Устройства СВЧ (стр. 2 из 4)
2.1 Поршни
Возможные конструктивные решения подвижных короткозамыкающих поршней для прямоугольных волноводов показаны на рис. 3 для продольных сечений, параллельных узкой стенке волновода. В первой конструкции (рис. 3, а) разрезные пружинные контакты А вынесены от закорачивающей стенки В внутрь волновода на расстояние lв/4. Поэтому контакты оказываются в сечении волновода с нулевыми значениями продольного тока на стенках волновода, и неидеальность контактов не приводит к потерям мощности.
Рис. 3 Волноводные короткозамыкающие поршни:
1 — волновод; 2 — поршень; 3 — тяга
Во второй конструкции поршня (рис. 3,б) механические контакты А включены в волновод через два трансформирующих отрезка линии передачи с низкими значениями нормированного волнового сопротивления ZВ1 и ZВ2. Предполагая, что активное сопротивление контактов в точке А равно rа, и применяя дважды формулу пересчета сопротивления через четвертьволновый трансформатор, находим входное сопротивление в точках В: rB= =rA(ZВ1/ZВ2)2. При выборе ZВ1<<ZВ2 удается существенно уменьшить эквивалентное сопротивление контакта rA и увеличить КСВ поршня.
В третьей конструкции поршня (рис. 3, в) точки механического контакта помещены в середину свернутого короткозамкнутого полуволнового отрезка линии передачи, состоящего из двух каскадно включенных четвертьволновых отрезков с волновыми сопротивлениями ZВ1 и ZВ2. К активному сопротивлению контакта rA добавляется бесконечное реактивное сопротивление короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа с волновым сопротивлением ZВ2, и сумма сопротивлений контакта и шлейфа трансформируется четвертьволновым отрезком с волновым сопротивлением ZВ1 в практически нулевое сопротивление в точке В (т. е. в точке В создается виртуальное короткое замыкание для токов СВЧ).
Рассмотренные принципы выполнения волноводных поршня непосредственно применимы и в коаксиальных поршнях для диапазона коротких сантиметровых волн. На дециметровых и более длинных волнах применяются коаксиальные поршни с обычными пружинными контактами в точках короткого замыкания линии передачи, так как четвертьволновые трансформирующие отрезки оказываются слишком громоздкими.
Диафрагмами называют тонкие металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода. В прямоугольном волноводе наиболее употребительны симметричная индуктивная, симметричная емкостная и резонансная диафрагмы, показанные на рис. 4.
Рис. 4 Диафрагмы в прямоугольном волноводе
В индуктивной диафрагме (рис. 4,а) поперечные токи на широких стенках волновода частично замыкаются через пластины, соединяющие эти стенки. В магнитном поле токов, текущих по пластинкам диафрагмы, запасается магнитная энергия. Схема замещения индуктивной диафрагмы представляет собой индуктивность, включенную параллельно в линию передачи. Нормированную реактивную проводимость индуктивной диафрагмы bL определяют по приближенной формуле
(2.2.1)где
— длина волны в волноводе; а – размер широкой стенки волновода; dL — ширина зазора диафрагмы.Емкостная диафрагма (рис. 4, б) уменьшает зазор между широкими стенками волновода, между кромками диафрагмы концентрируется поле Е и создается некоторый запас электрической энергия. Поэтому схемой замещения емкостной диафрагмы является емкость, включенная параллельно в линию передачи. Нормированная реактивная проводимость емкостной диафрагмы bс определяется по приближенной формуле
(2.2.2.)где b — размер узкой стенки волновода; dc — ширина зазора диафрагмы. Емкостная диафрагма сильно снижает электрическую прочность волновода.
Резонансная диафрагма (резонансное окно) - металлическая пластинка с отверстием прямоугольной или овальной формы (рис. 4, в), содержащая в себе элементы индуктивной и емкостной диафрагм. Размеры отверстия резонансной диафрагмы могут быть выбраны так, чтобы на заданной резонансной частоте диафрагма не оказывала влияния на распространение волны H10 в волноводе, т. е. имела нулевую проводимость. Схема замещения резонансной диафрагмы имеет вид параллельного резонансного контура, включенного в линию передачи параллельно. Приближенно резонансную частоту резонансной диафрагмы определяют из условия равенства волновых сопротивлений линии передачи, эквивалентной волноводу, и отверстия диафрагмы на основании формулы (2.2.3):
(2.2.3)
(2.2.4)Можно убедиться, что выбранной резонансной длине волны l0 в формуле (2.2.4) соответствует множество диафрагм с отверстиями различных размеров, начиная с узкой щели длиной l0/2 и кончая полным поперечным сечением волновода. Эти резонансные диафрагмы обладают разной внешней добротностью, т. е. добротностью эквивалентного колебательного LC-контура
с учетом влияния согласованной с двух концов линии передачи, в которую включен этот контур. Индуктивный штырь, показанный вместе со схемой замещения на рис.5, а, представляет собой проводник круглого сечения, установленный в поперечном сечении прямоугольного волновода по направлению силовых линий поля Е, и соединенный с двух концов с широкими стенками волновода.
Рис. 5 Индуктивный штырь в прямоугольном волноводе
Схема замещения индуктивного штыря содержит параллельно включенную индуктивность и два последовательных емкостных сопротивления, учитывающих конечную толщину штыря. Номиналы элементов определяются по формулам и графикам, имеющимся в справочной литературе. Индуктивные штыри не снижают электрической прочности волновода и просты в изготовлении. Когда необходимы низкие значения параллельного сопротивления ха, применяют решетки из нескольких индуктивных штырей, располагаемых в поперечном сечении волновода, как показано на рис. 5, б.
Емкостный штырь (рис. 6) представляет собой круглый проводник, установленный по направлению силовых линий поля Е и соединенный одним концом с широкой стенкой волновода. Схема замещения емкостного штыря содержит последовательный LC-контур, включенный параллельно в линию передачи. Емкость этого контура связана с концентрацией поля E в области разомкнутого конца штыря, а индуктивность обусловлена прохождением токов по штырю. При некоторой длине штыря, близкой к l0/4, проводимость последовательного контура обращается в бесконечность, и волновод закорачивается.
Рис. 6 Емкостной штырь в прямоугольном волноводе
Более короткие штыри имеют емкостную проводимость: при длинах штыря, больших резонансной, проводимость носит индуктивный характер. Последовательные емкостные сопротивления в схеме замещения учитывают конечность толщины штыря. При малых диаметрах штыря эти сопротивления малы, и их влиянием можно пренебречь. Емкостные штыри в основном применяют в качестве регулируемых реактивных элементов, вводимых внутрь волновода с помощью резьбовых отверстий на широкой стенке. Однако емкостные штыри заметно снижают электропрочность волноводов, и поэтому в мощных трактах они не находят применения.
3 РАЗЪЕМЫ И СОЧЛЕНЕНИЯ В ТРАКТАХ СВЧ
Для осуществления сборки и разборки трактов отдельные узлы и устройства СВЧ оснащают специальными разъемами, которые должны обеспечивать надежный электрический контакт в местах соединения проводников между собой. Основные требования к разъемам состоят в сохранении согласования и электрической прочности тракта при минимальном ослаблении мощности и отсутствии: паразитного излучения.
В высококачественных соединителях для гибких коаксиальных кабелей контакты обеспечивают с помощью пружинных цанг и штекеров (рис. 7, а), удерживаемых в соединении посредством внешних резьбовых соединений или иных фиксирующих приспособлений. Соотношение диаметров проводников на любом участке внутри коаксиальных высокочастотных соединителей подбирают таким образом, чтобы с учетом параметров диэлектрика обеспечивалось постоянство волнового сопротивления линии. Согласование в высокочастотных коаксиальных соединителях в сильной степени зависит от заделки кабеля и при аккуратном выполнении характеризуется среднеквадратическим значением КСВ порядка 1,05—1,15.