Кольцевой и квадратный мосты

 

Кольцевой мост (рис.3.4 а) разделяет энергию, поступающую со стороны любого плеча на два потока: по ходу часовой стрелки и против с одинаковой амплитудой и фазой.

 

а

б

Рис.3.4 Схема мостов: а – кольцевой мост; б – квадратный мост.

 

Если к плечу 4 подключить источник колебаний, то в плечо 3 энергия не поступает, т.к. разность фаз для волн, распространяющихся по ходу часовой стрелки и против равна π вследствие разности путей λ/2. В плечи 1 и 2 волны приходят синфазно, и энергия делится поровну между этими плечами.

Таким образом, кольцевой мост обладает свойствами, аналогичными свойствам двойного волноводного моста и направленного 3-децибельного ответвителя.

Кольцевые мосты выполняются на основе волноводных, коаксиальных и полосковых линий. Наиболее часто такие мосты выполняются на полосковых линиях.

Недостатком кольцевых мостов является более узкая полоса рабочих частот по сравнению с направленным ответвителем.

Квадратный мост (рис.3.4 б) состоит из двух параллельных отрезков линий, связанных между собой двумя отрезками вспомогательных линий – шлейфами. Длина шлейфов и расстояние между ними равны λ/4 (или нечетному числу четвертей волн) в линии на средней частоте.

Два шлейфа, расположенные на расстоянии λ/4 друг от друга, обеспечивают эффект НО, аналогично рассмотренному ранее НО с двумя отверстиями. Если энергия поступает в плечо 1, то она делится между плечами 2 и 3, не поступая в плечо 4. Таким образом, квадратный мост относится к сонаправленным ответвителям.

Так как шлейфы включены параллельно, то при анализе квадратных мостов используют нормированные волновые проводимости.

У _ш = W / W_ш Y₁ = W / W₁

где W – волновое сопротивление плеч;

W_ш и W₁ – волновые сопротивления шлейфов и отрезка между шлейфами соответственно.

Переходное ослабление

С = 10 lg |Y₁ / Y _ш|²

Направленность в диапазоне частот:

D = 20 lg |sin [π/2((f_о/f) – 1)]|

f_о – средняя частота.

Для обеспечения равного деления мощности между выходными плечами 2 и 3 значение нормированных проводимостей шлейфов и отрезков между ними выбираются равными Y_ш = 1, Y₁ = √2.

Обеспечение слабой связи в шлейфных конструкциях сопряжено с конструктивными и технологическими трудностями выполнения весьма малого поперечного сечения шлейфов.

Улучшение частотных характеристик и уменьшение переходного ослабления может быть достигнуто увеличением числа шлейфов, т.е. построением n – шлейфного направленного ответвителя.

 

3.3 Волноводно-щелевой мост

 

Волноводно-щелевой мост представляет собой соединение из двух волноводов с общей узкой стенкой, часть, которой удалена. Он является своеобразным ответвителем, в котором интерферируют две волны разных типов.

На рис. 3.5 показаны два прямоугольных волновода, соединенных по узкой стенке, часть которой на участке l удалена, образуя щель. Размер поперечного сечения волноводов а х в таков, что во всех четырех плечах ответвителя может распространятся только волна типа Н₁₀. Пространство в области щели образует расширенный волновод, в котором возбуждаются волны различных типов, в том числе и волны Н₁₀ и Н₂₀. Эти две волны распространяются по расширенному волноводу, а остальные быстро затухают, образуя реактивные поля. Энергия колебаний СВЧ, поступающая в плечо 1 (плечи 2,3,4 нагружены на согласованные нагрузки) распределяется на участке со щелью поровну между волнами Н₁₀ и Н₂₀.

Так как волны Н₁₀ и Н₂₀ в плече 4 противофазны (в силу структуры этих типов волн) и имеют равные амплитуды, то результирующая волна в плече 4 отсутствует.

Рис.3 5 Волноводно-щелевой мост и типы волн и их интерференция в

Волноводно-щелевом мосте.

 

 

При распространении вдоль области связи волн типа Н₁₀ и Н₂₀ с различными фазовыми скоростями между волнами возникает сдвиг по фазе φ, равный

φ = β₁ ℓ – β₂ ℓ ,

где β₁ = 2π/ λ₁₀ – коэффициент фазы волны Н₁₀ в области связи;

β₂ = 2π /λ₂₀ – коэффициент фазы волны Н ₂₀ в области связи.

Амплитуды волн в плечах 2 и 3, а также переходное ослабление ответвителя, зависит от угла , который в свою очередь определяется длинной области связи ℓ. Чем больше длина области связи щели, тем меньше переходное ослабление.

Трехдецибельный волноводно-щелевой мост соответствует случаю равного энергораспределению между плечами 2 и 3, что соответствует величине переходного ослабления С=3дБ. При фиксированной длине щели l такое условие лишь при определенной длине волны, когда =/2, а в полосе частот переходное ослабление будет плавно изменяться. Небольшой емкостной штырь в центре области связи служит для выравнивания амплитуд волн и коррекции фазового сдвига синфазного и противофазного полей. Улучшение параметров достигается также путем некоторого сужения ширины области связи, что препятствует распространению волны типа Н₃₀.

Глава 4.Устройства , управляющие мощностью

 

Рассмотрим устройства управляемые внешним электрическим полем (постоянным или непостоянным): выключатели, переключатели, многоканальные коммутаторы, аттенюаторы, модуляторы. Они управляют величиной амплитуды колебаний, вследствии, отражения или поглощения СВЧ энергии и по этому принципу работы делятся на два типа: проходные или отражающие. К проходным устройствам относятся аттенюаторы, модуляторы, стабилизаторы; к отражающим - преимущественно переключатели, защитные выключатели или коммутаторы.

Аттенюаторы (ослабители) служат для регулировки уровня мощности в СВЧ трактах.

Основной областью применения аттенюаторов СВЧ является измерительная техника.

Степень уменьшения мощности аттенюаторов характеризуется величиной затухания, которая определяется отношением мощности на входе к мощности на выходе:

L=10 lg

Все аттенюаторы можно разделить на две принципиально различные группы- взаимные (обратимые) и невзаимные (необратимые) ослабители.

По принципу действия аттенюаторы подразделяются на поглощающие, предельные, вентильные (ферритовые).

В зависимости от типа тракта применяются волноводные, коаксиальные и полосковые аттенюаторы.

Наиболее широкое применение нашли переменные аттенюаторы низкого уровня мощности, служащие для регулировки уровня мощности на выходе измерительного генератора, а также для устранения влияния нагрузки на режим работы генератора.

Регулировка затухания может выполняться механически, путем перемещения определенного элемента аттенюатора или электрически- с помощью управляемых полупроводников, ферритовых или газовых элементов.

Запредельный волновод (волновод в режиме отсечки)

Критерием распространения поля по любому волноводу является неравенство:

^.

Обратимся к случаю, когда длина волны больше критической низкого типа, т.е. волны Н10 в прямоугольном волноводе или волны Н11 в круглом волноводе. При условии наступает режим отсечки и распространения волн не происходит, поэтому использовать запредельный волновод для целей обычной передачи нельзя.

Тем не менее волновод в режиме отсечки представляет значительный интерес.

Электрические и магнитные поля в запредельном волноводе изменяются по экспоненциальному закону и пульсируют во времени без сдвига фазы по оси.

Таким образом в запредельном волноводе поля изменяются по закону:

Ė=Е_me^-Z e ^jt;

 

=Н_m e^{- Z} e ^jt;

Постоянная затухания:

=²

При «;

Следовательно, если выбрать размеры сечения волновода достаточно малыми, чтобы при данной частоте обеспечить соотношение «, то затухание в волноводе определяется только величиной и не будет зависеть от частоты. Это свойство запредельного волновода.

Запредельные волноводы используются в конструкциях электровакуумных приборах СВЧ, в измерительных устройствах СВЧ трактов.

 

4.1Предельный аттенюатор

Предельный аттенюатор использует явление затухания электромагнитной энергии в запредельном волноводе. Амплитуда электромагнитных колебаний в этом случае изменяется по экспоненциальному закону.

U₁=U₀ е^-l;

где U₁ – амплитуда колебаний на расстоянии l от входа,

U₀ – амплитуда колебаний на входе,

-- постоянная затухания.

Рис.4.1 Предельный аттенюатор:

а – с возбуждающими дисками; б- с возбуждающими петлями.

 

 

Постоянная затухания:

=²

при »кр и следовательно зависит от размеров волновода и типа волны, распространяющейся по нему, и не зависит от частоты.

 

Рассмотрим конструкцию устройства предельного аттенюатора, изображенного на рис.4.1.

В отрезок круглого волновода с диаметром значительно меньше критического, для всего диапазона рабочих частот вводятся возбуждающие диски (а) или петли (б). В первом случае возбуждается волна типа Е₀₁ , во втором –волна типа Н₁₁.

Затухание предельного аттенюатора определяется выражением:

L=0,68 ℓ+L₀ .

Предельные аттенюаторы нашли широкое применение в тех случаях, когда требуется регулировка большие величины затухания, начиная с 10 –15 дБ.

 

4.2 Широкополосные аттенюаторы на pin – диодах

Pin - диод представляет собой трехслойную структуру типа p⁺ n n⁺ где p⁺ и n⁺ области выполняются из низкоомного полупроводника, а между этими областями находится слой высокоомного слаболегированнго полупроводника. Этот слой называют базой. Важнейшей особенностью pin диодов является то, что характеристики pin - диодов практически не зависят от уровня падающей мощности на диод. При изменении управляющего тока активное сопротивление высокоомной области pin диода изменяется на 10³ раз и более. Эти свойства pin диодов определили растущее их применение в микрополосковых устройствах управлениях СВЧ сигналом.

Электрически управляемые аттенюаторы на pin - диодах могут быть сконструированы практически для всего освоенного диапазона СВЧ—от метровых до субмиллиметровых волн.

Все аттенюаторы на pin диодах могут быть разбиты на две основные группы:

1. Аттенюаторы на распределенных pin структурах для диапазона волн .

2. Аттенюаторы на сосредоточенных элементах—pin—диодах для диапазона волн .

 

4.3 Аттенюаторы с распределенными pin структурами

 

Геометрические размеры pin структуры применяемые в коротковолновом участке СВЧ диапазона, обычно порядка (и более) длины волны, распространяющейся в среде.

Рис.4.2 Аттенюаторы с распределенными pin структурами, расположенными вдоль оси волновода (а), поперек оси (б).

Наиболее перспективной областью применения аттенюаторов с распределенными пластинами следует считать миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны т.к. размеры pin структуры примерно соответствуют размерам передающих трактов.

Для уменьшения рассогласования пластина сможет размещаться вдоль волновода. При этом низкоомные приконтактные области выводятся из области взаимодействия с СВЧ полем, если пластина вставляется в волновод через сравнительно тонкую не изолирующую щель (рис.4.2).

4.4 Аттенюаторы с сосредоточенными элементами (pin - диодами)

Существует несколько способов построения широкополосных электрически управляемых аттенюаторов на pin диодах.

Рассмотрим два типа аттенюаторов на диодах:

1. аттенюаторы обеспечивающие поглощение мощности только в диодах;

2. поглощающие СВЧ энергии как в самих диодах, так и отраженную энергию в нагрузке.

Рассмотрим первый тип аттенюаторов. Наиболее широкое распространение они получили в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн, выполненные по каскадной схеме.

P-i-n диоды в таком аттенюаторе располагаются на расстоянии порядка друг от друга, что дает возможность существенно увеличить максимальное ослабление при значительно меньшем росте начальных потерь устройства. Если сопротивление крайних диодов в рабочем режиме сделать больше сопротивления остальных диодов, то можно выполнить широкополосный аттенюатор.

 

 

Рис.4.3 Электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы аттенюатора:

1 – pin диод; 2 – проходной конденсатор; 3 – разделительный конденсатор; 4 – нагрузочное сопротивление; 5 – высокочастотный дросель;

6,7 – фильтр НЧ.

На рисунке 4.4 показана принципиальная схема аттенюатора второго типа, в которых СВЧ мощность поглощается в самих диодах, так и отраженную энергию в нагрузке. Проанализируем схему аттенюатора. Первый мост делит входной сигнал поровну между диодами. Отраженный от них сигнал (во время подачи на них прямого смещения) приходит ко входному плечу в противофазе (этим обеспечивается низкий КСВ) и в одинаковой фазе к плечу с согласованной 50-омной нагрузкой R₁, где и поглощается. Поэтому в первом мосте особенно важно иметь малый дисбаланс и, конечно, доступную идентичность диодов. На втором мосте прошедшая мощность складывается. Требования выполнения второго моста менее критичны, и влияет он в основном на начальные потери.

 

Рис.4.4 Электрическая (а) и топологическая (б) схемы аттенюаторов:

R2, R4 – ограничительные сопротивления в цепи питания диода; L - четвертьволновые шлефы; C – разделительные конденсаторы; V – диоды.