Основные элементы и узлы линий передачи. Вращающиеся сочленения

1. Назначение вращающихся сочленений состоит в обеспечении невозмущенной передачи электромагнитной энергии (без модуляции за счет вращения) при непрерывном круговом вращении одной части фидерного тракта относительно другой. Вполне естественно поэтому, что во вращающихся сочленениях используются в основном круглые волноводы и коаксиальные линии с типами волн, поля которых имеют осевую симметрию относительно продольной оси волновода (Е^O₀₁, Н₀₁, ТЕМ и др.)

2. Коаксиальные вращающиеся сочленения изготавливаются из отрезков жестких коаксиальных линий.

Разработаны два основных типа коаксиальных вращающихся сочленений:

1) контактное, которое применяется при малых скоростях вращения и низких уровнях мощности в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах радиоволн, а также в подвижных соединениях (с малым углом поворота) жестких коаксиальных линий передачи;

2) бесконтактное (дроссельное), применяющееся при больших скоростях враще­ния и всех уровнях мощности в дециметровом и сантиметровом диапазонах.

3. Бесконтактные (дроссельные) коаксиальные вращающиеся сочленения. Один из вариантов бесконтактного вращающегося сочленения показан на рис. 18.31. Принцип работы этого сочленения такой же, как у дроссельного фланца (см. п. 3 § 18.4); электрическое короткое замыкание в кольцевых разрывах внешнего и внутреннего про­водов коаксиальной линии (сечение А) получается трансформацией четвертьволновыми коаксиальными отрезками 1, 2 и 1', 2' гальванического замыкания в сечениях Б а В. Надежность трущихся контактов 3 при этом не играет существенной рели, в частно­сти в этих местах вообще может не быть гальванического контакта.

Необходимость в отрезках линий длиной четверть волны ограничивает примене­ние дроссельных сочленений диапазоном дециметровых и сантиметровых волн и, кро­ме того, обусловливает малую ширину полосы пропускания сочленения. Следует иметь в виду, что наличие дросселей, особенно во внутреннем проводе, приводит к уменьше­нию максимально возможной передаваемой мощности.

4. Вращающиеся волноводные сочленения с симметричными волнами должны содержать переход от прямоугольного волновода с волной типа Н₁₀ к круглому с сим­метричной волной, переход от круглого волновода снова к прямоугольному и устрой­ство, которое обеспечивает вращение одной части круглого волновода относительно другой вез нарушения условий распространения симметричных волн в круглом волно­воде.

Волна типа Е₀₁ в круглом волноводе создает интенсивные продольные поверхно­стные токи. Поэтому в сочленениях с волной типа Е₀₁ требуются дроссельные соеди­нения.

Для вращающихся сочленений с волной типа Н₀₁ в дроссельных секциях нет не­обходимости, так как этот тип волн не создает в волноводе продольных поверхностных токов.

5. Вращающееся волноводное сочленение с волной типа Е^O₀₁ показанона рис. 18.32 в продольном сечении. В нем используются трансформаторы волн Н₁₀ Е^O

₀₁ с шлейфовыми фильтрами для волны типа Н^O_11.

В местах перехода от круглого волновода к прямоугольному возникают отраже­ния как волны типа E₀₁, так и оставшейся неотфильтрованной волны типы Н₁₁. Если расстояние L между переходами кратно целому числу половин длины волны в волно­воде для волны типа E₀₁ или Н₁₁, то для волны соответствующего типа вращающееся сочленение будет являться настроенным объемным резонатором. Резонанс во враща­ющемся сочленении вреден, так как полоса пропускания резонансной системы мала, однако при резонансе условия передачи электромагнитной энергии несколько улучша­ются. Поэтому резонанс для волны типа Е₀₁ не является столь опасным как для волны типа Н₁₁. При резонансе вращающегося сочленения для волны типа Н₁₁ получается усиление этого типа колебаний и паразитная модуляция при вращении может оказать­ся ярко выраженной несмотря на то, что переход к волне Е₀₁ сам по себе обеспечивает достаточно хорошую фильтрацию волны типа Н₁₁.

Таким образом, длина сочленения L не может быть произвольной и должна быть, во первых, кратна целому числу полуволн в волноводе для волны типа Е₀₁

,n = 1, 2, 3, ...,

и, во-вторых, по возможности точнее удовлетворять условию кратности нечетному чис­лу четвертей длины волны для волны типа Н₁₁

, n=l, 2, 3, ...,

которое обеспечивает гашение волны типа Н₁₁.

Чем меньше длина сочленения, тем менее ярко выражены его резонансные свойст­ва и тем шире полоса пропускаемых частот. Однако слишком малое расстояние между входным и выходным прямоугольными волноводами приведет к непосредственной связи между ними. При вращении связь будет изменяться и условие независимости передачи электромагнитной энергии от угла поворота нарушится. Установлено, что для устране­ния непосредственной связи расстояние L должно быть не менее (1-2) .

Рис. 18.33. Коаксиально-волноводное вращающееся сочленение.

Для обеспечения вращения одной части сочленения относительно другой круглый волновод разрезается перпендикулярно оси. Короткое замыкание в месте разреза для продольных токов осуществляется с помощью дроссельного соединения, которое действует точно так же, как дроссельное соединение на наружном проводе коаксиальной линии в коаксиальном вращающемся сочленении (см. п. 3).

6. Коаксиально-волноводное вращающееся сочленение состоит из двух переходом от волновода к коаксиальной линии и коаксиальной линии между ними. Вращающееся соединение осуществляется в коаксиальной линии. Размеры коаксиальной линии под­бираются так, чтобы в ней могла распространяться только основная волна типа ТЕМ.

Рис. 18.34. Вращающееся сочленение с волной круговой поляризации.

На рис. 18.33 показана конструкция компактного коаксиально-волноводного вра­щающегося сочленения, использующего, с одной стороны, зондовый переход, а с другой - переход с Т-образным вибратором. В этой конструкции дроссельная секция необходима лишь для внешнего провода коаксиальной линии. Шарик на конце зонда служит как для расширения полосы пропускания, так и для увеличения пропускаемой мощности.

7. Вращающееся сочленение с волной круговой поляризации имеет то достоинство, что в нем не возникает проблемы подавления воли низших типов Бла­годаря осевой симметрии круглого волновода поле круговой поляризации в нем не изменяется при вращении волновода вокруг продольной оси.

На рис. 18.34 показана схема одного из широкополосных вращающихся сочлене­ний с круговой поляризацией. Сочленение состоит из двух одинаковых секций, соединенных бесконтактным вращающимся сочленением 5. Каждая секция включает прямо­угольный волновод 1 (9) с волной типа H₁₀, плавный переход 2 (8) к круглому волно­воду с волной типа Н₁₁ и секцию дифференциального фазового сдвига, состоящую из круглого волновода 3 (6) и тонкой диэлектрической пластинки 4 (7).

На выходе плавного перехода 2 получается волна типа Н₁₁, диаметральный век­тор которой имеет такую же поляризацию, как и в прямоугольном волноводе. Диэлек­трическая пластинка наклонена к этому вектору (и к плоскости широкой стенки пря­моугольного волновода 1) под углом 45^о.

Поле волны типа Н₁₁ можно представить как сумму двух взаимно перпендикуляр­ных синфазных полей волн типа Н₁₁ с вектором Е, перпендикулярным пластинке, и вектором Е_||, параллельным пластинке. Поле с вектором Е_|| распространяется с не­сколько меньшей фазовой скоростью, чем поле с вектором Е, из-за того, что плас­тинка по отношению к волне с вектором Е_|| находится в максимуме электрического поля. Дифференциальный (разностный) сдвиг фаз этих волн зависит от длины и тол­щины пластинки и от материала, из которого она сделана. На выходе поляризатора дифференциальный фазовый сдвиг должен быть равен p/2 для получения круговой поляризации. Подбором толщины и материала пластинки можно добиться, что такой сдвиг получится при длине пластинки в полволны. Отражения от концов пластинки при этом компенсируются. Клиновидный скос пластинок уменьшает уровень отражений от концов, что способствует расширению полосы пропускания по согласованию.

При указанном на рис. 18.34 расположении пластинки и распространении электро­магнитных волн слева направо линейная поляризация преобразуется в круговую пра­вого вращения. Действительно, поле вращается в сторону отстающей по фазе компо­ненты, которой является в этом случае Е_||.

Полученное поле круговой поляризации без искажений проходит по отрезку круг­лого волновода с дроссельным вращающимся соединением на вход поляризатора 6 с пластинкой 7. Эта пластинка также повернута на 45^о относительно плоскости широ­кой стенки волновода 9, только в другую сторону по сравнению с относительным по­воротом пластинки 4 и волновода 1.

При любом угле поворота правой секции сочленения относительно левой поле вра­щающейся поляризации, набегающее слева, можно представить в виде суперпозиции полей с электрическим вектором Е'_||, параллельным пластине 7, и E', перпендику­лярным ей. Эти поля распространяются вправо с разной фазовой скоростью.

Пластинка 7 точно такая же, как и пластинка 4. Поэтому поле с вектором Е'_|| задерживается по фазе на p/2 относительно поля с вектором Е'. Так как на входе пластинки 7 поле имеет поляризацию правого вращения, то опережающей составляющей на входе будет Е'_­||. Будучи задержанной пластинкой по фазе на p/2 относительно составляющей Е', она на выходе пластинки будет иметь такую же фазу, что и Е'. Эти две синфазные составляющие образуют вместе поле Н^O₁₁ линейной поляриза­ции с диаметральным вектором, перпендикулярным широкой стенке прямоугольного вол­новода. Плавным переходом 8 волна типа Н^O₁₁ переводится в волну типа Н₁₁

Таким образом, при любом относительном положении левой и правой секций элек­тромагнитная энергия из левого прямоугольного волновода полностью (если не считать потерь в диэлектрике пластин и в металле) переходит в прямоугольный волновод пра­вой секции. Точно так же будет при передаче справа налево.

Можно показать, что если принять разность фаз колебаний на выходе волновода 9 и на входе волновода 1 при положении пластин, изображенном на рис. 18.34, за нуль, то при повороте одной части сочленения относительно другой на угол a(в про­странстве) эта разность фаз изменяется на величину 2a.

8. Вращающееся сочленение с волной типа Н^O₀₁ обладает тем достоинством, что в месте разреза круглого волновода (для обеспечения вращения) нет необходимости ус­танавливать дроссельное вращающееся соединение, поскольку волна типа Н^O₀₁ не создает на стенках волновода продольных токов. Однако сложной задачей является обеспечение чистоты волны типа Н^O₀₁ при ее возбуждении. Поэтому такие вращающиеся сочленения применяются в основном там, где требуется широкая полоса пропускания.