[T] (см. разд. 2) L=10lgt112 дБ. Этот же метод применим и при анализе ступенчатой структуры фильтра (рис.4.3), состоящего из n отрезков передающей линии (ступенек), имеющих различную длину и различные волновые сопротивления. Матрица передачи фильтра определяется как произведение матриц передачи отрезков линий и матриц передачи скачков волновых сопротивлений.
Матрица передачи, обусловленная скачком волнового сопротивления
R+1
[Tск]= 2
R
R−1
2
R
R−1 2
R , R+1 2
R
где R=W2/W1 – отношение волновых сопротивлений соединяемых линий.
Аналогичные методы успешно применимы и при анализе других типов фильтров СВЧ. Синтез фильтров СВЧ (определение геометрических размеров устройства по его заданным
свойствам: АХЧ, ФЧХ, технологическая реализуемость, габариты, масса и др.) более наглядно и удобно вести с помощью фильтров-прототипов на сосредоточенных параметрах.
Различают три класса синтеза:
•классический синтез, использующий аналитический аппарат математики в сочетании с ЭВМ; машина служит лишь для уменьшения трудоемкости вычислений. Этот тип синтеза удобен для обзора проблем в целом.
•диалоговый синтез, основанный на целенаправленном отборе вариантов анализа, выполняемого на ЭВМ. Оценивает варианты человек. Модификация этого метода (так называемый дисплей) содержит визуальную оценку вариантов; это убыстряет процесс диалога человек-машина;
•машинный синтез (численная оптимизация) – представляет собой целенаправленный перебор вариантов анализа; как анализ, так и оценку близости варианта к оптимальности проводит ЭВМ по критериям, заданным в ее программе.
Таким образом, анализ является вспомогательным этапом синтеза. Анализ проводится на моделях. Моделью называется простая структура (схема замещения), воспроизводящая частотные характеристики исследуемого устройства. Модель реализует компромисс между точностью исследования и его обозримостью.
В основе моделирования фильтров СВЧ лежит общность основных физических закономерностей в линейных системах различных типов. Эти закономерности сводятся, по сути, к трем явлениям: отражению, поглощению и прохождению энергии в виде волнового процесса; других причин возникновения частотной селекции в линейных системах нет.
5. УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СВЧ
5.1. Классификация управляющих устройств СВЧ
Управляющие устройства предназначены для регулирования амплитуд и фаз СВЧ-сигналов или для изменения путей их прохождения в трактах.
Управляющие устройства бывают механические, в которых изменения параметров происходят вследствие перемещений отдельных частей, и электрические, в которых параметры тракта под действием электрических сигналов управления изменяются без каких-либо перемещений.
Электрически управляемые устройства СВЧ могут быть выполнены: на коммутационных диодах СВЧ, на подмагниченных ферритах, на газовых разрядниках, на сегнетоэлектрических элементах.
В зависимости от выполняемых функций можно выделить следующие управляющие устройства СВЧ.
Выключатели – четырехполюсные приборы, обеспечивающие либо согласованную передачу сигнала со входа на выход (открытое состояние), либо отсутствие передачи сигнала (режим запирания). Режим запирания может быть реализован либо путем полного отражения сигнала, либо за счет его поглощения.
Коммутаторы – многополюсные устройства, имеющие один или несколько входов и ряд выходов. Сигналы, поданные на входы, поступают по одному или нескольким изменяемым каналам на выходы с минимальными потерями и при выполнении условий согласования.
Отражательные фазовращатели – двухполюсники с коэффициентом отражений Г= Гeiϕ , фазу коэффициента отражения ϕ которых можно изменять плавно или ступеньками, а модуль коэф-
30
фициента отражения Г близок к единице. В идеале отражательный фазовращатель представляет
собой переменное реактивное сопротивление и может быть реализован в виде короткозамкнутого или разомкнутого шлейфа переменной длины.
Проходные фазовращатели – согласованные четырехполюсники, в идеале реактивные, обладающие переменной фазой коэффициента передачи. Проходные фазовращатели бывают плавными (с непрерывным изменением фазы) и ступенчатыми, в которых фаза принимает ряд фиксирован-
ных значений, различающихся на постоянную величину ∆ϕ – дискрет фазы.
Аттенюаторы – четырехполюсники, обеспечивающие плавное или дискретное изменение вносимого ослабления от минимального значения Lmin до максимального значения L.
Ограничители мощности – саморегулирующиеся согласованные четырехполюсники, пропускающие слабые сигналы почти без ослабления и резко ограничивающие интенсивность сигналов, мощность которых превышает заданный пороговый уровень.
5.2.Механические коммутаторы, фазовращатели
иаттенюаторы
Принцип действия простейших выключателей СВЧ основан на создании короткого замыкания или размыкания проводников в отрезке линии передачи. Короткозамыкатель может быть подключен к линии передачи также через четвертьволновый шлейф. Подобный выключатель пропускает сигнал при разомкнутом шлейфе. Электромеханические выключатели на дециметровых и более длинных волнах создают с применением специальных высокочастотных реле и герконов.
Геркон – герметизированный магнитоуправляемый контакт (рис. 5.1) представляет собой два плоских контактных лепестка из магнитомягкого сплава, впаянных в концы заполненной инертным газом трубки (диаметр трубки 2...3 мм, длина 10...20 мм). Свободные концы лепестков расположены один над другим с небольшим зазором. Под действием постоянного управляющего маг-
нитного поля H0 контакты намагничиваются, притягиваются друг к другу и замыкают цепь. При
выключении магнитного поля контакты геркона размыкаются под действием сил упругости. Управляющее магнитное поле может быть создано соленоидом, размещенным вокруг геркона, перемещающимися постоянными магнитами или электромагнитами.
В справочной литературе электромагнитные герконовые высокочастотные реле обозначают, например, РЭВ-18, магнитные контакты, например, МК-10-ЗВ. Максимальная частота переключений составляет сотни герц.
Мощность коммутируемых непрерывных СВЧ-сигналов пока не превышает десятков ватт, а их максимальная частота – сотен мегагерц.
На сантиметровых волнах часто применяют механические волноводные выключатели и переключатели. В простейшем переключателе (рис. 5.2, а) волноводы соединяются с помощью волноводного канала в поворотном металлическом роторе. Для надежного электрического контакта на боковой поверхности ротора устроены дроссельные канавки (типа обычного дроссельного фланца). При повороте ротора на 90° волноводы закорачиваются поверхностью ротора, а дроссельные канавки препятствуют просачиванию сигнала по зазору между ротором и корпусом. В более сложных переключателях (рис.5.2, б) ротор имеет три волноводных канала, допускающих четыре типа присоединения между четырьмя входами.
2
Н0 |
б) |
|
|
|
|
|
Н0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а)
1 
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.1 |
Рис.5.2 |
4 |
|
|
|
||
|
|
|
|
H |
|||
Рис. 5.1 |
Рис. 5.2 |
|
|
|
|
||
В механических фазовращателях проходного типа электрическую длину отрезков линии передачи можно изменять варьированием геометрической длины или коэффициента фазы.
31
Волноводные фазовращатели с изменением коэффициента фазы волны Н10 прямоугольного волновода показаны на рис.5.3. В конструкции, представленной на рис.5.3, а, диэлектрическую пластину погружают параллельно силовым линиям поля Е в прямоугольный волновод через неизлучающую продольную щель в середине широкой стенки, что приводит к замедлению волны и увеличению запаздывания на выходе фазовращателя. Скосы на краях диэлектрической пластины играют роль плавных переходов, обеспечивающих согласование фазовращателя. Подбором скосов можно изменять вид зависимости вносимого фазового сдвига от глубины погружения пластины. В конструкции на рис.5.3, б диэлектрическая пластина перемещается от края к центру волновода диэлектрическим держателем, пропущенным через отверстие в боковой стенке волновода. При прохождении пластины в область бóльшей концентрации поля Е увеличивается замедление волны в волноводе и растет запаздывание, вносимое фазовращателем. Края пластины скошены для уменьшения отражений. Конструкция волновода на рис.5.3, в выполнена из упругого металла и в середине широких стенок прорезаны неизлучающие продольные щели. Под действием внешнего усилия F, приложенного к боковым стенкам волновода, его ширина a изменяется, что приводит к изменению критической длины волны λкр=2а и фазовой скорости волны Н10 (сжатие волновода уменьшает запаздывание фазы).
а)
б)
в)
F |
F |
|
|
|
a |
F |
F |
|
Рис. 5.3
На практике для изменения фазы в волноводных и коаксиальных трактах широко применяются механические фазовращатели с раздвижной линией: с прямой линией (рис.5.4, а); с U -образным коленом (рис. 5.4, б); коаксиальный тромбонный фазовращатель (рис. 5.5).
В качестве измерительного плавного фазовращателя чаще других применяют поляризационный фазовращатель с волной Н11 в круглом волноводе (рис. 5.6), состоящий из трех волноводных секций. Первая секция преобразует линейно-поляризованное поле волны Н10 в прямоугольном волноводе в волну типа Н11 в круглом волноводе с вращающейся поляризацией поля. Это достигается введением в переходную секцию диэлектрической пластины так, чтобы фазовый сдвиг между ор-
тогональными составляющими электрического поля на выходе секции равнялся 90°. Средняя секция фазовращателя – это отрезок цилиндрического волновода, внутри которого находится диэлектрическая пластина, которая может вращаться относительно главной оси волновода. Максимальный фазовый сдвиг, вносимый диэлектрической пластиной, изменяется от 0° до 180°.
32
а)
б)
Рис. 5.4 Рис. 5.4
|
y |
45 |
φ=90 |
|
|
||
Eвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
H11 |
|
Вход |
|
|
Выход |
1 |
|
|
2 |
l |
|
|
l |
|
|
|
|
l |
|
|
l |
Рис. 5.5 |
Рис. 5.5 |
||
|
|
|
|
y |
45 |
φ=90 |
Eвых |
|
|||
|
|
||
y |
|
|
|
xψφ=180 |
|
|
|
|
x |
H11 |
|
Рис. 5.6
Третья секция конструктивно подобна первой и служит для обратного преобразования волны с круговой поляризацией в волну Н10 с линейной поляризацией. Управление фазовым сдвигом осуществляется путем поворота диэлектрической пластины в цилиндрическом волноводе. При вра-
щении этой пластины на угол θ вектор напряженности поля приобретает фазовый сдвиг, равный
2θ.
Для создания переменных аттенюаторов с большим ослаблением до 100 дБ и более обычно используют явление экспоненциального ослабления типов волн в запредельных волноводах. Коаксиальные аттенюаторы (рис. 5.7) выполнены в виде отрезков круглого волновода переменной длины
ималого диаметра, в котором волны всех типов не распространяются.
Ваттенюаторе на рис.5.7, а в запредельном круглом волноводе возбуждается волна типа Е01 с помощью емкостного зонда, а в аттенюаторе на рис. 5.7, б – волна типа Н11 с помощью петли связи. Ослабленные колебания этих волн принимаются на другом конце круглого волновода емкостным зондом или петлей связи, соединенными с коаксиальными волноводами. Ослабление аттенюаторов на запредельных волноводах, измеряемое в децибелах, прямо пропорционально длине отрезка запредельного волновода и поэтому может быть изменено в широких пределах. Аттенюаторы, реализованные по схемам рис. 5.7, а, б, не согласованны.
а) |
|
в) |
|
|
|
|
E01 |
R1 |
|
R2 |
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
H11 |
H11 |
|
|
Рис. 5.7
33