Дипломная работа: Устройства РВК

8.2 Элементы и устройства волноводных трактов

8.2.1 Изгибы и скрутки волноводов

Изгибы и скрутки волноводов используются в качестве вспомогательных соединительных элементов при монтаже тракта. Изгибы прямоугольных волноводов выполняются по широкой (Е-изгиб) и узкой (Н-изгиб) стенкам и делятся на плавные или радиусные (рисунок 8.1) и уголковые с одним поворотом и многоступенчатые. При резком изгибе тракта возникают отражения, для уменьшения которых изгиб выполняется на участках длиной в несколько длин волн в волноводе.

Рисунок 8.1 – Изгибы волноводов

Плавные изгибы обладают минимальными отражениями при длине L ≈ 0,5nλв (n = 1,3,5, …), что обусловлено взаимной компенсацией отражённых волн от концов изгиба. Высокие значения КБВ достигаются при величине внутреннего радиуса изгиба R > λв . Основные размеры и параметры плавных изгибов стандартных прямоугольных волноводов в плоскостях Е и Н приведены в таблице 8.2.

Таблица 8.2. – Параметры радиусных изгибов прямоугольных волноводов в плоскостях Е и Н.

Отражения от изгибов в сильной степени зависят от тщательности изготовления и деформации стенок волновода при изгибе; по всей длине изгиба необходимо обеспечить постоянство внутренней полости волновода и высокую чистоту токонесущих поверхностей; в многократно изогнутых волноводах малого сечения рекомендуется серебрить присоединительные поверхности фланцев, внутренние поверхности покрывать лаком УР-231 или ВЛ-831.

Скрученные секции предназначены для поворота плоскости поляризации волны в волноводе. Плавно скрученная секция прямоугольного волновода с волной Н10 показана на рисунке 8.2. Длина L скрученного отрезка волновода выбирается равной L > 2λв (1+ 0,25n) (n = 0, 1, 2, …).

Рисунке 8.2. - Конструкция скрученной секции прямоугольного волновода

8.2.2 Конструкция и размеры типовых контактных фланцевых соединений

Различают три основных вида соединения волноводов: неразъемные, разъемные для редкой и частой разборки. Соединения характеризуются следующими основными электрическими параметрами: величиной КСВН, коэффициентом электрогерметичности, дБ, Nг = 10lg(P0/Pизл) и коэффициентом вносимых потерь α = 10lg(Pпот/P0 ) (Р0 – мощность в месте соединения; Ризл – мощность паразитного излучения через соединение; Рпот – активные потери из-за несовершенства конструкции и ошибок монтажа).

Разъемные соединения прямоугольных волноводов осуществляются при помощи фланцев двух основных типов: контактных и дроссельных.

Контактные соединения просты по конструкции, широкополосны, требуют высокой точности изготовления, обладают низкой надежностью при многократных переборках тракта; электрогерметичность и вносимые потери сильно зависят от размера зазора между фланцами. Повышение электрогерметичности достигается использованием тонких контактных прокладок из бериллиевой бронзы БрБ2Т. Конструктивные размеры контактных прокладок и контактных фланцев даны на рисунке 8.3, а рекомендуемые посадки для установочных элементов представлены в таблице 8.3. Для герметизации соединений используются прокладки из резины ИРП-1267 или резиновой смеси ИРП-1354.

Рисунке 8.3 – Конструкция и размеры типовых контактных фланцевых соединений (а) и соответствующих им контактных прокладок (б)

Таблица 8.3 – Рекомендуемые посадки для установочных элементов фланцевых соединений прямоугольных волноводов для конструкций серийного производства

8.2.3 Волноводное разветвление

Двойной Т-образный мост (рисунок 8.4) состоит из совмещенных Е- (плечи А, Б, В) и Н- (плечи А, В, Г) тройников. Мощность, поступающая в волновод Б, делится поровну между волноводами А и В и не попадает в волновод Г; аналогично, мощность из плеча Г делится пополам между волноводами А и В и не попадает в плечо Б. Плечи Г и Б оказываются развязанными (величина развязки > 40 дБ), что позволяет, например, к плечу Г подключить приёмную антенну, к плечу Б – Г гетеродин, к плечам А и В – детекторы. Для согласования плеч двойного Т-образного моста применяются индуктивный штырь в плече Б и ёмкостный – в плече Г.

Рисунок 8.4 - Двойной Т-образный мост

8.2.4 Волноводные согласованные поглощающие нагрузки

Волноводные согласованные поглощающие нагрузки предназначены для поглощения СВЧ энергии и обеспечивают при минимальном уровне КСВН в заданном диапазоне частот рассеяние определенного уровня мощности – от низкого (до 10 кВт) или высокого. Конструктивно выполняются в виде короткозамкнутого на одном конце отрезка волновода с расположенным внутри поглощающим элементом. Различают согласованные нагрузки с поверхностным и объемным поглощающими сопротивлениями из специального поглощающего материала, называемого ферроэпоксидом. Эти нагрузки отличаются малыми габаритами, простотой конструкции и изготовления, низким значением КСВ и широкополосностью (рисунок 8.5).

Рисунок 8.5 – Волноводные поглощающие клинья сантиметровых и миллиметровых волн из ферроэпоксида:

а – расположение одно- и двуэкспоненциального клина в волноводе (разрез в плоскости Е); б – размеры клина, используемые при расчете экспоненциального профиля

Основными компонентами ферроэпоксида являются карбонильное железо и эпоксидная смола, используемые в весовом соотношении 5:1. Он механически обрабатывается подобно пластмассам, а также может отливаться в формы сложной конфигурации. Интервал рабочих температур от –60 до +150 °С. Малая длина поглощающего клина при низком КСВ достигается благодаря использованию экспоненциального профиля клина в Е-плоскости. Экспериментальные исследования показали, что на сантиметровых волнах при использовании стандартных сечений волноводов для получения ρнаг < 1,1 необходимо применять клинья с двуэкспоненциальным профилем, а в волноводах пониженной высоты, у которых размер b меньше стандартного в два и более раз, а также в волноводах миллиметрового диапазона можно ограничиться одноэкспоненциальпым профилем, что технологически проще. Следует учитывать, что ферроэпоксид довольно хрупок.

Расчет экспоненциального профиля клина h(l) при заданной его длине l0 (рисунок 8.5, б) производится по формуле экспоненты h = n(eγl −1) , где n – коэффициент, а γ определяется заданными значениями l0 и h0:

. (8.4)

Для одноэкспоненциального клина h0 = b, для двуэкспоненциального h0 = b/2. Коэффициент n, имеющий размерность длины, определяет величину «прогиба» экспоненты. Графический анализ влияния его величины на форму экспоненциального профиля, измерение КСВ двух клиньев одинаковых размеров, отличающихся значениями n (0,5 и 1), и соображения технологичности изготовления привели к выводу о целесообразности выбора n = 1. Это значение n используется на практике во всех случаях. При креплении поглощающего клина в волноводе (приклеиванием эпоксидной смолой или другим способом) необходимо следить за тем, чтобы острие одноэкспоненциального клина плотно прилегало к широкой стенке волновода, а линия острия двуэкспоненциального клина проходила через середины узких стенок волновода. При этих условиях получаются минимальные КСВ.

8.3 Расчет направленного ответвителя

Направленным ответвителем называется четырехплечее устройство, состоящее из двух отрезков линии передачи, между которыми с помощью «элементов связи» или области связи осуществляется направленная передача электромагнитной энергии. Линия, из которой исходит энергия, называется основной или первичной; линия в которую поступает энергия – дополнительной или вторичной. Термин «направленная передача энергии» означает, что если в основной линии передачи распространяется бегущая волна определенного направления, то во вторичной линии будет возбуждаться тоже бегущая волна, распространяющаяся от области связи только в одном определенном направлении. В идеальном случае, в противоположном направлении от области связи во вторичной линии волна вообще не распространяется. Если в основной линии передачи изменить направление движения бегущей волны, то во вторичной линии направление движения ответвленной волны также изменится на обратное. Таким образом, НО является «взаимным » устройством (рисунок 8.6).

а)

б)

в)

Рисунок 8.6 – Изображение НО на принципиальных электрических схемах (а); направление движения энергии в основной и вторичной линиях передачи (б, в)

Основными параметрами НО являются направленность (D), переходное ослабление (С), входной КСВ, допустимая рабочая мощность Pmax и широкополосность ответвителя, которая определяется рабочим диапазоном частот Δf = f2 - f1, в пределах которого параметры НО не выходят за допустимые значения.

Переходным ослаблением называется логарифмическая мера отношения мощности бегущей (падающей) волны на входе основной линии передачи (P1) к ответвленной мощности на выходе вторичной линии перед (P3) при условии, что остальные плечи НО (2 и 4) нагружены на согласованные нагрузки:

, (8.5)

где .

Собственной направленностью называется логарифмическая мера отношения мощностей, выходящих из плеч вторичной линии передачи (3 и 2, рис.4. б), при условии, что основная линия передачи (плечо 4) нагружена на согласованную нагрузку и в ней существует бегущая волна. Таким образом:

, (8.6)

где    .

Эффективная направленность (Dэфф), которая считается с учетом переотражений, при условии что НО нагружен на согласованную нагрузку. Эффективная направленность определяется как:

, (8.7)

где    ас – погрешность измерения КСВ;

Г3 – коэффициент отражения от нагрузки.

На практике известно, что реальное достижимое значение коэффициента отражения нагрузки составляет 0,02…0,03.

Зададимся значением Г3=0,025. Выберем КСВ – 1,05…6, ас – 0,02…0,1 и переходное ослабление С=20 дБ. Также известна рабочая частота f=9,38 ГГц. Зная переходное ослабление и погрешность измерения КСВ можно определить направленность. Таким образом были получены следующие значения направленностей: Dэфф=38,1 дБ и Dсоб=80 дБ.

Произведем расчет конструкции НО:

1.  Выбираем значения частот f1=8,2ГГц и f2=12,5ГГц, находящиеся на границах рабочей полосы НО. По ним и по рабочей частоте fраб=9,38 ГГц рассчитываем значения длин волн:

λ=с/f, (8.8)

где с=3·108 м/с.

λ1=3·108/(8,2·109)=36 мм,

λ2=3·108/(12,5·109)=24 мм,

λраб=3·108/(9,38·109)=32 мм.

2.  Определим соответствующие значения длин волн в волноводе:

λв=λ/√1-(λ/2·а)2, (8.9)

λв1=36/√1-(36/2·23)2=60,4 (мм),

λв2=24/√1-(24/2·23)2=28,1 (мм),

λвраб=32/√1-(32/2·23)2=58,2 (мм).

Таким образом λвср равна:

λвср=2·λв1·λв2/(λв1+λв2),

λвср=2·60,4·28,1/(60,4+28,1)=38,38 (мм).

3.  Определим расстояние между центрами отверстий связи:

l=λвср/4, (8.10)

l=38,38/4=9,6 (мм).

4.  По рассчитанной минимальной собственной направленности НО определяется количество отверстий связи:

N≥-Dmin/(20·lg(cos(2·π·l/ λвраб))+1, (8.11)

N≥-80/(20·lg(cos(2·π·9,6/32))+1=6 шт.

5.  Далее определяется коэффициент передачи в прямом направлении:

K∑+=10-C/20, (8.12)

K∑+=10-20/20=0,1.

Коэффициент передачи для первого отверстия:

K1= K∑+/2N-1, (8.13)

K1=0,1/26-1=3,125·10-3.

Коэффициент передачи остальных отверстий:

Ki=(N-1)!·K1/((i-1)! ·(N-i)!), (8.14)

K2=(6-1)!·3,125·10-3/((2-1)! ·(6-2)!)=1,563·10-2,

K3=(6-1)!· 3,125·10-3/((3-1)! ·(6-3)!)=3,125·10-2,

K4=(6-1)!· 3,125·10-3/((4-1)! ·(6-4)!)=3,125·10-2,

K5=(6-1)!·3,125·10-3/((5-1)! ·(6-5)!)=1,563·10-2.

Таким образом, наибольшее значение Kmax=3,125·10-2.

6.  Диаметры отверстий определяются из формулы:

K±=(π∙d3λв/12a3b) ∙Фм, (8.15)

где Фм = [1+Pm∙th(2∙t∙qm/d)]-1-[1+Pm∙cth(2∙t∙qm/d)]-1/, (8.16)

где    Pm=1,729,

qm=0,92.

Таким образом, диаметры отверстий равны:

d1 = d6 = 3,30 мм,

d2 = d5 = 4,40 мм,

d3 = d4 = 6,30 мм.

8.4 Резонансный вентиль

радиоволновой диэлектрический волноводный

В прямоугольном волноводе, работающем на волне Н10, существуют две продольные плоскости х = const (рис. 8.4.1), параллельные узкой стенке волновода, где магнитное поле имеет круговую поляризацию. Эти плоскости находятся на расстоянии  от узких стенок волновода.

Направление вращения вектора Н в каждом из указанных продольных сечений взаимно противоположно и зависит от направления движения волны по волноводу. Поместим в волноводе в одной из двух указанных плоскостей ферритовую пластинку, намагниченную перпендикулярно широкой стенке волновода (рис. 8.6). Если напряжённость постоянного магнитного поля выбрать равной или близкой к величине Нрез, то феррит поглощает мощность волны, создающей правополяризованное высокочастотное магнитное поле. Волна, распространяющаяся вдоль волновода в противоположном направлении (прямая волна, рис. 8.8), испытывает малое затухание. Серийно выпускаемые ферритовые вентили обеспечивают в полосе частот 10…15 % f0 затухание в прямом направлении не более 0,5 дБ, затухание в обратном направлении 20 дБ и имеют Kcт = 1,08…1,1 ( Kcт – коэффициент стоячей волны).

Рисунок 8.6 – Рассмотрение областей с круговой поляризацией магнитного поля волныН10 в различных сечениях прямоугольного волновода

Рисунок 8.7 – Эскиз конструкции резонансного вентиля

Рисунок 8.8 – Вентиль со смещением поля:

а – эскиз конструкции; б – распределение напряжённости электрического поля

8.5 Модулирующий отражатель

Модулирующий отражатель представляет собой прямоугольный волновод с поперечными размерами (а=23 мм и b=10 мм), открытый конец которого плотно примыкает к исследуемому диэлектрическому образцу. Фазовая модуляция отраженной электромагнитной волны осуществляется с помощью металлической диафрагмы и модулирующего диода (p-i-n диода), встроенных в волновод. Другой конец волновода согласован на нагрузку (поглотитель).

8.5.1 Переключательный диод

Переключательный полупроводниковый диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Принцип действия переключательного диода основан на большом различии полного сопротивления СВЧ сигналу при прямом постоянном токе через диод и при обратном постоянном напряжении на диоде. Именно поэтому СВЧ тракт (волноводная, коаксиальная или полосковая линия), следующий за переключательным устройством с диодом, может быть либо открыт, либо закрыт для СВЧ сигнала. Например, в радиолокационных станциях с фазированными решетками, содержащими тысячи идентичных антенных элементов, переключательные диоды должны обеспечить подачу мощного СВЧ импульса на каждый элемент в определенные моменты времени. При этом мощные импульсы передатчика не должны попадать в канал чувствительного приемника.

Отсюда ясны основные требования к переключательным СВЧ диодам. Они должны с минимальными потерями пропускать СВЧ мощность в состоянии пропускания и не пропускать — в состоянии запирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большим пробивным напряжением, малой собственной емкостью и достаточно большой скоростью переключения.

Обобщенным параметром переключательного диода является критическая частота fкp, которая характеризует эффективность переключательного диода и определяется по формуле:

 (8.17)

где Сстр — емкость структуры; rпр — прямое сопротивление потерь (активная составляющая полного сопротивления диода) при определенном прямом токе смещения; rобр — обратное сопротивление потерь при определенном обратном напряжении смещения.

Для увеличения допустимой мощности рассеяния диода необходимо увеличивать площадь выпрямляющего электрического перехода, что влечет за собой увеличение барьерной емкости. Поэтому большинство переключательных СВЧ диодов имеет p-i-n-структуру, толщина p-n-перехода которой существенно увеличена из-за наличия между р- и n- областями слоя высокоомного полупроводника с собственной электропроводностью (рис. 8.9).

Практически p-i-n-структуру для переключательных СВЧ диодов формируют на исходном кристалле кремния с проводимостью, близкой к собственной, т. е. либо с небольшой концентрацией акцепторов (π-слой), либо с небольшой концентраций доноров (ν-слой). Энергетическая диаграмма, распределение примесей, плотность объемного заряда и электрического поля в p-i-n- и p-π-n-структурах показаны на рисунке 8.9. Методы формирования этих структур различны: вплавление и диффузия примесей, эпитаксиальное наращивание, ионное легирование.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7