения отражений концы пластины заостряют. Под влиянием электрического поля в поглощающем слое возникает ток проводимости, что вызывает увеличение затухания распространяющейся волны. Поскольку амплитуда вектора Е волны Н10 изменяется вдоль широкой стенки, то, перемещая пластину в этом направлении, можно в широких пределах изменять величину вносимого затухания Nзат. Максимальное вносимое затухание получается при расположении пластины в центре широкой стенки, а минимальное вблизи узкой. При фиксированном положении пластины величина Nзат зависит от длины пластины, параметров диэлектрика и свойств поглощающего материала. К недостаткам таких аттенюаторов можно отнести: зависимость Nзат от частоты; изменение фазового сдвига , получаемого волной при распространении со входа на выход, при изменении вносимого затухания, поскольку перемещение пластины в поперечной плоскости вызывает изменение фазовой скорости распространяющейся волны; изменение вносимого затухания со временем из-за старения материалов.

Предельный аттенюатор обязательно содержит отрезок волновода, размеры которого выбраны так, что он является предельным для всех типов волн. В такой отрезок на некотором расстоянии друг от друга вводятся два электрических или магнитных вибратора, один из которых подсоединяется к источнику электромагнитных колебаний, а другой соединяется с нагрузкой. Мощность, поступающая от источника, вызывает токи в первом вибраторе, что приводит к возбуждению разных типов волн в волноводе. Однако в данном случае для каждого возбуждаемого типа вдоль волновода устанавливается стоячая волна с экспоненциальным убыванием амплитуды вдоль волновода:

ЕВЫХ=Е0ехр(-),

где Евых - амплитуда напряженности электрического поля в месте расположения приемного вибратора, а Е0-в месте расположения возбуждающего вибратора,

,

а - критическая длина волны возбуждаемого типа, обычно волны Н10. Электромагнитное поле возбужденной волны вызывает ток в приемном вибраторе, вследствие чего часть входной мощности поступает в нагрузку. Поскольку величина тока в приемном вибраторе пропорциональна величине Евых, то величина мощности, поступающей в нагрузку, зависит от . Перемещением приемного вибратора вдоль волновода можно менять величину мощности, поступающей в нагрузку, остальная мощность отражается от входа аттенюатора, т.е. регулирование мощности на выходе такого аттенюатора осуществляется за счет изменения уровня отражений от его входа.

В полосковых трактах обычно применяют дискретные ступенчатые аттенюаторы на сосредоточенных резисторах.

Каждая ступень аттенюатора, как правило, имеет вид или Т- или П-образного соединения активных сопротивлений, ко входу и выходу которого подключены подводящие полосковые линии с волновым сопротивлением ZB.

- для Т-образной схемы:

R= ZB /A, R2= ZB/B;

- для П-образной схемы:

R= ZB A, R2= ZBB,

А=(К+1)/(К-1), В=(К2-1)/(2К), где K2 = 10.

Следует отметить, что сосредоточенные резисторы применяют в полосковых конструкциях устройств диапазона СВЧ на частотах вплоть до 12...18 ГГц. Однако на частотах выше 1...2 ГГц используют специальные конструкции резисторов, называемые ЧИП-резисторы. Это элементы, специально разработанные для применения в микрополосковых линиях в составе гибридных интегральных схем. Такой резистор представляет собой весьма малую диэлектрическую пластину, на которую нанесены резистивный слой (поглощающая пленка) и контактные площадки. Например, один из типичных размеров пластины 1x1x 0,6 мм, при этом размер участка с резистивным слоем 0,5x1 мм, а контактных площадок 0,25x1 мм. Столь малые размеры и позволяют рассматривать такие элементы в качестве сосредоточенных резисторов на частотах до 12... 18 ГГц. Иногда ступень выполняется в виде отдельного ЧИП, при этом Т- или П-образная схема размещается на подложке малых размеров, где имеется три вывода (контактные площадки) для установки на полосковую плату. Используя набор отдельных ступеней с разными вносимыми затуханиями, можно построить дискретный аттенюатор, обеспечивающий ряд фиксированных значений вносимого затухания, отличающихся на постоянную величину Nзат, называемую дискретом затухания. Управление такими аттенюаторами обычно осуществляется с помощью электрически управляемых переключателей на р-i-n диодах.

2. Тройники

Тройником называется трехплечное устройство (шестиполюсник), образованное сочленением трех отрезков линии передачи. Такое устройство описывается матрицей || S || при N = 3.

Тройники обычно используют либо для деления мощности входного сигнала на две (в общем случае неравные части), которые передаются по отдельным линиям передачи, либо для сложения и передачи по одной линии сигналов, создаваемых двумя источниками. В зависимости от типа сочленяемых линий тройники называют волноводными, коаксиальными, полосковыми, коаксиально-волноводными, коаксиально-полосковыми и т.д. Наиболее часто применяют Т-образные тройники (продольные оси двух отрезков линии совпадают, а ось третьего перпендикулярна к ним) и Y-сочленения (угол между продольными осями соседних отрезков линии равен 120°). Для волноводных тройников используют, кроме того, дополнительную классификацию. Если разветвление волноводов происходит в плоскости, параллельной продольным осям линий и вектору Е в каждой из них, тройник называют Е - плоскостным, а если в плоскости, параллельной продольным осям и вектору Н в каждой из них-то Н- плоскостным. Волноводные Е-плоскостной и Н-плоскостной Т-тройники, а также Н-плоскостное Y-сочленение прямоугольных волноводов

Рассмотрим принцип действия волноводного Н-плоскостного Т-тройника. Все волноводы имеют одинаковые поперечные размеры и рассчитаны на одноволновый режим. Пусть в плече 1 распространяется волна H10, переносящая мощность Р Эта волна возбуждает поле в области разветвления волноводов и частично отражается обратно в плечо1. Примерная структура силовых линий возбуждаемого магнитного поля в области разветвления показана на рис.87. При этом, поскольку плечи 2 и 3 расположены симметрично относительно плеча 1, в них возбуждаются волны Н10, векторы Е которых имеют одинаковые амплитуды и фазы на одинаковом расстоянии от плоскости симметрии тройника. Для устранения отраженной волны в плече 1 в тройник параллельно вектору Е вводят индуктивный штырь. Штырь создает в плече 1 дополнительную отраженную волну, компенсирующую первую. Полную компенсацию обеспечивают, подбирая величины d и t.

В согласованном таким образом тройнике мощность P поровну делится между выходными плечами 2 и 3, т.е. Р2=Р3 = Р1/2. Имеет место и обратное явление: если в плечах 2 и 3 одновременно возбудить волны H10 с одинаковыми амплитудами и фазами векторов Е, то мощности, переносимые волнами, сложатся и поступят в плечо.

3. Фазовращатели

Фазовращатели - это устройства, служащие для изменения фазы электромагнитной волны, поступающей на их вход. На практике применяют проходные и отражательные фазовращатели. Проходной фазовращатель является двухплечным устройством. В идеальном случае электромагнитная волна должна проходить со входа на выход такого устройства без отражений и затухания, получая лишь фазовый сдвиг . В этом случае фазовращатель можно представить в виде эквивалентного четырехполюсника, матрица ||S|| которого определяется формулой при N=2, где = S11 = S22= 0; S12 = S21 = exp(-i). Отражательный фазовращатель является одноплечным устройством, которое в идеальном случае полностью отражает электромагнитную волну, поступающую на его вход. При этом фаза отраженной волны изменяется на по отношению к фазе падающей волны. Такой фазовращатель можно представить в виде эквивалентного двухполюсника, описываемого коэффициентом отражения на входе Г=exp(-i). Фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем, может быть или фиксированным или управляемым. В фазовращателях с регулируемым фазовым сдвигом величина может изменяться плавно (плавные или аналоговые фазовращатели) или скачкообразно (дискретные фазовращатели). Управление вносимым фазовым сдвигом обычно осуществляют или механическим, или электрическим путем. В механических фазовращателях изменение вносимого фазового сдвига происходит вследствие перемещения отдельных элементов конструкции, а в электрических - под воздействием подаваемых электрических сигналов.

Простейшим фазовращателем проходного типа является отрезок линии передачи длиной , проходя который электромагнитная волна получает фазовый сдвиг = 2/Для изменения можно или изменять длину отрезка , или изменять величину фазовой скорости волны в пределах отрезка, т. е. изменять электрическую длину отрезка /.

Перемещением подвижной части изменяется длина линии между входом и выходом устройства. Для устранения отражений проходящей волны скользящие контакты во внешнем и внутреннем проводниках разнесены, что позволяет обеспечить одинаковое волновое сопротивление ZB во всех сечениях линии независимо от положения подвижной части. Компенсация отражений в местах скачкообразного изменения диаметров внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии обеспечивается последовательным включением коротких отрезков коаксиальной линии с большей величиной волнового сопротивления, чем ZB. Эквивалентной схемой таких отрезков является последовательно включенная индуктивность, величина которой подбирается так, чтобы компенсировать влияние емкости в эквивалентной схеме стыка коаксиальных линий с разными размерами металлических проводников.

Изменение фазовой скорости волны, распространяющейся по отрезку линии, можно обеспечить с помощью изменения параметров среды, заполняющей этот отрезок. При этом можно изменять вносимый фазовый сдвиг, не изменяя длину отрезка линии. Пусть в прямоугольный волновод, по которому распространяется волна Н10, введена тонкая диэлектрическая пластина длиной параллельно боковым стенкам волновода. Для уменьшения отражений концы пластины заострены. В этом случае на участке волновода, содержащем пластину, структура электромагнитной волны несколько изменится, поскольку электромагнитное поле появится внутри пластины. При этом часть мощности будет переноситься внутри пластины, а часть - в окружающем ее воздухе. Из-за этого скорость распространения волны на участке волновода с пластиной V будет меньше, чем скорость распространения волны Vф0 в незаполненном волноводе. Анализ волн в прямоугольном волноводе, частично заполненном диэлектриком, показывает, что увеличивается с увеличением пластины и ее толщины. Конструкция плавного волноводного фазовращателя близка к конструкции поглощающего аттенюатора и отличается от нее только тем, что на диэлектрической пластине фазовращателя отсутствует поглощающий слой. Плавно изменяя расстояние от пластины до узкой стенки, удается плавно изменять вносимый фазовый сдвиг, причем наибольшая величина будет при размещении пластины в середине широкой стенки волновода.

Фазовращатели с электрическим управлением могут быть выполнены на коммутационных диодах СВЧ, на намагниченных ферритах или на сегнетоэлектрических элементах. Наибольшее распространение получили дискретные фазовращатели на коммутационных диодах. Использование полупроводниковых элементов и микрополосковой линии передачи позволяет выполнять конструкции фазовращателей на основе печатных плат или включать в состав интегральных схем СВЧ. В качестве коммутационных диодов обычно используют р-i-n-диоды. Структура такого диода является трехслойной: между хорошо проводящими полупроводниковыми слоями с дырочной (слой р) и электронной (слой п) проводимостями расположен достаточно широкий слой с низкой проводимостью, близкой к собственной проводимости полупроводника (слой i). Торцевые поверхности диода металлизируют и используют в качестве выводов. Если к диоду приложить постоянное напряжение, называемое смещением, так, что плюс источника смещения соединен с слоем р, а минус - со слоем п, то сопротивление слоя i, а значит, и всего диода резко уменьшится за счет поступления в этот слой электронов из слоя п и дырок из слоя р. Такое смещение называют прямым. При приложении к диоду обратного смещения (плюс источника смещения соединен со слоем п) сопротивление диода резко возрастает, поскольку все постоянное напряжение оказывается приложенным к слою i, где создается сильное электрическое поле, способствующее удалению свободных зарядов из этого слоя. Поэтому если к диоду одновременно приложить смещение и достаточно малое переменное напряжение высокочастотного сигнала, то для последнего диод будет вести себя по-разному в зависимости от полярности смещения: при прямом смещении диод обладает малым активным сопротивлением R (несколько Ом) и его можно представить в виде эквивалентной схемы, где Ls учитывает индуктивность выводов диода; при обратном смещении активное сопротивление диода R. достаточно велико (несколько кОм) и его можно представить в виде эквивалентной схемы, где С- учитывает общую емкость диода в этом состоянии (обычно величина С = 0,3...1 пФ).

На основе p-i-n диодов строятся схемы переключателей, устройств, имеющих одно входное плечо и несколько выходных. Прикладывая прямое или обратное смещение к p-i-n диодам, удается высокочастотный сигнал, подаваемый на вход переключателя, передать полностью в одно (любое) из выходных плеч.

4. Поляризационные устройства

Для увеличения объема передаваемой информации в спутниковых системах связи и вещания при передаче сигналов обычно используют электромагнитные поля с круговой поляризацией вектора Е, причем одновременно применяют как волны с левым вращением вектора Е, так и с правым. В этом случае общий тракт, по которому распространяются волны с обоими направлениями вращения вектора Е, строится, как правило, на круглом волноводе с волной Н11 и содержит ряд устройств для управления поляризацией этой волны. Одним из базовых элементов поляризационных устройств является поляризатор-устройство для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного вектора Е волны Н11 в круглом волноводе или для преобразования в круглом волноводе волны Н11 с линейной поляризацией вектора Е в волну Н11 у которой на оси волновода вектор Е имеет круговую поляризацию, и обратно. Конструкция поляризатора состоит из отрезка круглого волновода, в котором находится тонкая диэлектрическая пластина с согласующими скосами. Пусть по волноводу распространяется волна Н11 с линейной поляризацией вектора E1 направление которого на оси волновода совпадает с осью X, а нормаль к поверхности пластины составляет угол с осью Х. Представим распространяющуюся волну в виде двух волн Н11, у одной из которых вектор напряженности электрического поля Е1n на оси волновода перпендикулярен плоскости пластины, а у другой Е1t- параллелен ей. Эффективная диэлектрическая проницаемость в волноводе с диэлектрической пластиной зависит от поляризации вектора Е распространяющейся волны. Для волны Н11 с вектором Е в центре волновода, совпадающим с Е1n, значение 1, т.е. ее фазовая скорость равна скорости волны Н11 в волноводе с воздушным заполнением. Для волны Н11 с вектором Е в центре волновода, совпадающим с E1t значение >1, т.е. ее фазовая скорость будет меньше скорости волны Н11 в волноводе с воздушным заполнением. Следовательно, на выходе поляризатора фазы векторов Е1n и E1t будут отличаться на . При этом в общем случае вектор Е суммарной волны на выходе поляризатора (Е= Е1n + E1t) будет иметь эллиптическую поляризацию. Отметим, что величина зависит от диэлектрика и от толщины и длины пластины.

Пусть = /4 и = /4. Такое устройство называют /2-поляризатором. Если на его вход поступает волна Н11, вектор Е которой на оси волновода линейно поляризован и параллелен оси X или оси Y, то на выходе поляризатора будет волна Н11, вектор Е которой на оси волновода имеет левую или правую соответственно круговую поляризацию. Аналогично если на вход /2-поляризатора поступает волна Н11, вектор Е которой на оси волновода имеет левую или правую круговую поляризацию, то на выходе будет волна Н11, вектор Е которой на оси волновода будет параллелен оси X или оси Y соответственно.

Пусть = . Такое устройство называют -поляризатором. Если на вход -поляризатора поступает волна Н11, вектор E1 которой на оси волновода линейно поляризован и параллелен оси X, то на выходе поляризатора будет волна Н11, вектор Евых которой на оси волновода будет повернут относительно вектора E1 на угол 2 по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения волны.

Поворачивая диэлектрическую пластину вокруг оси волновода, т.е. изменяя угол от 0 до /2, можно поворачивать плоскость поляризации волны Н на выходе на угол от 0 до по отношению к плоскости поляризации волны на входе.

Существуют и иные конструкции поляризаторов, в которых вместо диэлектрической пластины используются металлические. Для разделения линейно поляризованных волн с ортогональными поляризациями используют поляризационные разделительные фильтры.

Размещено на Allbest.ru