Основные элементы и узлы линий передачи. Фазирующие и поляризационные устройства

1. Функции, выполняемые фазирующими устройствами в линиях передачи, заключаются в следующем:

- плавное или дискретное изменение фазы колебании в одном сечении линии передачи относительно фазы колебаний в другом сечении этой же линии или в одном канале фидерного узла относительно фазы колебаний в другом канале узла; устройства, выполняющие эту функцию, называются фазовращателями;

- создание фиксированного или изменяемого дифференциального (разностного) сдвига фаз колебаний, распространяющихся по линии передачи в противоположных направлениях;

- создание фиксированного или изменяемого дифференциального сдвига фаз колебаний разных типов волн;

- создание фиксированного или изменяемого дифференциального сдвига фаз колебаний разных поляризаций.

Устройства, выполняющие три последние функции, называются секциями дифференциального фазового сдвига.

В ряде случаев фазирующие устройства используются для автоматического ила неавтоматического поддержания заданной разности фаз при изменении внешних условий.

2. Принципы работы фазирующих устройств, используемые в настоящее время, можно свести к двум основным:

- изменение электрической длины отрезка линии передачи Q=2pl/L, где l- геометрическая длина отрезка линии, а L- длина волны колебании в этом отрезке;

- включение в линию передачи сосредоточенной реактивности (в общем случае - изменяемой).

Применительно к волноводам выражение для электрической длины имеет вид

,(18.10)

где l_кр- критическая длина волны волновода, зависящая от типа волны и поперечного размера волновода; l₀- длина волны в свободном пространстве и l-длина волны в неограниченной среде, имеющей такие же параметры e_r и m_r, что и среда, заполняющая волновод. Если волновод в поперечном сечении заполнен диэлектриком или магнитным материалом частично, то e_r и m_r есть эффективные проницаемости, т.е. проницаемости некоторой среды, сплошь заполняющей волновод и обеспечивающей такую же фазовую скорость, как реальная среда при частичном заполнении.

Из выражения (18.10) видно, что при неизменной частоте колебаний (l₀=const) электрическую длину отрезка линии можно изменять изменением его геометрической длины l, изменением критической длины волны l_кр (за счет изменения размеров поперечного сечения), изменением эффективных значений диэлектрической e_r и магнитной m_r проницаемостей за счет введения в волновод диэлектрической или napa-либо диамагнитной пластинок. Фазовращатели, основанные на этих принципах, называются механическими.

Управление электрической длиной можно осуществлять также изменением эффективных проницаемостей e_r и m_r за счет приложения внешних постоянных (медленно меняющихся) электрических или магнитных полей к расположенным внутри волновода пластинкам, электрические параметры которых зависят от величины и направления приложенных внешних полей. Фазовращатели, использующие управление такого типа, называются электрическими.

К электрическому способу управления фазой относится также управление за счет изменения длины волны l₀ (рабочей частоты) колебаний.

Механические фазовращатели имеют большую точность установки фазы и малую ее зависимость от внешних условий по сравнению с электрическими. Достоинством электрических фазовращателей является возможность получения высоких скоростей изменения фазы - до нескольких десятков мегагерц (вместо сотен герц для механических фазовращателей).

3. Механические фазовращатели «тромбонного» типа реализуются в виде отрезка волновода переменной длины (рис. 18.35). Если l - максимальная длина хода подвижной части, то наибольшее изменение фазы определится величиной 2 l, которую и нужно подставить в формулу (18.10) вместо l.

Рис. 18.35. Механический фазо- Рис. 18.36. Сжимная волновод-

вращатель «тромбонного» типа: ная секция.

1 - неподвижные секции волноводного тракта;

2 - подвижная секция; 3 - скользящие контакты.

Фазовращатели «тромбонного» типа находят широкое применение и в коаксиальных линиях.

4. Сжимная секция прямоугольного волновода с волной типа H₁₀ показана на рис. 18.36. На участке волновода длиной l по средней линии обеих широких стенок прорезаются продольные щели шириной d. Это дает возможность приложением внешних сил Р к узким стенкам волновода в середине выбранного участка сжимать волновод. При снятии сжимающей силы волновод выпрямляется силами упругости материала стенок волновода. Для обеспечения заметного сдвига фазы при приемлемых значениях длины секции продольные щели приходится делать достаточно широкими. При этом излучение щелей становится заметным. Для предотвращения излучения из щелей, а также в целях герметизации волноводного тракта щели обычно запаивают гибкими пластинками, которые в поперечном сечении имеют вид одной полуволны гофра (на рисунке не показано).

При отсутствии сжимающей силы волновод на всей длине секции имеет одинаковую ширину a₀. При полном сжатии ширина волновода изменяется от a₀ у краев щели до a₀-d в середине. Для расчетов вводят понятие эффективной ширины волновода a_э. Это есть ширина одинаково по всей длине сжатой секции, которая обеспечивает такой же фазовый сдвиг, что и неравномерно сжатая секция. Обычно а_эмин на 20-30% больше а₀-d.

Максимальный фазовый сдвиг y_макс, который может обеспечить сжимная секция, рассчитывается с помощью выражения (18.10), в котором нужно положить e_r=1,m_r=1 (волновод заполнен воздухом), l₀=l и l_кр=2а.

Электрическая длина несжатой секции равна

,

а полностью сжатой секции

,

Максимальный фазовый сдвиг равен

.(18.11)

При сжимании волновода величина y принимает отрицательные значения. Это означает, что при сжатии секция обеспечивает получение опережающего сдвига фазы.

5. Механический фазовращатель с диэлектрической пластинкой показан на рис. 18.37. Пластинка 2 из материала с e_r>1 и с малыми потерями с помощью керамических стержней 3 может перемещаться от стенки волновода с волной типа Н₁₀ до его середины. Когда пластинка находится у стенки волновода, она практически не влияет на распространение электромагнитных волн в волноводе. Если поместить пластинку в середине волновода, то она окажется в пучности электрического поля, заметно увеличивая его индукцию (уменьшая напряженность). Это эквивалентно тому, что как будто бы волновод на участке с пластиной оказался заполненным сплошной средой с некоторой эффективной диэлектрической проницаемостью e_rэ>1, причем e_r>e_rэ. Величина e_rэ при перемещении пластинки от стенки к середине волновода изменяется от единицы до некоторой максимальной величины, что, как видно из выражения (18.10), приводит к плавному увеличению электрической длины.

Рис. 18.37. Механический фазовращатель с диэлектрической пластинкой:

1 - волновод; 2 - диэлектрическая пластинка; 3 - керамический стержень.

Для улучшения согласования длина пластинки выбирается примерно кратной целому числу половин длины волны в волноводе, а края ее скашиваются на клин.

6. Фазовращатели электрического типа конструируют, размещая в волноводе СВЧ ферриты, подмагничиваемые внешним постоянным магнитным полем. Применяется как продольное, так и поперечное подмагничивающее поле (см. § 18.2). При изменении величины внешнего подмагничивающего поля изменяется магнитная проницаемость m_r феррита, что, как видно из выражения (18.10), ведет к изменению электрической длины участка волновода, в котором размещен феррит.

7. Секции дифференциального фазового сдвига для волн противоположного направления распространения используют обычно эффект необратимого фазового сдвига в продольно- или поперечно-намагниченных ферритах (см. п. 5 § 18.2). Необратимый фазовый сдвиг будет иметь место только в том случае, если на участке волновода, где расположен феррит, возбуждаются волны круговой поляризации, направление вращения которых вокруг оси, совпадающей с направлением подмагничивающего поля, изменяется при изменении направления распространения электромагнитных волн. В поперечно-намагниченных ферритах, используемых в прямоугольных волноводах, это достигается правильным размещением пластинки относительно узких стенок волновода. Продольно-намагниченные ферриты должны быть расположены вдоль оси круглого или квадратного волноводов, в которых возбуждается поле круговой поляризации. Поле круговой поляризации создается с помощью специальных поляризационных устройств, одно из которых было рассмотрено в § 18.5, п. 7.

Для расчета дифференциального фазового сдвига Dy предположим, что длина отрезка волновода с ферритом равна l и что при распространении волны слева направо в феррите возбуждается волна круговой поляризации левого вращения, при которой участок волновода с ферритом будет иметь некоторую эффективную магнитную проницаемость m_r- и электрическую длину ; при распространении справа налево эффективная магнитная проницаемость будет равна m_r+, а электрическая длина . При этом с помощью выражения (18.10) получим

.(18.12)

Часто секции такого типа применяются для получения фиксированного дифференциального фазового сдвига, например p/2 или p. В этих случаях для создания внешнего магнитного поля вместо соленоида можно использовать компактный постоянный магнит.

8. Секции дифференциального фазового сдвига для волн перпендикулярной поляризации основаны обычно на применении вставок в волноводе, избирательно влияющих на скорость распространения электромагнитных волн, электрическое поле которых параллельно (Е_||) или перпендикулярно (E_^,) вставкам (обычно -пластинкам). Пример конструктивного выполнения и применения такой секции уже был рассмотрен в § 18 5, п. 7 применительно к волне типа Н^O₁₁.

Эскиз секции дифференциального фазового сдвига для волн типа H₁₀ и Н₀₁ в квадратном волноводе показан на рис. 18.28. Здесь используется тонкая диэлектрическая пластинка 4 с e_r >1 и с внутренними скосами для улучшения согласования. Для волны типа H₁₀ пластинка параллельна электрическому вектору и находится в пучности электрического поля. При этом эффективное значение e_rэ>1. Для волны типа Н₀₁ пластинка перпендикулярна силовым линиям электрического поля и благодаря малой толщине почти не влияет на фазовую скорость этой волны. Таким образом, для волны типа H₀₁e_rэ»1. За счет разности в e_rэ для волн типа Н₁₀ и Н₀₁ и создается дифференциальный фазовый сдвиг.

Рис. 18.38. Секции дифференциального фазового сдвига для волн перпендикулярной поляризации в круглом волноводе:

1 - волновод с волной типа Н₁₁, 2 - металлические вставки;

3 - металлические штыри.

В последнее время в секциях дифференциального фазового сдвига все шире стали применяться металлические вставки и штыри, которые обеспечивают меньшие потери и большую пропускаемую мощность, чем диэлектрические. Их недостатком является сложность изготовления и настройки.

На рис. 18.38 показаны эскизы секций с металлической вставкой (рис. 18.38,а) и со штырями (рис. 18.38,б - для Dy=p/2 и рис. 18.38,e - для Dy=p) применительно к круглому волноводу с волной типа Н₁₁. Аналогичные устройства могут быть использованы и в секциях с квадратным волноводом.

Продольные металлические вставки в случае, когда их плоскость параллельна электрическому вектору (рис. 18.38,д), увеличивают критическую длину волны волновода так же, как продольные гребни в П- и Н-волноводах. При перпендикулярной поляризации электрического вектора (рис. 18.38,г) критическая длина волны изменяется очень мало и тем меньше, чем тоньше вставки. Как видно из выражения (18.10), разность в критических длинах волн позволяет получить дифференциальный фазовый сдвиг Dy=Q_||-Q_^.

Для улучшения согласования на концах вставок делаются ступеньки или клиновидные скосы.

Металлические штыри, поставленные по диаметру круглого волновода с волной типа H₁₁, при параллельной поляризации электрического вектора, являются сосредоточенной реактивностью с индуктивным сопротивлением, благодаря чему электромагнитное поле в сечении волновода, где расположен штырь, получает опережение по фазе. Для улучшения согласования обычно ставят несколько стержней, отражения от которых компенсируют друг друга. Кроме того, увеличение числа штырей диктуется и необходимостью получения больших фазовых сдвигов, так как один штырь создает фазовый сдвиг не более 50-60°. На распространение волн перпендикулярной поляризации штыри практически не оказывают никакого влияния,

Дифференциальный фазовый сдвиг для волн перпендикулярной поляризации может быть получен и в волноводах без вставок. Например, если прямоугольный волновод с разными размерами сторон поперечного сечения а и b допускает распространение волн типа H₁₀ и H₀₁ (см. рис. 18.27), то в отрезке такого волновода длиной l можно получить дифференциальный фазовый сдвиг

.(18.1З)

9. Поляризационные устройства используются для преобразования волн линейной поляризации в эллиптически поляризованные волны, и наоборот. Они делятся на механические и электрические, причем в последних используются в основном ферриты.

В волноводной технике применяются поляризационные устройства, преобразующие волну линейной поляризации типа H₁₀ в прямоугольном волноводе в волну круговой поляризации типа Н₁₁ в круглом или прямоугольном волноводе.

Они содержат трансформаторы волн Н1₁₁-Н^O₁₁ или Н1₁₀-Н1₁₁ (см. § 18.4, пп. 11 и 13 соответственно) и секцию дифференциального фазового сдвига для волн перпендикулярной поляризации. Трансформатор волн Н1₁₀-Н^O₁₁ располагается по отношению к круглому волноводу таким образом, чтобы диаметральный электрический вектор волны типа Н^O₁₁ составлял угол примерно 45° по отношению к плоскости, в которой расположена пластина или другая замедляющая структура (см. рис. 18.34), с тем, чтобы полученные в результате расщепления секцией взаимно перпендикулярные волны типа Н^O₁₁ имели примерно равные амплитуды.

Для получения волн круговой поляризации секция дифференциального фазового сдвига должна обеспечить сдвиг по фазе Dy=p/2. Необходимые для этого параметры секции могут быть найдены с помощью уравнения

Dy = Q_||-Q_^ = p/2,

где Q_|| и Q_^ определяются выражением (18.10).

Фазовый сдвиг p/2 можно получить с помощью штыревой секции, содержащей всего два штыря, расположенные на расстоянии примерно L/4 друг от друга (рис. 18.38,б).

10. Выше были рассмотрены фазирующие и поляризационные устройства простейших типов. На практике, однако, применяются и гораздо более сложные устройства для выполнения тех же функций, но с лучшими характеристиками - повышенной точностью, большей полосой пропускания, удобством управления фазой или поляризацией и т.п.

К таким сложным устройствам относится фазовращатель, использующий вращающееся сочленение с круговой поляризацией волны типа Н^O₁₁. В § 18.5, п. 7 было указано, что при повороте одной части сочленения относительно другой на угол a фаза колебаний на выходе сочленения изменяется на 2a. Недостатком этого сочленения как фазовращателя является необходимость вращения одного прямоугольного волновода относительно другого.

11. Фазовращатель Фокса (рис. 18.39) также основан на том, что фазовый сдвиг получается вращением одного участка линии передачи относительно другого. Элементы 1-4 слева и 6-9 справа неподвижны друг относительно друга и являются поляризационными устройствами, преобразующими поле линейной поляризации волны типа Н1₁₀ в поле круговой поляризации Н^O₁₁ и обратно, такими же, как во вращающемся сочленении, изображенном на рис. 18.34. В фазовращателе Фокса фазосдвигающие пластины 4 и 7 параллельны друг другу. Между поляризационными устройствами находится вращающаяся вокруг оси секция 10 дифференциального фазового сдвига на p (называемая D180°), представляющая собой круглый волновод с волной типа Н₁₁. В разрывах 5 к 12 круглого волновода должны быть установлены вращающиеся соединения дроссельного тира. Фазосдвигающие элементы 4, 7 я 11 могут быть любого типа - металлические или диэлектрические пластинки, штыри и т.п. Конструкция секции D180°, использующая штыри, изображена на рис. 18.38.в.

Рис. 18.39. Фазовращатель Фокса.

Рассмотрим принцип действия фазовращателя, считая, что электромагнитные волны распространяются слева направо. Волны линейной поляризации в сечениях I и II секцией 3 преобразуются в волны типа Н^O₁ круговой поляризации правого вращения. Секция 10 изменяет направление вращения волн круговой поляризации на обратное, а секция 6 преобразует эти волны в волны линейной поляризации(Н^O₁₁- в сечении V и Н1₁₀- в сечении VI).

Фазовый сдвиг колебаний в сечении VI (Е^VI) относительно фазы колебаний в сечении I (Е^I) зависит от углового положения пластины 11 относительно неподвижных координатных осей в поперечном сечении (х или у). Для того чтобы убедиться в этом, рассмотрим два положения пластины 11 параллельное пластинам 4 и 7 (случай А) и перпендикулярное им (случай Б). Одинаковый для всех волн фазовый сдвиг при прохождении волн от сечения I до сечения VI при отсутствии пластин в волноводах учитывать не будем, т.е. будем учитывать только дифференциальные фазовые сдвиги.

Волна типа Н^O₁₁ вертикальной поляризации в сечении II расщепляется пластиной 4 на две взаимно перпендикулярные волны с равными амплитудами Е^II_||=E^II_^и с одинаковыми фазами. В случае А волна Е_^, не получает дополнительного фазового сдвига при прохождении секции с пластинами, поэтому Е^V_^=Е^II_^. Волна Е_|| получает запаздывание по фазе, в сумме равное З60°. В результате Е^V_||=Е^II_||. Таким образом, полученные в результате расщепления поля в сечении V складываются в фазе, образуя поле линейной поляризации волны типа Н^O₁₁ с амплитудой Е^V. Это поле плавным переходом 8 преобразуется в поле волны типа H1₁₀ с амплитудой E^VI и с фазой, такой же, как в сечении I.

В случае Б обе составляющие Е_|| и Е_^, получают одинаковую задержку по фазе, равную 180°. При этом в сечении V образуется поле линейной поляризации, вектор Е^V которого направлен по оси у. Это поле переходит затем в поле волны типа Н1₁₀, которое в сечении VI имеет амплитуду E^VI и фазу, отличающуюся на 180° от фазы колебаний в сечении I. Таким образом, вращение секции 10 не влияет на амплитуду колебаний на выходе, но изменяет фазу на величину 2a при повороте секции на угол a. Вращение секции 10 с угловой скоростью ±W приводит к изменению частоты колебаний проходящих волн на величину ±2W.

Фазовращатель Фокса является высокоточным фазирующим устройством и поэтому широко применяется в различных измерительных приборах.

12. Электрические фазовращатели на полупроводниковых диодах применяются в тех случаях, когда требуются большие скорости изменения фазы Чаще всего используются диоды с р-n и p-i-n полупроводниковой структурой. Так как диоды имеют большой разброс параметров, особенно динамических характеристик, то перспективно их использование в ключевых режимах («открыт-закрыт»), т.е. для дискретного управления фазой. Они удобны в работе с цифровыми управляющими машинами Находят применение, однако, и диодные фазовращатели с непрерывным управлением фазой.

Рис. 18.40. Полупроводниковый диод в волноводе и его эквивалентные схемы на СВЧ: Д_р, С_б- элементы высокочастотной блокировки; С_п- емкость патрона и элементов крепления диода; L - индуктивность ввода диода, R_пр- сопротивление диода; R_д- сопротивление базы диода; С_д- емкость р-n перехода.

В волноводах обычно применяется параллельное включение диодов, как показано схематически на рис. 18.40,а. Эквивалентная схема диода в волноводе показана на рис. 18.40,б. Согласно этой схеме диод является сосредоточенной неоднородностью, вносящей в волновод параллельно включенное комплексное сопротивление , которое изменяется с изменением управляющего напряжения. Рассмотрим работу диода р-n структуры.

Сопротивление базы диода R_д как в открытом, так и в закрытом состоянии много больше реактивного сопротивления емкости диода 1/wС_д, поэтому его можно не учитывать при анализе работы схемы.

При подаче на диод смещения в направлении пропускания (U_упр> 0) емкость С⁺_д становится большой, так что величина 1/wС_д»0, а сопротивление R⁺_пр имеет малую величину. Эквивалентная схема для этого случая изображена на рис. 18.40,в. Величины L, и С_п подбирают таким образом, чтобы на рабочей частоте образовавшийся параллельный контур был настроен в резонанс. Эквивалентное сопротивление этого контура R_э»l/w²C²_пR⁺_пр, очень велико и будучи подключенным к волноводу параллельно незначительно влияет на распространение электромагнитных волн. Таким образом, подача небольшого положительного смещения на диод (доли и единицы вольт) соответствует режиму «пропускания».

При подаче управляющего напряжения в направлении запирания диода реактивное сопротивление емкости С^-_д становится соизмеримым с сопротивлением других элементов, а прямое сопротивление почти не меняется (R^-_пр»R⁺_пр). При запирании диода могут реализоваться три режима работы.

I. Режим «запирания» (выключения) волновода. Для осуществления этого режима диод включается так, чтобы на рабочей растете элементы L и С^-_д образовали последовательный резонансный контур (рис. 18.40,г). При этом волновод шунтируется очень малым сопротивлением R^-_пр. Режим «запирания» волновода диодом применяется как в различных коммутационных устройствах, так и в дискретных фазовращателях, использующих короткозамкнутые отрезки волноводов (фазовращатели отражательного типа).

II. Режим непрерывного изменения фазы. Величины L и С_п подбираются так, чтобы их реактивности взаимно компенсировались. При этом эквивалентная схема диода будет иметь вид, изображенный на рис. 18.40,г пунктиром. Волновод оказывается нагруженным на комплексное сопротивление с емкостной реактивностью, величину которой можно изменять в некоторых пределах изменением величины запирающего напряжения. Емкостная реактивность вызывает запаздывание по фазе колебаний, проходящих через сечение волновода, где установлен диод. Расчеты и опыт показывают, что с помощью одного диода можно получить задержку по фазе до 45°.

III. Режим фиксированного фазового сдвига «на проходе». Он отличается от предыдущего только тем, что напряжение запирания диода фиксировано, что обеспечивает постоянную величину С^-_д в режиме запирания и соответственно фиксированный фазовый сдвиг проходящих волн.

Для получения даже небольших фазовых сдвигов «на проходе» (менее 45°) нельзя применять один диод, так как он вносит рассогласование и в открытом и в закрытом состояниях. При необходимости получения Dy<45° применяют два диода. Подбирая их расположение вдоль продольной оси (обычно расстояние между ними близко к L/4) и в поперечной плоскости волновода, а также параметры самих диодов, добиваются минимального уровня отражений от фазосдвигающей секции. Иногда для согласования фазосдвигающей секции с волноводом приходится применять ступенчатые трансформаторы. Фазосдвигающая секция при 45°>Dy>90° должна иметь не менее трех диодов, а при 90°<Dy>180° - не менее пяти.

Рис. 18.41. Линейный полупроводниковый фазовращатель:

а - схема соединения диодов; б - знаки напряжений на диодах секций при различных фазовых сдвигах.

При необходимости получения большого фазового сдвига с помощью диодных фазовращателей «проходного» типа применяется каскадное включение в линию нескольких фазовращателей, которые образуют так называемый линейный полупроводниковый фазовращатель.

На рис. 18.41,а показана схема такого фазовращателя для дискретного изменения фазового сдвига от 0 до 360° через 45°. Фазовращатель состоит из трех разных секций: секция 1 в закрытом состоянии (U_I<0) обеспечивает фазовый сдвиг 45°, секция II- 90° и секция III-180°. Режим питания секций, указанный на этом рисунке, обеспечивает суммарный фазовый сдвиг 270°. В таблице рис. 18.41,б показаны режимы питания секций для получения различных фазовых сдвигом через 45°.

Заметим, что если бы для решения этой задачи были применены одинаковые секции с Dy=45°, то число диодов пришлось бы увеличить с 10 до 14.

Диоды p-i-n (или n-i-p-i-n) структуры имеют эквивалентную схему в виде параллельно включенных емкости С и сопротивленияR, причем изменение напряжения смещения почти не влияет на величину емкости С, но в сотни раз изменяет сопротивление R. Поэтому такие диоды используются главным образом в коммутационном режиме.

В заключение отметим, что техника полупроводниковых коммутаторов и фазовращателей находится пока в стадии развития. Основным препятствием в их широком применении является пока довольно высокий уровень потерь и нестабильность параметров при изменении температуры.

В настоящее время разработаны диоды с р-n структурой, обеспечивающие время переключения из одного состояния в другое 10^-8-10^-10 с, однако пропускаемые ими мощности СВЧ колебаний невелики - единицы ватт. Диоды с p-i-n структурой имеют примерно на два порядка больше время переключения, но пропускают гораздо большие мощности - сотни киловатт в импульсном режиме.