Воробьев Теория электромагн поля и СВЧ (Кривець)

221

Достигнуть синфазного возбуждения антенны можно двумя способами: выбором расстояния между соседними щелями, равным Λ (см. рис. 4.28), либо выбором расстояния, равным Λ/2. При этом дополнительный сдвиг фаз на π можно реализовать за счёт неидентичного расположения щелей. Синфазные антенны обычно работают в режиме стоячей волны, для обеспечения которого в конце антенны устанавливают короткозамыкающий поршень. Расстояние между поршнем и последней щелью должно быть таким, чтобы щели находились в пучности стоячей волны в волноводе. Синфазные многощелевые антенны являются резонансными (узкополосными).

ΛΛ/2

a

2l~Λ/2

Рисунок 4.28 - Резонансная волноводно-щелевая антенна

Лучшими диапазонными свойствами обладают нерезонансные антенны, в которых щели расположены на расстояниях несколько больше или меньше Λ. В связи с тем, что в волноводе имеет место бегущая волна, к нему подключают нагрузку (поглотитель) для устранения отражения от короткозамкнутого конца антенны. Волноводно-щелевые антенны применяются в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн.

В качестве примера приведём параметры волноводнощелевой антенны, использующей волновод сечения

222

7.2 мм × 3.4 мм и работающей на частоте 36 ГГц: длина – 2.6 м, 432 наклонные щели, полоса пропускания 12%, ширина главного лепестка 14°.

5 Рупорные антенны. Открытый конец волновода можно рассматривать как простейшую антенну СВЧ, но такие излучатели являются слабонаправленными. Кроме того, открытый конец волновода отражает заметную часть СВЧ-энергии, не излучая её в свободное пространство. Расширение волновода, образующее рупор, улучшает направленность и уменьшает отражение. Коэффициент отражения используемых рупоров близок к нулю.

Если волновод расширен по одной из сторон, образуется секторный E - или H -рупор (рис. 4.29). Рупор, расширенный по обеим плоскостям, называется

пирамидальным.

Секторный рупор образует веерообразную диаграмму направленности. Рупор, расходящийся в магнитной плоскости ( H -рупор), имеет меньше побочного излучения, чем рупор, расходящийся в электрической плоскости ( E - рупор), и поэтому предпочтительнее.

	E	bm
		H
l		am
а		б

Рисунок 4.29 - Рупорные антенны:

а- секторный E -рупор;

б- секторный H -рупор

223

Если необходимо получить максимальный КНД от

рупора данной длины l , то используют пирамидальные рупоры. В случае пирамидального рупора КНД

пропорционален КНД двух секторных рупоров

соответствующих раскрывов. Коэффициент направленного действия оптимальных E - и H -рупоров можно рассчитать по формуле

КНДE = КНДH = 4π0,64S / λ0 ,

где S - площадь раскрыва рупора.

Основным недостатком рупорной антенны является её громоздкость.

Рупорные антенны используют в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн для формирования

относительно широких	ДН (примерно	θ0x =θ0 y =10-20°)
при небольших КНД	(не более 20 дБ).	Кроме того, их

применяют как элементы антенных решёток, а также как облучатели зеркальных и линзовых антенн.

6 Зеркальные антенны. В качестве зеркальных антенн используются металлические поверхности специальной формы: параболические, сферические, плоские и угловые зеркала. Наиболее распространены параболические зеркальные антенны (рис. 4.30). Параболические отражатели могут выполняться в виде параболоида: части цилиндра с параболическим поперечным сечением; сектора, вырезанного из параболоида и др. На практике, с некоторым приближением, полагают, что параболическое зеркало преобразует сферический волновой фронт облучателя в плоский (плоскую волну). Форму зеркала характеризуют отношением радиуса раскрыва параболоида R0 к фокусному расстоянию f ( R0 / 2 f ). Если R0 / 2 f <1,

то зеркало называется длиннофокусным (мелким), если R0 / 2 f >1, - короткофокусным (глубоким).

224

Зеркальная антенна (см. рис. 4.30) состоит из слабонаправленной антенны (облучателя) 1 и металлического зеркала 2. Источник возбуждения зеркала антенны помещается в фокус. При падении электромагнитной волны на металлическую поверхность зеркала на последнем возникают поверхностные токи, создающие вторичное электромагнитное поле. Это поле создаёт электромагнитную волну с плоским фронтом в раскрыве.

3

Вход

z

1

2

Рисунок 4.30 - Зеркальная параболическая антенна: 1 – облучатель; 2 – зеркало; 3 – рефлектор

Для параболического зеркала можно управлять диаграммой направленности с помощью смещения облучателя в направлении, перпендикулярном оси зеркала. Диаграмму направленности антенны формирует зеркало. Диаграмма направленности облучателя не должна быть слишком широкой, так как при этом часть энергии будет излучаться за пределы зеркала. С этой целью у облучателя ставится рефлектор 3, исключающий излучение энергии в сторону, противоположную зеркалу.

225

Для параболической антенны максимальный коэффициент использования поверхности Ku достигает

(0.5-0.6). Если при заданной форме зеркала расширять ДН облучателя, то облучение зеркала становится более равномерным, Ku растёт, что ведёт к увеличению КНД .

Однако вместе с тем увеличивается доля энергии, проходящая мимо зеркала, что, в свою очередь, уменьшает Ku и КНД . В связи с этим существует условие

оптимального облучения зеркала. Очевидно, что при заданной диаграмме направленности облучателя имеется

оптимальная	величина	R0 / 2 f ,	определяющая
максимальный	результирующий Ku		и максимальный
КНД .

Зеркальные антенны широко применяются во всех областях радиотехники из-за простоты конструкции, большого коэффициента усиления, широкой полосы пропускания и т.д.

Конструкции зеркальных антенн создаются в диапазонах от десятков метров до миллиметров.

7 Диэлектрическая стержневая антенна (рис. 4.31)

представляет собой конусный диэлектрический стержень (отрезок диэлектрического волновода), который излучает электромагнитные волны в направлении продольной оси z . При конструировании антенны с помощью перехода в ней стремятся возбудить волну низшего типа HE11 . Эта

волна не имеет критической частоты, т.е. может распространяться вдоль диэлектрического стержня на всех частотах и при любом диаметре стержня. Уменьшая диаметр стержня, приближают фазовую скорость волны диэлектрического волновода к скорости T -волны в воздухе. Равенство этих скоростей обеспечивает

226

отсутствие отражений (полное излучение энергии). Оно наступает при диаметре конца антенны dmin , равном

dmin =	0,4λ0	.
	ε −1

0.25Λ	1
dmax	z
	dmin
	2

Рисунок 4.31 – Диэлектрическая стержневая антенна: 1 – корпусный диэлектрический стержень; 2 – переход

Для получения хорошей формы ДН важно, чтобы вдоль стержня не распространялись высшие типы волн. Для этой цели максимальный диаметр стержня dmax должен удовлетворять равенству

dmax =	0,5λ0	.
	ε −1

Длина диэлектрической антенны обычно не превышает значения l ≤(6-7) λ0 , при этом ширина главного лепестка

ДН равна (24-25)°, а КНД (15-20) дБ. Диэлектрические

антенны чаще всего применяются как облучатели линз и зеркал, а также как излучающие элементы антенных решёток. Более подробную информацию по антеннам можно получить из источников [14, 18].

227

4.7 Краткие сведения об устройствах СВЧ для формирования электромагнитных полей и измерения их параметров

К таким устройствам относятся: электронные приборы СВЧ, канализирующие устройства (см. п. 4.1-4.4), объёмные резонаторы (см. п. 4.5), излучающие и приёмные устройства (см. п. 4.6), аттенюаторы, вентили, фазовращатели, направленные ответвители, детекторные секции, тройники, согласованные нагрузки, отрезки волноводов специальной формы, измерительные линии и волномеры, измерительные преобразователи, полупроводниковые СВЧ-диоды, терморезисторы, болометры. Большинство из этих устройств построены на базе описанных выше волноводов и резонаторов.

Электронные приборы СВЧ [18, 26] в

радиоаппаратуре выполняют функции генераторов, усилителей, детекторов, умножителей частоты, смесителей СВЧ-сигналов и др. При значительном увеличении частоты электромагнитных колебаний электрические параметры и характеристики обычных электронных приборов (диодов, триодов, пентодов, транзисторов) существенно ухудшаются, что ограничивает применение этих приборов в высокочастотной области. Основные причины этих ухудшений следующие:

-инерция электронов, определяющая их конечное время пролёта и затрудняющая управление электронным потоком в приборе;

-паразитные ёмкости и индуктивности элементов конструкций, влияющие на входные, проходные и выходные сопротивления, и в итоге на максимальную частоту и полосу рабочих частот прибора;

-увеличение потерь энергии в элементах конструкций за счёт скин-эффекта и излучения, которые уменьшают коэффициент усиления и КПД прибора.

228

Преодолевая возникающие затруднения, развитие электровакуумных приборов происходило в основном по пути разработки новых принципов и конструкций ламп, которые исключали причины частотных ограничений, имеющихся в обычных лампах. Так, были разработаны специфические для диапазона СВЧ-приборы, использующие эффекты конечного времени пролёта электронов для непосредственной передачи энергии электронного пучка электромагнитному полю колебательной системы. Среди них - лампы бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ), клистроны, магнетроны и др. Электровакуумные приборы СВЧ подразделяются на две основные группы, различающиеся направлением и назначением постоянного магнитного поля. К первой группе так называемых приборов типа О относятся лампы, в которых электроны движутся вдоль статического электрического поля; магнитное поле или не используется совсем, или применяется только для фокусировки электронного потока и принципиального значения для процесса энергообмена не имеет. Вторая группа ламп называется приборами типа М и отличается тем, что электроны движутся во взаимно перпендикулярных (скрещенных) постоянных электрических и магнитных полях по сложным траекториям.

Новые исследования в области физики полупроводников и развитие технологии способствовали созданию СВЧ-транзисторов, диодов Ганна, варакторных диодов, p −i −n -диодов и лавинно-пролётных диодов [14],

что позволило создать в диапазоне СВЧ ряд конструкций транзисторных усилителей и генераторов, преобразователей частоты, переключателей, генераторов и усилителей, использующих эффект отрицательного сопротивления и др.

229

Аттенюатор (ослабитель) служит для дискретной или плавной регулировки амплитуды СВЧ-сигналов путём изменения размеров поперечного сечения волновода, введения вставок, в которых затухают СВЧ-колебания, или за счёт использования поляризационных особенностей СВЧ-колебаний.

Вентиль пропускает СВЧ-энергию только в одном направлении, т.е. только падающую волну, что необходимо для работы СВЧ-тракта в режиме бегущей волны и устранения влияния нагрузки на источник колебаний. Вентили строятся на основе волноводов с расположением в их объёме ферритовых пластин, находящихся во внешнем магнитном поле.

Фазовращатель позволяет изменить фазу СВЧколебаний на фиксированное значение дискретно или плавно и представляет собой отрезок линии передачи регулируемой длины или с изменяемыми электрическими параметрами среды ( µ или ε ), что позволяет регулировать

электрическую длину отрезка и приводит к дополнительному набегу фазы, зависящему от отношения электрической длины отрезка к длине волны.

Направленный ответвитель имеет один вход и два выхода, на которые передаёт определённую часть только падающей или отражённой волны в нужный волновод СВЧ-тракта. Он может использоваться как делитель мощности в определённой пропорции, а также для сложения или вычитания сигналов.

Детекторная секция (амплитудный детектор, выпрямитель) преобразует СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока или в сигналы, пропорциональные огибающей СВЧ-колебаний. Она выполняется на базе СВЧ выпрямительного устройства с полупроводниковым диодом. Для увеличения значений выходных сигналов детекторная секция обычно содержит резонаторную часть,

230

которая настраивается специальным поршнем в режиме резонанса на рабочей частоте. В аппаратуре с аналоговой обработкой сигнала к детекторной секции обычно подключается чувствительный микроамперметр, усилитель или регистрирующий прибор.

Смесительная секция подобна детекторной, но имеет два входа, к которым подводятся СВЧ-колебания двух разных частот. В результате их наложения и выпрямления на выходе смесительной секции выделяется составляющая колебаний разностной частоты, которая на много меньше частоты СВЧ-колебаний и обработка сигналов на которой производится гораздо проще.

Тройники имеют три или более волноводных ответвлений и служат для разделения потока СВЧ-энергии или, наоборот, - для суммирования (вычитания) СВЧколебаний. В аппаратуре радиоволнового контроля используют E -тройник (рис. 4.33 а), H -тройник (рис. 4.33 б) и двойной тройник. Рассмотрим характерные случаи применения тройников в аппаратуре (стрелками на рис. 4.33 показано направление вектора напряжённости электрического поля).

	O''
3	E	A'		A
	2		2
			O

1		H	4 O'
A
	O'''	A 1

а б Рисунок 4.33 – Волноводные СВЧ-тройники:

а - E -тройник; б - H -тройник