Устройства СВЧ и антенны. Техническая электродинамика и устройства СВЧ. Устройства СВЧ: Методические указания к лабораторным работам, страница 2

В лабораторной работе №5 будут приведены подробные теоретические сведения о физических принципах работы вентиля.

Ответвитель 2 и измерительная линия 5 имеют сходные конструкции. Поэтому рассмотрим подробно конструкцию и принцип работы измерительной линии ИЛ (рис. 2).

Рис. 2.

Основными частями измерительной линии ИЛ являются однородная секция волновода 1 прямоугольного сечения (или коаксиальной линии передачи) с продольной щелью 2 в середине широкой стенки волновода 1 и измерительная головка ИГ, которая представляет собой перестраиваемую диодную камеру ДК, соединенную с зондом З. Измерительная головка ИГ может перемещаться вдоль щели 2. Сигнал от нее подается на усилитель 8 и измерительным прибором 9. Обычно в волноводах прямоугольного сечения большей частью стремятся обеспечить распространение только волны основного типа , для которой критическая длина волны , где – размер широкой стенки волновода. На рис. 3 показано распределение поля в поперечном и продольном сечениях волновода, а также картина линий поверхностных токов на внутренних стенках его в некоторый момент времени .

Рис. 3.

Густота силовых линий отражает степень интенсивности поля в данной точке волновода. Фазовая скорость распространения  и длина электромагнитной волны в волноводе  для волны типа  определяются следующими выражениями:

;      ,                       (1)

где –длина волны в свободном пространстве, С–скорость распространения электромагнитной волны, равная , Т–период колебаний генератора.

Из рис. 3 видно, что в середине широких стенок волновода протекает только продольный ток, из чего следует, что продольная узкая щель в середине широкой стенки не будет вносить каких-либо существенных изменений в структуру поля. Кроме того, такая щель не будет излучать электромагнитное поле в свободное пространство из-за отсутствия явления пересечения щели током. Ширина щели 2 определяется условием неприкосновения ее краев с зондом 3 штыревого типа, а длина выбирается равной нескольким длинам полуволны, распространяющейся в линии. При этом с одной стороны зонд 3, переходящий плавно во внутренний проводник вспомогательной коаксиальной линии 4, связан с электромагнитным полем в волноводе с другой – с перестраиваемой диодной камерой резонансного типа ДК со встроенным в нее диодом 5. Настройка камеры ДК осуществляется с помощью подвижного короткозамыкателя 6. Глубина погружения зонда 3 может изменяться. Обычно ее устанавливают минимально возможной с учетом реальной чувствительности измерительного прибора 9 усилителя 8 и минимального влияния на распространение электромагнитного поля в волноводе. Конденсаторы 7 служат для замыкания переменной составляющей выпрямленного диодом 5 тока, что устраняет просачивание в НЧ цепь электромагнитного поля. Электромагнитное поле, возбужденное с помощью зонда 3 во вспомогательной коаксиальной линии 4, отражается от короткозамыкающего поршня 6, в результате чего в ней возникает режим стоячих или смешанных волн, характеризующийся чередованием по длине линии минимального и максимального значений электрического поля. Перемещением поршня 6 сдвигают максимум электрического поля в область, где располагается диод 5, который играет функцию поглотителя электромагнитной энергии, который преобразует ее в колебания низкой частоты НЧ или в постоянный ток, измеряемые соответствующими индикаторами. При перемещении поршня 6 одновременно с изменением положения максимума напряженности электрического поля в линии 4 изменяются активная и реактивная составляющие входного сопротивления штыря 3. Реактивная составляющая обычно компенсируется индуктивным коаксиальным шлейфом, совмещенным с держателем диода 5 (на рис. 3 не показан).

Ответвитель 2 отличается от измерительной линии 5 отсутствием диодной камеры ДК с диодом 5. Вместо нее с помощью разъема подключается коаксиально-волноводный переход 7.

Аттенюатор 4 служит для калиброванного уменьшения СВЧ мощности в определенном отношении. Существуют поглощающие и поляризационные аттенюаторы, в которых избыток мощности поглощается в тепло, а также запредельные аттенюаторы, в которых Гн прошедшая часть мощности волны отражается [2].

Кратко рассмотрим два первых типа аттенюаторов, которые используются в данном цикле лабораторных работ.

Простейший аттенюатор можно получить, если вдоль оси прямоугольного волновода параллельно силовым линиям электрического поля ввести поглощающую пластину с комплексным значением диэлектрической проницаемости  и магнитной проницаемости =1 (рис. 4).

Рис. 4

Поглощающая пластина имеет поверхностное сопротивление несколько сотен Ом на один квадратный сантиметр площади. Для инженерных расчетов как качественные, так и достаточно точные количественные характеристики затухания  могут быть получены из нижеприведенного выражения:

,                                    (2)

где  – относительная диэлектрическая проницаемость; остальные обозначения введены ранее или понятны из рис. 4.

Анализируя выражение (2), можно представить два варианта конструктивного выполнения регулируемого аттенюатора. Изменение ослабления мощности можно осуществить либо перемещением пластины в поперечном направлении (изменяется Х₀), либо изменением h путем постепенного введения пластины через продольную щель в центре широкой стенки волновода (аттенюатор ножевого типа). Для уменьшения отражений пластина должна иметь плавные скосы или согласующие трансформаторы на своих концах. Если поглощающую пластину заменить диэлектрической, то такое устройство будет иметь свойства фазовращателя.

Недостатком поглощающих аттенюаторов является изменение фазового сдвига при изменении величины затухания, которое в свою очередь зависит от длины волны.