Тема 1 Элементы устройств СВЧ

НАГРУЗКИ

 

Устройство, частично или полностью поглощающее подводимую к нему высокочастотную мощность, называется СВЧ-нагрузкой и характеризуется К_ст, фазой коэффициента отражения, рабочим диапазоном частот, допустимой мощностью рассеяния, а также геометрическими размерами, типом и волновым сопротивлением волноводного тракта.

Под рабочим диапазоном частот понимают интервал частот, в котором заданные параметры и характеристики СВЧ-устройств сохраняются в установленных пределах.

Нагрузка СВЧ, у которой К_ст, меньше или равен заданному значению, близкому к единице, называется согласованной.

Нагрузки применяются в качестве эквивалентов антенн, в переключателях и циркуляторах, в балансных смесителях и делителях мощности, в направленных ответвителях, СВЧ-мостах и для многих других целей.

 

ШИРОКОПОЛОСНАЯ СОГЛАСОВАННАЯ НАГРУЗКА

 

Широкополосная согласованная нагрузка это двуплечие устройство СВЧ, предназначенное для согласования нерабочих выходов СВЧ схем. Нагрузка представляет собой резистор R, равный волновому сопротивлению тракта СВЧ Z₀, подключенный одним плечом к концу МПЛ, другим короткозамкнутым на заземленное основание МПЛ. Топология широкополосной согласованной нагрузки показана на рис. 1. Варианты конструкции замыкания резистора на землю могут быть через металлизированное отверстие или через металлизированный торец.

 

Рисунок 1 - Топология широкополосной согласованной нагрузки. Резистор замкнут на

землю через металлизированное отверстие

 

Основной электрической характеристикой согласованной нагрузки является частотная характеристика КСВ.

К согласованной нагрузке предъявляют следующие требования:

- размеры резистора должны быть предельно малы по сравнению с рабочей длиной волны;

- в месте включения резистора не должно быть существенных нерегулярностей МПЛ;

- короткозамыкающий отрезок полоски должен быть минимальной длины.

При заданных значениях R=Z₀ удельное сопротивление R, максимальной мощности P, предельно допустимой мощности рассеяния P₀, с учетом известной ширины МПЛ тракта СВЧ W₀,

Диаметр отверстия, через которое заземляют резистор нагрузки, должен быть достаточным для надежной металлизации отверстия. Обычно d=1-2 мм.

 

УЗКОПОЛОСНАЯ СОГЛАСОВАННАЯ НАГРУЗКА

В микросхемах диапазона СВЧ, работающих в полосе частот ( £ 10 %), достаточно малое КСВ обеспечивает узкополосная нагрузка (рис. 2) Роль короткозамыкателя на выходном плече резистора выполняет разомкнутый на конце шлейф.

где f₂ и f₁ – граничные частоты рабочей полосы.

По заданным значениям Z_ш, h, ε определяют ширину W_ш полоски шлейфа. По известным параметрам W_ш, h, ε определяют ε _эф

Геометрическую длину шлейфа l_ш определяют по формуле

Рисунок 2 - Узкополосная согласованная нагрузка. Резистор замкнут на землю

разомкнутым шлейфом

Длина шлейфа l_ш должна быть равна или больше ширины шлейфа W_ш.

 

АТТЕНЮАТОРЫ

 

Устройства, предназначенные для ослабления и регулировки мощности сигнала, проходящего по СВЧ-тракту, называются аттенюаторами. Аттенюаторы применяются в схемах СВЧ-приемников для установки уровня сигнала в смесителе путем регулирования мощности гетеродина, в измерительной технике – для создания необходимого уровня сигнала в различных измерительных приборах, для согласования СВЧ-устройств и т.д.

Аттенюатор является четырехполюсником, коэффициент передачи которого меньше единицы, а ослабление (в децибеллах) между входом и выходом А₁₂=10lg(P_вх/P_вых). При этом желательно, чтобы изменение фазы проходящего сигнала было постоянным.

К числу основных характеристик аттенюаторов относятся: вносимое ослабление, пределы регулировки ослабления, К_ст входа и выхода, допустимая мощность рассеивания, точность калибровки ослабления, тип и геометрические размеры основного тракта.

По принципу действия различают аттенюаторы предельного типа и поглощающие (фиксированные). По характеру вносимого ослабления – постоянные и переменные. В зависимости от типа рабочего тракта применяются аттенюаторы для прямоугольных, круглых, коаксиальных волноводов и других типов линий передачи.

 

ПРЕДЕЛЬНЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ

 

Принцип их действия основан на затухании электромагнитных волн в запредельном волноводе. Они выполняются в виде отрезков волноводов, геометрические размеры которых меньше критических для данного типа волны. При этих условиях распространения волн не происходит.

Поскольку режим работы предельных аттенюаторов характеризуется условием λ>>λ_кр, то используется выражение α≈8,68X(2π/λ_кр).

Наиболее распространены конструкции предельных аттенюаторов (рис. 3) на основе отрезков круглых волноводов (фиксированных или изменяющейся длины), через которые осуществляется емкостная или индуктивная связь с коаксиальными волноводами.

 

 

Рисунок 3 - Предельные аттенюаторы: а – с емкостной связью; б – с индуктивной связью

 

В случае возбуждения в круглом волноводе волн типа Е₀₁ используют емкостную связь (рис. 3 а) с помощью дисков, расстояние между которыми l можно, как правило, изменить, осуществляя тем самым регулировку вносимого ослабления. Для круглого волновода при волне типа Е₀₁ критическая длина волны λ_кр=2,62R, где R-радиус запредельного волновода.

Поскольку ослабление в предельных аттенюаторах не связано с поглощением энергии, а обусловлено отражением волн, необходимо на входе и выходе аттенюатора включать для согласования шайбовые или цилиндрические поглотители (сопротивления r), улучшающие его К_ст. Наличие этих поглотителей не позволяет получать нижний предел затухания меньше 20 дБ. Верхний предел затухания может достигать 120…160 дБ и ограничен трудностями экранирования аттенюатора. Погрешность вносимого ослабления в зависимости от конструкции аттенюатора не превышает ±0,1…1дБ.

 

 

АТТЕНЮАТОРЫ ФИКСИРОВАНННЫЕ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

 

Фиксированные аттенюаторы – это двуплечие цепи, согласованные с трактом диапазона СВЧ на входе и выходе и предназначенные для изменения уровня мощности в тракте СВЧ. Аттенюаторы применяются для изоляции (развязки) в широкой полосе частот несогласованных между собой узлов и элементов тракта. Аттенюаторы характеризуются следующими основными характеристиками:

– ослабление, вносимое аттенюатором в тракт, А, дБ, которое определяется по следующей формуле:

– коэффициент стоячей волны КСВ входа и выхода.

Аттенюаторы обычно выполняются по П - и Т -образным схемам.

Эквивалентные электрические схемы представлены на рис. 4

Рисунок 4 - Эквивалентные электрические схемы фиксированных аттенюаторов:

(а) П -образная схема; (б) Т -образная схема

 

Теоретически аттенюаторы с сосредоточенными параметрами обеспечивают постоянный уровень ослабления А и КСВ во всех диапазонах СВЧ. Реально аттенюаторы имеют характеристики близкие к геометрическим лишь в том случае, когда максимальные размеры аттенюаторов меньше (0,1-0,3) λ₂, где λ₂ – длина волны, соответствующая верхней граничной частоте f₂ рабочей полосы. Экспериментально установлено, что лучшие характеристики имеют аттенюаторы, выполненные по П -образной схеме.

Расчет аттенюаторов производят следующим образом.

Задают: волновое сопротивление тракта Z₀, ослабление аттенюатора А.

Выбирают: ε и толщину h подложки, удельное сопротивление

резистора R; схему аттенюатора (Т- или П-образную).

Определяют: сопротивления резисторов R₁ и R₂ (R₃ и R₄) аттенюатора; геометрические размеры резисторов.

Сопротивления резисторов R₁ и R₂ для П-образной схемы определяют по следующим формулам:

По заданным Z₀, h, ε определяют ширину проводников W₀. По R₁, R₂ определяют размеры резисторов l_i, b_i и контактных площадок к ним.

По заданным Z₀, h, ε определяют ширину проводников W₀. По R₃, R₄ определяют размеры резисторов l_i, b_i и контактных площадок к ним.

 

ПЕРЕМЕННЫЙ ПОГЛОЩАЮЩИЙ АТТЕНЮАТОР

 

Пример конструкции переменного поглощающего аттенюатора в прямоугольном волноводе приведен на рис 5.

 

 

Рисунок 5 Переменный поглощающий аттенюатор:

1 – волновод, 2 – поглощающая пластина, 3 – механизм перемещения.

 

В этой конструкции используются пластины, выполненные из поверхностных поглотителей на основе пленочных резисторов. Пластины помещают параллельно вектору Е (параллельно узкой стенке волновода). Регулировка вносимого ослабления осуществляется следующими способами:

1) перемещением пластины от узкой стенки волновода, где ослабление близко к нулю, к центру волновода, где оно максимально. Изменение ослабления в этом случае является функцией распределения напряженности электрического поля Е в поперечном сечении волновода, создающем ток проводимости в поверхностном слое поглотителя;

2) введением поглотителя параллельно вектору Е через узкую продольную неизлучающую щель в середине широкой стенки волновода (аттенюаторы ножевого типа). Изменение величины ослабления достигается изменением глубины погружения поглотителя;

3) использованием регулируемых направленных ответвителей.

Существенным недостатком этой конструкции аттенюатора является зависимость фазового сдвига от места положения пластины.

 

ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

 

Фазовращателем называется устройство, используемое для изменения фазы проходящей через него волны и представляющее собой четырехполюсник, коэффициент передачи которого близок к единице, а разность фаз имеет некоторое постоянное значение или меняется в определенных пределах.

Фазовращатели находят широкое применение в измерительной технике при согласовании высокочастотных трактов, в антенной технике при формировании диаграмм направленности антенных решеток и т.д. К числу основных характеристик фазовращателей относятся: пределы изменения фазы, К_ст входа и выхода, уровень допустимой мощности, точность отсчета фазы.

По принципу действия различают фазовращатели, основанные на изменении геометрической длины линии ℓ, и фазовращатели, основанные на изменении параметров заполняющей среды, длины волны в волноводе λ_в. По характеру вносимого фазового сдвига фазовращатели делятся на фиксированные и регулируемые (дискретные и плавные). По конструктивному оформлению различают фазовращатели для прямоугольных, круглых и коаксиальных волноводов.

Существуют многочисленные конструкции фазовращателей, основанные на принципе изменения длины пути, проходимого сигналом фазовращателя от входа до выхода устройства. Наиболее распространены отражательный и телескопический фазовращатели (рис. 6)

Рисунок 6 - Фазовращатели с изменением длины линии:

а – отражательный; б – телескопический

 

Конструкции фазовращателей, основанных на изменении параметров заполняющей волновод среды (диэлектрических фазовращателей), ничем не отличаются от конструкции поглощающих аттенюаторов, только на диэлектрических пластинах отсутствует поглощающий слой, а в качестве диэлектрика выбираются материалы с малым tg δ и большим ε. Принцип действия таких фазовращателей основан на изменении фазовой скорости рабочего типа волны при прохождении волновода с изменяющимся диэлектрическим заполнением. Фазосдвигающая пластина распологается параллельно вектору Е рабочего типа волны.

Диэлектрические фазовращатели обеспечивают получение фазового сдвига волны до нескольких сотен градусов.