ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования УЛ...
254 downloads
309 Views
2MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Б. П. Иванов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ УСТРОЙСТВ СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
для студентов специальности 21020165 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»
Ульяновск 2005
УДК 538.3(076) ББК 22.31.39 я 7 И 20
Рецензент заместитель директора по научной работе Ульяновского отделения ИРЭ РАН кандидат технических наук А. А. Широков Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета
Иванов, Б. П. И 20 Проектирование СВЧ устройств: Сборник лабораторных работ/ Б. П. Иванов.– Ульяновск: УлГТУ, 2005.–68с. Содержит описания четырёх лабораторных работ, общие требования к проведению работ, требования по технике безопасности, требования к оформлению отчета. В описании работ содержатся необходимые теоретические сведения, описание конструкций исследуемых устройств, методы измерения их параметров, контрольные вопросы. Указания предназначены для студентов специальности 21020165. Подготовлены на кафедре ПиТЭС.
УДК 538.3(076) ББК 22.31.39 я 7
© Иванов Б. П., 2005 © Оформление, УлГТУ, 2005
2
СОДЕРЖАНИЕ ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ…… 5 ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ…………………………… 5 ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ……………………………………………………... 6 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………………… . ………………… 6 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ СОЕДИНЕНИЙ И ВОЛНОВОДНО-КОАКСИАЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ …… 7 1. Задачи, решаемые в работе……..………………………………….……... 7 2. Основные параметры и характеристики волноводных, коаксиальных и коаксиально-волноводных вращающихся соединений ………………. 7 3. Коаксиальные вращающиеся соединения…..……………………………. 10 4. Волноводные вращающиеся соединения……………………………….... 11 5. Коаксиально–волноводные вращающиеся соединения…………….…... 15 6. Методика измерения Кстu вращающегося соединения…...……………… 17 7. Порядок выполнения работы……………………………………………… 18 8. Содержание отчета ………………………………………………………… 18 9. Контрольные вопросы……………………………………………………… 18 Библиографический список ..…………………………………………………. 18 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. УЗКОПОЛОСНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ТРАКТОВ…………………..………………………………... 19 1. Задачи, решаемые в работе………………………………………………… 19 2. Согласование. Согласующие устройства и их применение……………… 19 2.1.Согласование посредством одной неоднородности……………………. 22 2.2.Согласование с помощью четвертьволнового трансформатора………. 24 2.3.Согласование с помощью шлейфов……………………………………... 25 3. Согласование с помощью различного вида согласующих устройств…... 31 3.1.Согласование с помощью трехштыревого согласующего трансформатора…………………………………………………………... 31 3.2.Согласование с помощью трансформатора с двумя диэлектрическими пластинами………………………………………………………………... 32 3.3.Согласование с помощью двойного волноводного тройника с последовательным и параллельным шлейфами………………………. 32 4. Содержание отчета…………………………………………………………. 32 5. Контрольные вопросы……………………………………………………… 32 Библиографический список ………..…………………………………….…… 33 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И ХАРАКТЕРИСТИК АТТЕНЮАТОРОВ ДИАПАЗОНА СВЧ………………… 34 1. Задачи, решаемые в работе……………………………………………….. 34 2. Принцип работы и основные параметры аттенюаторов СВЧ………….. 34 3. Пластинчатый аттенюатор………………………………………………… 36 4. Аттенюатор «ножевого» типа…………………………………………….. 37 5. Поляризационный аттенюатор…………………………………………… 38
3
6. Конструкции аттенюаторов………………………………………………. 40 7. Методика измерения КСВ и ослабления аттенюаторов………………… 41 8. Порядок выполнения работы……………………………………………… 42 9. Содержание отчета………………………………………………………… 42 10. Контрольные вопросы…………………………………………………….. 42 Библиографический список …………..……………………………………… 43 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ РАДИОПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДИАПАЗОНЕ СВЧ ……………………………………………………………………………….. 44 1. Задачи, решаемые в работе ………………………………………………. 44 2. Методы измерений диэлектрической проницаемости…………….……. 44 2.1.Резонансные методы………………………………………………..…. 44 2.2.Волноводные методы……………………………………………..…… 47 2.3.Измерения в свободном пространстве…………………………..…… 49 3. Измерение диэлектрической проницаемости в свободном пространстве ………………………………………………………………..… 50 4. Подготовка к работе…………………………………………………..…… 55 5. Содержание отчета………………………………………………………….55 6. Контрольные вопросы…………………………………………………...… 55 Библиографический список ………………………………………………….. 55
4
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Лабораторные работы выполняются индивидуально каждым студентом. Перед выполнением лабораторных работ студенты изучают измерительную аппаратуру: ее устройство, принцип работы, технические параметры и методику ее использования. Также прорабатывают требования по технике безопасности в лаборатории СВЧ. Перед выполнением лабораторной работы студенты изучают принцип работы исследуемых и применяемых в работе устройств и их параметры и характеристики. Составляют методику исследования изучаемого устройства, которое им предлагает преподаватель, оформляют теоретическую часть отчета с необходимыми расчетами, а также методику измерений с выбранными схемами измерений и таблицами для занесения измеряемых значений величин. К лабораторной работе допускаются только студенты, прошедшие индивидуальное собеседование с преподавателем, показавшие свое умение правильно использовать аппаратуру и ясно и четко представляющие порядок выполнения работы. Пропущенные лабораторные работы и работы, к которым студенты не были допущены, выполняются на дополнительных занятиях, назначенных кафедрой. ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ В лаборатории следует остерегаться поражения высоким напряжением и вредного воздействия на организм электромагнитных полей СВЧ. Высокие напряжения сети переменного тока 220 вольт представляют опасность при замыкании на корпусе приборов. Кроме того, высокие напряжения на резонаторе отражательного клистрона, являющегося источником СВЧ полей, достигают величин от 600 до 2000 В, они также представляют опасность при замыкании высоковольтных цепей на корпус. Для избежания поражения высоким напряжением следует обязательно проверить заземление приборов. Систематическое облучение электромагнитными волнами СВЧ диапазона может вызвать у человека целый ряд функциональных расстройств, в первую очередь нервной системы. При длительном воздействии полей СВЧ проявляется сонливость, повышенная утомляемость, наблюдаются головные боли и раздражительность. Отмечаются также (при длительном облучении) замедление пульса, понижение кровяного давления. Особенно опасно воздействие облучения на глаза. Обычно функциональные расстройства исчезают после прекращения работы в условиях облучения через 3–4 недели. Применение мер предосторожности может защитить человека от вредных воздействий излучения.
5
Согласно ГОСТ 12.1.06–84 предельно допустимые значения плотности потока энергии электромагнитного поля в диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц следует определять исходя из допустимой энергетической нагрузки и времени воздействия по формуле
ППЭ
ПД
=
K ⋅Э
НППЭПД
Т
,
где ППЭпд – предельно допустимое значение плотности потока энергии, мкВт/см2; ЭНППЭПД – предельно допустимая величина энергетической нагрузки, равная 200 мкВт.ч/см2; К – коэффициент ослабления биологической активности, равный 1– для всех случаев, исключая облучение от вращающихся и сканирующих антенн с частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважности не менее 50. Во всех случаях максимальное значение ППЭПД не должно превышать 100 мкВт/см2. Измерение напряженности и плотности потока энергии электромагнитного поля (ЭМП) следует проводить не реже одного раза в год. Измерения напряженности или плотности потока ЭМП допускается не проводить в случаях, если установка не работает в режиме излучения на открытый волновод, антенну или другой элемент, предназначенный для излучения ЭМП в окружающую среду, и ее номинальная мощность согласно паспортным данным не превышает 100 мВт. При работе в лаборатории следует выполнять следующие требования техники безопасности: - не работать в условиях предельно допустимых норм облучения; - не следует находиться вблизи источников интенсивного излучения: открытого конца волновода, раскрыва антенны, в направлении главного максимума функции направленности антенны; - запрещается смотреть в излучающее устройство незащищенными глазами; - не включать генератор без разрешения преподавателя; - не оставлять без надобности открытыми концы волноводов, раскрывы излучающих антенн. Для этого в промежутках между измерениями следует вводить затухание аттенюаторами, расположенными на выходе генератора; - не разбирать и не проверять схемы при работающем на полную мощность генераторе. Делать это следует при введенном на полное затухание выходном аттенюаторе генератора; - при исчезновении напряжения в сети привести схему в исходное (начальное) состояние, выключить все рубильники и выключатели. Сообщить о случившемся преподавателю; - выключать генераторы следует с разрешения преподавателя; - посторонним людям запрещается нахождение в лаборатории при проведении лабораторных занятий.
6
ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ Отчет оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105–95 и ГОСТ 2.106–96. На титульном листе отчета указывается календарная дата выполнения лабораторной работы. В случае невыполнения в срок работы преподаватель указывает причину, по которой студент не допущен к выполнению работы. Пример оформления титульного листа приводится в приложении 1. В отчете должны быть приведены: задачи, решаемые при выполнении работы; эскизы конструкции исследуемых устройств; параметры и характеристики исследуемых устройств; краткие теоретические данные со ссылкой на используемую для изучения устройств литературу. Также приводятся необходимые для расчетов выражения; предлагаемые схемы измерений и методика выполнения измерений. Результаты измерений приводятся в виде таблиц и графиков. Производится анализ полученных результатов, включающий сравнение теоретических и экспериментальных данных, причины их различия на основе анализа методических погрешностей и погрешностей измерений. Делаются выводы по полученным результатам. Библиографический список ГОСТ 2.105–95. ЕСКД Общие требования к текстовым документам. – Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1996. – 34 с. ГОСТ 2.106–96. ЕСКД Текстовые документы. – Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1997. – 48 с. ГОСТ 2.734–68. ЕСКД Линии сверхвысоких частот. Обозначения условные графические в схемах. – М.: Издательство стандартов, 1985. – 20 с.
7
Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ СОЕДИНЕНИЙ И ВОЛНОВОДНО-КОАКСИАЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ 1. Задачи, решаемые в работе: - изучение принципов работы вращающихся соединений и волноводнокоаксиальных переходов; - изучение конструкций вращающихся соединений и волноводнокоаксиальных переходов; - измерение параметров и характеристик вращающихся соединений и волноводно-коаксиальных переходов. 2. Основные параметры и характеристики волноводных, коаксиальных и коаксиально-волноводных вращающихся соединений Вращающиеся соединения предназначены для передачи высокочастотной энергии от неподвижного передатчика к антенне, вращающейся в вертикальной или горизонтальной плоскостях. Главная задача таких соединений – обеспечение передачи постоянной мощности при вращении антенны. Для этой цели в соединениях применяются линии передачи, в которых возможно существование типов волн с осевой симметрией поля в поперечном сечении. Обычно используются коаксиальные линии с волной типа ТЕМ и круглые волноводы с волнами типа Е01 и Н01. Диаграмма типов волн коаксиальной линии передачи имеет вид, показанный на рис. 1. Из нее видно, что волна ТЕМ является основной, а первая волна высшего типа Н11 имеет критическую длину волны λкр11= π(a+b). 2a
H31 H21
2b H11
Рабочая область TEM
0.3π(a+b)
0.5π(a+b)
λ
π(a+b)
Рис. 1. Диаграмма типов волн для коаксиальной линии передачи
Размеры коаксиальной линии определяются ее волновым сопротивлением Zв (для передачи максимальной мощности его следует принимать равным 50 Ом), а также границей возникновения волны Н11 λкрH 11 = π ( a + b ) .
8
λ
b≤
. (1) a⎞ ⎛ π⎜ 1 + ⎟ b⎠ ⎝ Значение a/b зависит от величины выбранного волнового сопротивления, так как a Z в = 60 ln . b
(2)
Предельная мощность при этом
Pпред.
a b . ≤ 2 a⎞ 2⎛ 120 π ⎜ 1 + ⎟ b⎠ ⎝ 2 E пред . ε ln
(3)
Обычно с учетом возможностей короткого замыкания линии допустимая мощность составляет примерно 0,2–0,3 Рпред. Коэффициент запаса электрической прочности К=Рдоп/Рпред учитывает наличие шайб и различного рода неоднородностей в линии передачи. Структура ТЕМ волны в коаксиальной линии передачи имеет вид, показанный на рис. 2.
Рис. 2. Структура волны ТЕМ в коаксиальной линии передачи.
Затухание волны ТЕМ в коаксиальной линии достаточно большое, что обусловлено наличием внутреннего проводника 2
a⎞ ⎛ ε⎜1 + ⎟ b⎠ ⎝ . α≥ a⎞ 3⎛a π 480 σλ ⎜ ln ⎟ ⎝ b b⎠
(4)
При выборе размеров коаксиальной линии передачи должны выполняться три основных требования: обеспечение необходимого рабочего диапазона,
9
обеспечение передачи больших мощностей, обеспечение малого затухания. Диаграмма типов волн круглого волновода показана на рис. 3. E11.,
H31 H01 H2 E01 H11 1.64R
2.06R
2.61R
λ 3,41
Рис. 3. Диаграмма типов волн для круглого волновода
Из диаграммы типов волн круглого волновода видно, что основной волной является волна Н11. Волны Е01 и Н01, которые имеют осесимметричную структуру поля являются высшими и для их применения во вращающихся соединениях необходимо применение фильтров типов волны для их выделения. Предельные мощности для типов волн Н11, Е01 и Н01 определяются следующими соотношениями для волны Н11 в круглом волноводе
Pпред. =
2 πR 2 E пред .
1590
2
⎛ λ ⎞ 1−⎜ ⎟ . ⎝ 3.41R ⎠
(5)
Для волны Е01 в круглом волноводе Pпред. =
2 πR 4 E пред . 2
411λ
2
⎛ λ ⎞ 1−⎜ ⎟ . 2 61 . R ⎠ ⎝
(6)
Для волны Н01 в круглом волноводе Pпред. =
2 πR 2 E пред .
1570
2
⎛ λ ⎞ 1−⎜ ⎟ . ⎝ 1.64 R ⎠
(7)
Для волны Н10 в прямоугольном волноводе Pпред. =
10
2 a ⋅ b ⋅ E пред .
1508
2
⎛λ⎞ 1−⎜ ⎟ . ⎝ 2a ⎠
(8)
В этих выражениях: R – радиус круглого волновода, а, b – поперечные размеры прямоугольного волновода, Епред =2,9·103 В/мм – напряжение пробоя воздушного промежутка. Структура волн Н11, Е01 н, Н01, Н10 показана на рис. 4.
Рис. 4. Структура типов волн: а–волна Н11 в круглом волноводе; б– волна Н01 в круглом волноводе; в– волна Е01 в круглом волноводе; г– волна Н10 в прямоугольном волноводе
Основными параметрами вращающихся соединений являются: диапазон рабочих частот, величина передаваемой мощности, максимальное значение Ксти в диапазоне частот, скорость вращения. Характеристики: зависимость передаваемой мощности (или Ксти от угла поворота); зависимость Ксти от частоты. Конструктивные требования: прочность, антикоррозийность, надежность. 3. Коаксиальные вращающиеся соединения Существуют два вида вращающихся коаксиальных соединений: контактные коаксиальные соединения, применяющиеся при малых скоростях вращения и низких уровнях мощности в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн; бесконтактные дроссельные вращающиеся соединения, применяющиеся при больших скоростях вращения на всех уровнях мощности (главным образом в сантиметровом диапазоне). Первый вид (контактные соединения) широкого применения в настоящее время не имеет.
11
Одними из основных элементов конструкции второго вида коаксиальных вращающихся соединений являются дроссели. В сочленении внутренних проводников подвижной и неподвижной частей соединения применяются четвертьволновые дроссельные секции. В сочленении наружных проводников применяются полуволновые дроссельные секции. Конструкция бесконтактного четвертьволнового разомкнутого дросселя показана на рис. 5. Четвертьволновый отрезок линии является инвертором сопротивления Z вх . =
1 Z н.
(9)
Рис.5. Бесконтактный четвертьволновый разомкнутый дроссель для внутреннего проводника коаксиального вращающегося соединения
Конструкция полуволнового дросселя показана на рис. 6.
. Рис. 6. Короткозамкнутый бесконтактный полуволновый дроссель коаксиального вращающегося соединения.
Соединение имеет два полуволновых дросселя, каждый из которых состоит из двух четвертьволновых отрезков коаксиальной линии. Внешний полуволновый дроссель состоит из отрезков коаксиальных линий 1 и 2. Внутренний – из отрезков коаксиальных линий 3 и 4. Основное свойство полуволнового отрезка заключается в трансформации сопротивления нагрузки во входное сопротивление отрезка Zвх = Zн. Во внешнем дросселе – короткое замыкание в отрезке коаксиальной линии 1 в т. А трансформируется в короткое замыкание в т. Д в отрезке коаксиальной линии 2. Во внутреннем дросселе короткое замыкание в отрезке 3 т. Е трансформируется в короткое замыкание в т. С коаксиальной линии 4.
12
На рис. 7 показано коаксиальное вращающееся соединение для линии с волновым сопротивлением 50 Ом.
Рис.7. Коаксиальное вращающееся соединение: 1–четвертьволновый изолятор; 2–дроссельная секция длиной λ/4 на внутреннем проводнике коаксиала; 3–корпус сочленения; 4–коаксиальная линия с волновым сопротивлением 50 Ом; 5–высокочастотные разъемы; 6–дроссельная секция длиной λ/2 на наружном проводнике коаксиала; 7–сжимающая гайка; 8–изопреновое кольцо; 9–пазы для смазки.
В этом соединении применяется один из наиболее распространенных способов герметизации – с помощью изопренового кольца 8 (скорость вращения до 70 об/мин). Трущиеся поверхности корпуса сочленения выполняются из материалов, которые образуют хорошо скользящую пару хромированная поверхность – латунь. С помощью гайки 7, сжимая или освобождая кольцо, регулируют начальный натяг изопренового кольца на вращающийся цилиндр. Такая герметизация эффективна при температурах до – 50оС. На наружном проводнике коаксиальной линии использована полуволновая дроссельная секция, состоящая из двух четвертьволновых участков с разным волновым сопротивлением. Дроссельная секция на внутреннем проводнике представляет собой разомкнутый четвертьволновый отрезок коаксиальной линии. Для уменьшения трения при вращении в резы 9 корпуса 3 между трущимися частями набивается смазка ЦИАТИМ-201. Для согласования входной и выходной коаксиальных линий применяются четвертьволновые короткозамкнутые отрезки линий (шлейфы), которые трансформируют ZН =0 в Zвх =∞.
13
4. Волноводные вращающиеся соединения В волноводных вращающихся соединениях применяются круглые волноводы с несимметричными по структуре поля типами волн Е01 и Н01. Наиболее часто применяется волна Е01. Из диаграммы типов волн для круглого волновода видно, что волна Е01 является более низшей по сравнению с волной Н01. Поэтому при применении волны Е01 требуется только устранение одного типа волны Н11. В сантиметровом диапазоне обычно применяются прямоугольные волноводы с основной волной Н10, в связи с этим возникает необходимость в состав вращающихся соединений включать элементы перехода от прямоугольного волновода к круглому. Вращающиеся соединения с волной Н01 имеют ряд особенностей. Волна Н01 при распространении по волноводу имеет наименьшее из других практически используемых типов волн затухание. Кроме того, волна Н01 не создает на стенках волновода продольных составляющих поверхностных токов. Это позволяет применять круглый волновод соединения подвижной и неподвижной частей, не применяя дроссельной секции. Такое соединение может работать в широком диапазоне частот (∆f=45–50%). Но из-за сложности подавления одновременно возбуждающихся с волной Н01 волн типа Н11, Е01, Н21, Е11, такой тип соединения не получил широкого практического применения. Существуют два вида волноводных вращающихся соединений, работающих с применением волны Е01 в круглом волноводе: соединения с короткозамкнутыми шлейфами, соединения с резонансными кольцами. На рис. 8 показана конструкция вращающегося волноводного соединения с короткозамкнутыми шлейфами.
Рис.8. Волноводное вращающее соединение с гасящими объёмами: 1–гасящий объём; 2–прямоугольный волновод; 3–полуволновая дроссельная секция; 4–корпус соединения; 5–войлочно-масляная пробка; 6–металлические кольца для крепления и регулировки зазора; 7–изопреновые уплотнения; 8– фланец прямоугольного волновода; 9–прямоугольный волновод; 10, 12–круглый волновод; 11–шарикоподшипник
14
Короткозамыкающий шлейф представляет собой круглый волновод, включенный последовательно с возбуждающим прямоугольным волноводом и основным круглым волноводом. Эквивалентная сила такого соединения показана на рис. 9. Шлейф
H10
/
axb
Прямоугольный волновод
Круглый волновод
axb
D
Вход
D
l
Прямоугольный волновод
Диафрагма
Выход
Диафрагма
D/
l
H10
Шлейф
Рис. 9. Эквивалентная электрическая схема волноводного вращающегося соединения с гасящими объемами
Длина шлейфа выбирается из двух условий. Первое условие – обеспечение возможно меньшего входного сопротивления шлейфа для волны Е01 для того, чтобы она без затухания распространялась в круглом волноводе. Условие выполняется при длине шлейфа, равной целому числу полуволн типа Е01 λE (10) l = n 01 . 2
Второе условие – обеспечение возможно большего входного сопротивления для волны Н11 для того, чтобы она имела наибольшее затухание (гасилась в объеме шлейфа) и не распространялась по круглому волноводу диаметра D. Следовательно, необходимо выбрать длину шлейфа, равную нечетному числу четвертей длины волны λH . (11) l = ( 2m + 1) 11 4 Обычно для увеличения диапазонности соединения принимают n=1 m=1. При этом условии диаметр D/ шлейфа определяется из соотношения 1 2
λ λ 1− 1,350 D′
=
3 4
λ λ 1− 1,71D′
,
(12)
где λ крH 11 = 1,7 D′; λ крE 11 = 1.305 D′ .
15
Для передачи согласования волновых сопротивлений прямоугольного и круглого волноводов применяются емкостные диафрагмы, емкостные винты на дне круглого волновода и четвертьволновые трансформаторы в продольном волноводе. Длина вращающегося соединения L зависит от необходимости избежать резонансов волн Е01 и Н11. Резонанс на волне Е01 улучшает условие передачи энергии, но полоса пропускания соединения уменьшается. Резонанс на волне Н11 приводит к увеличению этого типа колебаний и возникает при вращении паразитная модуляция передаваемого сигнала. Для избежания паразитного резонанса на волне Н11 требуется выбирать длину λ L = ( 2n + 1 ) H 11 . 4
(13)
Полоса пропускания вращающихся соединений со шлейфами не превышает 1-2% при КСТИ=1,18. На рис. 10 показана конструкция вращающегося соединения с резонансными кольцами. Этот вид соединений имеет по сравнению с предыдущим более компактную конструкцию и более широкую полосу пропускания.
Рис. 10. Конструкция волноводного вращающегося соединения с резонансными кольцами: 1–резонансное кольцо; 2–прямоугольный волновод; 3–полуволновая дроссельная секция; 4–корпус соединения; 5– войлочно-масляная пробка; 6–металлические кольца для крепления и регулировки зазора; 7–изопреновые уплотнения; 8–фланец прямоугольного волновода; 9–прямоугольный волновод; 10–круглый волновод; 11–шарикоподшипник; 12– фланец.
Принцип работы такого устройства заключается в следующем. Для волны Е01 металлическое кольцо представляет эквипотенциальную поверхность, поскольку оно соединяет точки равного потенциала, как показано на рис 11.
16
Рис. 11. Резонансные кольца в круглом волноводе с волнами типа Н11 а и Е01 б.
Для волны Н11 металлическое кольцо замыкает точки с разными потенциалами, поэтому в нем протекают токи, имеющие наибольшую величину при длине кольца, равной длине волны в воздухе. Эти токи возбуждают в волноводе волну Н11 с фазой поля, сдвинутой на 180о по отношению к фазе возбуждающего поля. Поэтому в круглом волноводе такого соединения за кольцом поля волны Н11 взаимно уничтожаются, что обеспечивает высокую степень ее фильтрации. Кольца крепятся с помощью металлических штырей, которые в зависимости от взаимного положения входного и выходного прямоугольных волноводов по-разному влияют на работу соединения. Если угол между прямоугольными волноводами равен 0о и 180о, то крепежные металлические штыри будут перпендикулярны диаметральному вектору напряженности электрического поля волны Н11, как показано на рис. 11 а, и резонансное кольцо хорошо отрезает эту волну. В этом случае возникший резонанс волны Н11 определяется расстоянием L между фильтрующими кольцами. Для устранения резонанса расстояние L необходимо взять кратным нечетному числу четвертей длины волны Н11 L = (2n + 1)
γH 11 4
.
(14)
Обычно n=1,2, так как при больших значениях n запасается значительная энергия волны Н11 между кольцами. Если угол между входными и выходными прямоугольными волноводами равен 90о или 180о, то крепежные штыри будут параллельны диаметральному вектору напряженности электрического поля волны Н11, как показано на рис. 11 б, и кольцо окажется расстроенным. При этом большая часть энергии волны Н11 пройдет до конца круглого волновода и отразится. В этом случае резонанс на волне Н11 определяется расстоянием L+L’. Для исключения этого резонанса длина L+L’ должна быть кратной нечетному числу четвертей длин волн Н11 в круглом волноводе. А так как L выбрано из условия (14), то расстояние L’ определяется как L' = n
λH 11 2
,
(15)
где n=1,2.
17
Вращающиеся соединения с фильтрующими кольцами имеют полосу пропускания 7-8% при КСТИ=1,1–1,2.
Рис. 12. Вращающиеся соединения с фильтрующими кольцами: а– перпендикулярная поляризация, б–параллельная поляризация, в–общий вид соединения. Угол между прямоугольными волноводами 0о.
5. Коаксиально-волноводные вращающиеся соединения Коаксиально-волновое вращающееся соединение состоит из входных прямоугольных волноводов, работающих на основном типе волны Н10 , и коаксиального вращающегося соединения. Для перехода от прямоугольного волновода с волной Н10 к коаксиальной линии с волной ТЕМ используются различные конструкции коаксиально-волновых переходов. Конструкция одного из коаксиально-волноводных вращающихся соединений приведена на рис. 13. Основным элементом соединения является коаксиально-волновой переход.
Рис.13. Коаксиально - волноводное вращающееся соединение: 1,8,9,15–настраиваемые короткозамкнутые заглушки; 2–прямоугольный вращающийся волновод; 3–полуволновая дроссельная секция; 4–корпус соединения; 5–войлочно-масляная пробка; 6–металлическое кольцо для крепления и регулировки зазора; 7–изопреновое уплотнение; 10–фланец прямоугольного волновода; 11–зонд; 12–неподвижная коаксиальная линия: 13–шарикоподшипник; 14–опорная полистироловая шайба.
Переход служит для преобразования волны Н10 в прямоугольном волноводе в волну ТЕМ в коаксиальной линии передачи.
18
Наиболее простой коаксиально-волноводный переход показан на рис. 14.
Рис. 14. Зондовый переход от коаксиальной линии к прямоугольному волноводу
Центральный проводник коаксиальной линии входит в волновод и служит антенной. Для выполнения условий возбуждения волны Н10 в прямоугольном волноводе на расстоянии Z0 от входа устанавливается короткозамкнутая стенка или короткозамкнутый поршень и подбирается с помощью поршня расстояние X0 от зонда до боковой стенки волновода. С помощью подбора длины зонда l, Z0 и Х0 на одной частоте можно точно выполнить условия равенства активной составляющей входного сопротивления зонда волновому сопротивлению коаксиальной линии и равенства нулю реактивной части входного сопротивления зонда. Такой коаксиально-волновой переход имеет небольшую полосу пропускания. Применяя шариковые и каплевидные излучатели, а также излучатели больших диаметров можно полосу пропускания расширить до 30 – 35% при КCTU не выше 1,4 (величина отраженной мощности не более 3%). На рис.15. показано вращающееся коаксиально-волновое соединение с шариковым излучателем и петлевым переходом
Рис.15. Коаксиально-волноводное вращающееся соединение с зондовопетлевым переходом: 1–неподвижный прямоугольный волновод; 2–зондовый переход; 3–войлочномасляная пробка; 4–шарикоподшипники; 5–полуволновая дроссельная секция на наружном проводнике коаксиала; 6–неподвижная коаксиальная линия; 7–петлевой переход от коаксиального к прямоугольному волноводу; 8–подвижный изогнутый прямоугольный волновод; 9–фланец волновода; 10–мембрана; 11–неподвижная притертая поверхность; 11– подвижная притертая поверхность; 12–пазы для смазки; 13–гайка для крепления; 14– неподвижная притёртая поверхность; 15–корпус соединения
19
. На рис.16. показано коаксиально-волноводное соединение с пуговичнозондовым переходом, такие переходы применяются при передаче большой мощности. Передаваемая мощность такого перехода ограничивается мощностью, передаваемой коаксиальной линией. Недостаток перехода – большая зависимость КСТU перехода от геометрии «пуговицы», которая должна быть изготовлена и установлена в волноводе с большой точностью.
Рис.16. Коаксиально-волноводное вращающееся соединение с пуговично-зондовым переходом: 1–заглушка для настройки перехода; 2–пуговичный переход; 3–подвижный прямоугольный волновод; 4– войлочно-масляная пробка; 5–шарикоподшипники; 6–корпус; 7–пружина для крепления подвижной притертой поверхности; 8–неподвижный прямоугольный волновод; 9–фланец; 10–зонд; 11–неподвижная коаксиальная линия; 12–мембрана; 13–неподвижная притертая поверхность; 14–пазы для смазки; 15–подвижная притертая поверхность; 16–гайка для крепления; 17–полуволновая дроссельная секция на внешнем проводнике коаксиального волновода
6. Методика измерения КСТИ вращающегося соединения. Для измерения КСТИ применяется линия. На рис. 14. показана схема измерения КСТИ вращающегося соединения.
И
G Рис.17.Схема измерений зависимости КСТU от угла поворота волнового вращающегося соединения
20
Для измерения КСТИ отрезка коаксиального кабеля с двумя коаксиальноволновыми соединениями собирается схема, показанная на рис. 18.
И
G
Рис.18. Схема измерений КСТИ отрезка коаксиального кабеля
7. Порядок выполнения работы Составляется методика проведения измерений, которая включает схему измерений, порядок включения приборов и их настройки, порядок проведения необходимых измерений и составление таблиц, в которые следует занести результаты измерений. Совместно с преподавателем методика корректируется. Производится сборка в соответствии со схемой установки для проведения измерений. Включаются и настраиваются приборы. Производятся измерения на трех частотах Кстu . Результаты измерений показываются преподавателю. 8. Содержание отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать: - схему измерительной установки; - методику измерений; - упрощенные эскизы конструкций исследуемых устройств; - таблицы и графики исследуемых зависимостей; - выводы по работе в отношении погрешностей измерений. 9. Контрольные вопросы 1. Чем ограничивается диапазон длин волн, передаваемых по прямоугольному волноводу на основном типе волны? 2. Чем ограничивается диапазон длин волн, передаваемых по коаксиальной линии? 3. Преимущества и недостатки волноводного вращающегося соединения по сравнению с волноводно-коаксиальным. 4. Что такое модуляция вращающегося соединения и от чего она происходит? 5. Опишите конструкцию коаксиального вращающегося соединения. 6. Виды коаксиально-волноводных переходов и способы их применения.
21
7.
Методы уменьшения паразитных колебаний Н11 в круглом волноводе вращающегося соединения. 8. Рассчитать диапазон, на котором может работать волноводное вращающееся соединение, если диаметр круглого волновода 30 мм. 9. Опишите конструкцию волноводно-коаксиального вращающегося соединения. 10. Опишите конструкцию волноводного вращающегося соединения.
Библиографический список 1. Лебедев, И. В. Техника и приборы СВЧ / И.В.Лебедев. – М.: Высшая школа, 1970. – 440 с. 2. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов / под ред. проф. Воскресенского Д. И. – М.: Советское радио, 1972. – 320 с. 3. Воропаева, В.Г. Расчет и конструирование вращающихся сочленений / В.Г.Воропаева. – М.: МАИ, 1962. – 50 с.
22
Лабораторная работа №2. УЗКОПОЛОСНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ ТРАКТОВ
1. Задачи, решаемые в работе: изучение принципов согласования, изучение различных способов согласования, осуществление согласования с помощью одного из устройств. 2. Согласование. Согласующие устройства и их применение Узкой полосой принято считать полосу частот 2∆f, составляющую единицы процентов от средней частоты fср. В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования (КCTU ≤ КCTUдоп). Конкретное значение КCTUдоп определяется назначением тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,02...2. Обычно значение 2∆f составляет менее 5% от средней частоты fср. Согласующие устройства, как и развязывающие, предназначаются для устранения отраженной от нагрузки волны и обеспечения режима работы линии передачи, близкого к режиму бегущей волны. Согласование, в отличие от развязки, предусматривает компенсацию отраженной от нагрузки волны с помощью создания согласующим устройством отраженной волны равной по амплитуде отраженной от нагрузки волне, а по фазе - противоположной волне, отраженной от нагрузки в сечении расположения согласующей неоднородности. При этом на участке от генератора до согласующей неоднородности создается режим, близкий к режиму бегущей волны, а на участие от нагрузки до неоднородности - режим смешанных волн. В случае согласования задача ставится таким образом. Волна основного типа распространяется от генератора по линии передачи с волновым сопротивлением Zв=1/Ун к нагрузке Ун. С помощью неоднородности (согласующего устройства),
b Zc = 2 ⋅ a
120 π ⎛λ⎞ 1− ⎜ ⎟ ⎝ 2a ⎠
2
,
(1)
расположенной на расстоянии ∆1 от нагрузки, компенсируется отраженная от нагрузки волна, с помощью волны, отраженной от неоднородности с реактивной проводимостью В.
23
Рис. 1. Картина образования переотраженных волн при введении в волновод неоднородности.
Из рис.1 видно, что волна С0 должна компенсировать сумму волн & & С 1 + С 2 + С& 3 + ... + С& n . Режим бегущей волны на участке линии от генератора до неоднородности установится при выполнении условия i=∞
С& 0 + ∑ C& i = 0 , i =1
то есть сумма всех отраженных от неоднородности и нагрузки волн, направленных в сторону генератора, должна быть равна нулю. С точки зрения теории цепей СВЧ это говорит о том, что согласование обеспечивается, когда коэффициент отражения в плоскости 1-1 с учетом включенных нагрузки и неоднородности равен нулю. Если проводимость неоднородности чисто реактивная, то схема ее включения в линию передачи в сечении 1-1 при согласованной с линией нагрузке имеет вид, показанный на рис. 2.
jB
Ус
jB/
1
Рис.2. Схема включения неоднородности в согласованную линию передачи
В первой схеме Уc - ненормированное значение проводимости неоднородности, во второй схеме - нормированное. Ус В +j = 1 + jВ/ . Ус Ус Коэффициент отражения от неоднородности У/ =
24
(2)
У с + jВ Ус jВ 1 − У′ =− Γ& 1 = = . 2У с + jВ 1 + У′ 1 + У с + jВ Ус 1−
(3)
Здесь Ус=1/Zc – волновая проводимость линии. Выражение (3) записано для емкостной неоднородности. В случае индуктивной неоднородности знак перед j изменится на противоположный и Γ1 =
jВ . 2У с − jВ
(4)
Если обозначить коэффициент отражения от нагрузки как Гн, то коэффициент отражения в плоскости 1-1 с учетом включенной нагрузки и неоднородности (1 + Γ12 ) Γн e − 2 jβ Δ l . Γ1−1 = Γ1 + 1 − Γ1Γн e − 2 jβ Δl
(5)
Приравнивая к нулю числитель этого выражения, получим условие согласования
0 = Γ1 + Γн e −2 jβ Δ l .
(6)
Из этого выражения видно, что отраженные от нагрузки волны будут скомпенсированы отраженной от неоднородности волной только в том случае, когда модуль коэффициента отражения от нагрузки равен модулю коэффициента отражения от неоднородности, то есть Γ1 = Γ н . Поэтому из (6) следует для емкостной неоднородности В
e
jϕ
− 2arctg 2У с − В 2У с = =e ; 2У с + В
В′ =
2 Γн В = . Ус 1 − Γн
(7)
(8)
Из выражения (6) при |Г1|=|Г2| получаем и фазовые соотношения, которые определяют необходимое для согласования расстояние между нагрузкой и неоднородностью.
25
Δl =
⎡ 1 2 1 В⎤ ⎢1 + π (ϕ н − ϕ1 ) + π arctg 2 У ⎥ . 0⎦ ⎣
λв 4
(9)
В случае применения для согласования индуктивной неоднородности Δl =
λв 4
⎡ 1 2 1 В⎤ ( ) arctg 1 . + ϕ − ϕ − 1 ⎢ π н 2 У0 ⎥⎦ π ⎣
(10)
Здесь ϕ н − ϕ1 – разность фаз коэффициентов отражения от нагрузки и неоднородности. Для емкостной неоднородности: ϕ1 = −
В π − arctg . 2 2У с
Для индуктивной неоднородности: ϕ1 =
В π + arctg . 2 2У с
Анализ выражения (5) позволяет составить последовательность действий, необходимых для согласования нагрузки с передающей линией. Прежде всего определяется коэффициент отражения от нагрузки
Г н = Г н e jϕн как G н + jBн Ус У − G н − jBн 1 − У′н = , Г& н = = с 1 − У′н 1 + G н + jBн У с + G н + jBн Ус 1−
(11)
где У′н = G ′н + В′н – нормированная проводимость нагрузки. Можно определить Гн с помощью измерений. Определяется необходимое для согласования нормированное значение проводимости неоднородности.
2 Г& н В = В′ = . Уc 1 − Г& н
(12)
При заданной частоте и известных размерах волновода можно определить
26
λв =
λ0 ⎛λ ⎞ 1− ⎜ 0 ⎟ ⎝ 2а ⎠
2
,
(13)
а затем расстояние от нагрузки до неоднородности λв ⎡ 1 2 1 В⎤ ( ) + ϕ − ϕ ± (14) 1 arctg 1 н π 4 ⎢⎣ π 2 У c ⎥⎦ Полученные соотношения позволяют сделать очень важные выводы. Для двух идентичных неоднородностей можно всегда подобрать расстояние ∆l, при котором их действие на волну, распространяющуюся по тракту от генератора до первой неоднородности, равно нулю. При малых неоднородностях ϕ2 =φн= φ1,, а значение ⎡2 1 В⎤ Zс, в–включение трансформатора при ZСТР ZС в работе участвуют первый и второй шлейфы, а при RH