97

6. Четырехполюсники

Самые разнообразные СВЧ устройства можно рассматривать как четырехполюсники (англ. – two-port network). Это, прежде всего, отрезки линий передачи, разъемы, переходы между линиями разных типов, фильтры типов волн, отражающие неоднородности, согласующие трансформаторы, аттенюаторы, фазовращатели, частотные фильтры и т.п.

6.1. Разъемы и соединения

Соединение отдельных отрезков линии передачи (секций) или элементов тракта обычно выполняют с помощью специальных разъемов (англ. – connector). Практически всегда разъемы предназначены для соединения линий с одинаковым волновым сопротивлением. Конструкции разъемов, как правило, стандартизированы.

Для неподвижного соединения волноводов применяются специальные фланцы: контактные (плоские) и так называемые дроссельные.

Контактный фланец (англ. – flange, cover-to-cover connection) – это ме-

таллическая пластина с отверстиями, которую припаивают к конечной части волновода (рис.6.1,а). Фланцы соединяют с помощью болтов или струбцинок. Они могут иметь направляющие элементы (штифты), которые повышают точность соединения. В месте прилегания фланцев должен обеспечиваться хороший электрический контакт, иначе будет нарушена нормальная работа волновода на типах волн, которые возбуждают продольные составляющие тока в стенках. При этом возникают отражение волны в месте образованной нерегулярности, а также излучение электромагнитной энергии в окружающее пространство. Поэтому к качеству обработки контактной поверхности фланцев и ее чистоты предъявляются строгие требования. Основным достоинством контактных фланцев является независимость их работы от длины волны.

K

Λ/4

а

Λ/4

б

Рис.6.1. Фланцевые соединения: а – контактное; б – дроссельное

Дроссельно-фланцевое соединение (англ. – cover-to-choke connection) со-

стоит из двух фланцев, один из которых обычный – контактный. Другой фланец

98

имеет кольцевую выточку вдоль оси волновода, как это показано на рис.6.1,б. Эта выточка образует короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии с волной Н11 длиной Λ / 4, где Λ соответствует центральной частоте рабочего диапазона. Таким образом, электрический контакт K находится в узле стоячей волны тока, Внутренняя область дроссельного фланца не имеет электрического контакта с плоским фланцем. Так образуется отрезок радиальной линии длиной Λ / 4. В результате последовательного соединения двух четвертьволновых отрезков линий образуется полуволновый отрезок, который трансформирует короткое замыкание на внутренний периметр волновода.

Дроссельные фланцы некритичны к качеству механического контакта и небольших перекосов соединения, не снижают электрической прочности тракта. Однако существенным недостатком дроссельно-фланцевого соединения является их относительная частотная узкополосность. Такие соединения удовлетворительно работают в полосе около 15% от центральной частоты рабочего диапазона, хотя рабочая полоса частот тщательно отработанных соединений может практические достигать рабочего диапазона прямоугольного волновода.

Для круглых волноводов также могут использоваться как контактные, так и дроссельные фланцы.

Соединения коаксиальных линий выполняют с помощью штепсельных разъемов, части которых по аналогии называют вилка – розетка. Наиболее распространены так называемые полярные разъемы, у которых с одного конца центральный проводник заканчивается штырем (англ. – male), а с другого – гнездом (англ. – female). Конструктивно гнездо выполняют в виде цанги из пружинящего материала для обеспечения надежного гальванического контакта при соединении со штырем. Цанги имеют прорези, параллельные продольной оси линии, то есть они параллельны линиям высокочастотного тока. Разъем типа гнезда выполняется на приборах, поэтому его иногда называют приборным.

Для коаксиальных линий, которые работают с высокими уровнями мощности, применяют дроссельные соединения, принцип работы которых аналогичен принципу работы волноводных дроссельных соединений.

Особый интерес представляют подвижные соединения. К ним относятся гибкие волноводы и вращающиеся сочленения.

			Для построения трактов сложной формы
			применяются гибкие волноводы. Преимуще-
	Н10 l		ственно применяются гофрированные (англ. –
			corrugated) и сетчатые волноводы прямоуголь-
	Е01		ного или эллиптического сечения.
		Н10	Вращающиеся сочленения (англ. – rotary
	Е
			joint) должны обеспечивать поворот одной части
			тракта относительно другой без	нарушения
	Рис.6.2. Вращающееся
			электрического контакта и качества согласова-
	соединение
			ния. Волноводное вращающееся	соединение

схематически изображено на рис.6.2. Здесь волна Н10, которая распространяется в прямоугольном волноводе, трансформируется в осесимметричную волну Е01 в

99

круглом волноводе. Два отрезка круглых волноводов соединяются между собой с помощью дроссельной муфты, поэтому качество контакта мало влияет на работу устройства. В круглом волноводе возможно использование также волны типа Н11 с круговой поляризацией поля. По рассмотренному принципу конструируют и коаксиальные соединения с Т-волной. Для низких уровней мощности применяют также бездроссельные вращающиеся сочленения с трущимися контактами.

Контрольные вопросы

1.Какова конструкция дроссельных фланцев, и какие физические принципы положены в основу их работы?

2.Какие требования выдвигают при изготовлении контактных фланцев?

3.На каком типе волны работает вращающееся соединение волноводов?

4.Какова конструкция полярного коаксиального разъема, что такое цанга?

6.2. Переходы между линиями разных типов

Одними из распространенных типов четырехполюсников являются переходы между линиями разных типов, которые еще называют преобразователями или трансформаторами типов волн. Их назначение: уменьшить отражение от соединения линий разных типов за счет ограничения образования нерабочих типов волн.

	Т			Т
	х	h	l
		Н10		Н10
a	l		~λ/4
	a)	Т	б
			Н10
	a	Индуктивная
				г
	в	диафрагма

Рис.6.3. Коаксиально-волноводные переходы:

а– зондовый; б – с последовательным шлейфом;

в– с поперечным стержнем; г – обозначение в схемах

Возбуждение прямоугольного волновода от коаксиальной линии с Т-

волной выполняют с помощью коаксиально-волноводного перехода – КВП

(англ. – waveguide-to-coaxial adapter). Наиболее распространенными конструкциями КВП являются зондовый и переход с поперечным стержнем. В зондовом переходе (рис.6.3,а) возбуждающий зонд вводят через широкую стенку волно-

100

вода перпендикулярно к ней. Зонд является продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии. Согласование достигается регулированием длины зонда h и расстояний l и x . Увеличение диаметра зонда позволяет расширить полосу удовлетворительного согласования. Рассмотренный зондовый переход

				обеспечивает				КСВ,
		Н11	Е01	меньший 1,05				в полосе
				15–20%. Основным не-
		Н10	b	достатком			такого КВП
			ΛН11/4 ΛЕ01/2	является			снижение
				электрической				прочно-
				сти из-за концентрации
	Н10	a	б	электрического				поля
				возле конца зонда. Ука-
				занного		недостатка ли-
				шен	зондовый			КВП с
			квази-Т	последовательным
				шлейфом			(рис.6.3,б).
			Н10	Однако		рабочая полоса
	в		г	частот такого				перехода
				не превышает 7%.
	Рис.6.4. Переходы между линиями разных типов:
					Лучшие			характе-
		а,б – между прямоугольным и круглым;
				ристики		по согласова-
		в – коаксиально-микрополосковый;
				нию	и	электрической
		г – волноводно-полосковый
				прочности			имеет пере-

ход с поперечным стержнем (рис.6.3,в), дополненный индуктивной диафрагмой. В такой конструкции относительная полоса частот согласования достигает около 15%.

Возбуждение волны основного типа Н11 в круглом волноводе возможно с помощью плавного перехода от прямоугольного волновода с волной Н10, как это показано на рис.6.4,а.

На рис.6.4,б изображен один из способов возбуждения осесимметричной волны Е01 в круглом волноводе от прямоугольного волновода с волной Н10. Здесь прямоугольный волновод соединяется с круглым через поперечную щель. Круглый волновод закорачивается с одной стороны на расстоянии ΛE01 / 2 . Для

подавления паразитной волны Н11, которая также возбуждается щелью, в короткозамкнутом отрезке круглого волновода размещено тонкое металлическое кольцо. Кольцо расположено на расстоянии ΛH11 / 4 от центра щели. Оно дей-

ствует на волну Н11 как короткозамыкатель. На волну Е01 кольцо практически не влияет, поскольку силовые линии электрического поля этой волны перпендикулярны проводнику кольца. Такие трансформаторы применяются, в частности, во вращающихся соединениях (рис.6.2).

						101
	Устройство для возбуждения полосковой линии с помощью коаксиаль-
	ной линии показано на рис.6.4,в. Скосы на концах полоскового проводника
	обеспечивают улучшение согласования.
	Соединение полосковой линии с прямоугольным волноводом осуществ-
	ляется через плавный или ступенчатый переход на П-образном волноводе.									При
	этом предотвращают паразитное излучение из открытого конца волновода. На
	рис.6.4,г	изображена конструкция плавного волноводно-полоскового перехода.
	В случаях, когда необходимо возбудить волну неосновного типа, для по-
	давления волн других типов, способных распространяться в волноводе, исполь-
	зуют специальные фильтры – так называемые фильтры типов волн. Фильтры
	типов волн (англ. – mode filter) бывают поглощающего и отражательного типов.
	Поглощающие (англ. – dissipative) фильтры представляют собой покры-
	тые слоем поглощающего материала тонкие диэлектрические пластины, распо-
	ложенные ортогонально силовым линиям электрического поля волне рабочего
	типа. При этом рабочий тип волны не возбуждает в поглощающем материале
					токов проводимости и не ослабляется филь-
	H10	H01	E01		тром. На рис.6.5 изображены фильтры для
					поглощения волны Н10 в прямоугольном
					волноводе (а), волны Н01 (б) и волны Е01 (в)
	a				в круглом волноводе.
							Отражающие		(англ. – reflecting)
		б	в
					фильтры типов волн содержат в плоскости
	Рис.6.5. Фильтры типов волн:				поперечного сечения тонкие металлические
	а – Н10 прямоугольного волновода;				проводники, параллельные силовым линиям
	б – Н01 круглого волновода;				электрического			поля,	которое желательно
	в – Е01 круглого волновода				отразить. Волны рабочего типа не возбуж-
	дают в проводниках токи и проходят через решетку практически без отражения.
	Волны нежелательного типа, в которых векторы электрического поля направ-
	лены вдоль проводников, возбуждают в них токи и отражаются решеткой. Так
	решетка из кольцевых проводников в круглом волноводе								(рис.6.5,б) пропуска-
	ет волну Е01 и сильно отражает волну Н01, а решетка из радиальных проводни-
	ков (рис.6.5,в) пропускает волну Н01					и наиболее интенсивно отражает волну Е01.
							На рис.6.6,а изображен поляри-
			Е	2			зационный (англ. – polarization)
	H01						фильтр, который пропускает в квад-
			ІІ	Λ/2			ратном волноводе волну Н10 и отра-
							жает волну Н01. В частности, филь-
		1	І			3	тры этого типа широко применяются
							для объединения или разделения ка-
		Е
	а						налов передачи и приема с ортого-
			б
							нальными	поляризациями.		На
	Рис.6.6. Поляризационный фильтр						рис.6.6,б	схематически изображен
	типов волн: а – на прямоугольном вол-
							поляризационный фильтр, который
	новоде; б – на Т-подобном соединении
							состоит из Т-образного соединения