Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи icon

Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи



НазваниеРадиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи
Дата конвертации29.07.2012
Размер211.79 Kb.
ТипДокументы

Глава 2.


РАДИОЧАСТОТНЫЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ


2.1. Основные процессы в линиях передачи

Как указывалось в предыдущей главе, когда линия замкнута на сопротивление, равное волновому, в ней возникает бегущая волна. При этом входное сопротивление линии (определяемое отношением напряжения в начале линии к току) равно волновому сопротивлению линии независимо от ее длины.

Если же сопротивление нагрузки не равно волновому, то в конце линии происходит отражение энергии и возникает волна, бегущая в обратном направления — от конца линии к ее началу. При этом в линии происходит суммирование прямой и обратной бегущих волн.

В результате наложения (интерференции) прямой и отраженной бегущих волн в линии, разомкнутой на конце, образуются стоячие волны тока и напряжения (рис. 2.1).


^

Рис. 2.1. Стоячие волны тока и напряжения в разомкнутой на конце линии



На рис. 2.1,а изображены кривые распределения тока в одном из проводов линии (штриховая линия) и напряжения между проводами (сплошная линия) на участке длиной 1,5λ для некоторого момента времени. Для любого поперечного сечения линии токи в обоих проводах направлены в противоположные стороны.

На рис. 2.1,б показаны кривые, которые можно получить при измерении тока вдоль линии с включенным амперметром в одном из ее проводов или при измерении напряжения с включенным вольтметром между проводами линии. Эти кривые уже не учитывают изменения фазы тока и напряжения в линии.

Следует иметь в виду, что ток и напряжение в каждой точке изменяются во времени от нуля до максимального значения по синусоидальному закону. Ток и напряжение сдвинуты между собой по фазе на угол 90°, что свидетельствует об отсутствии расхода энергии в самой линии и на ее конце.

Если фидерную линию замкнуть накоротко на конце, в ней также возникнут стоячие волны, но, в отличие от разомкнутой линии, на конце ее вместо пучности будет узел напряжения, а вместо узла тока — его пучность. Кривые распределения тока и напряжения как бы сдвинутся на четверть волны.

В соответствии с изменением тока и напряжения при изменении длины линии будет изменяться и ее входное сопротивление.

Разомкнутая па конце линия длиной менее чем четверть волны имеет емкостное сопротивление; при длине разомкнутой линии в четверть волны ее входное сопротивление равно нулю. При наличии небольших потерь в четвертьволновой линии входное сопротивление ее не было бы равным нулю, а имело бы некоторое малое значение и активный характер. В этом отношении четвертьволновая разомкнутая линия эквивалентна последовательному контуру, настроенному в резонанс.


Если линию нагрузить на конце сопротивлением, не равным волновому, то в линии возникнут бегущие и стоячие волны, накладывающиеся одна на другую (такой режим иногда называют режимом смешанных волн). Часть энергии будет поглощаться в нагрузке, а часть — отражаться от конца линии. В качестве примера на рис. 2.2,а показана линия с волновым сопротивлением ZB=500 Ом, нагруженная на конце сопротивлением R=2000 Ом.



Рис. 2.2. Распределение тока и напряжения вдоль линии, а также изменение входного сопротивления в зависимости от длины линии, нагруженной активным сопротивлением


На рис. 2.2,б изображена кривая изменения действующих значений напряжения U, а на рис. 2.2,в — кривая действующих значений силы тока I вдоль линии. Эти кривые характеризуются максимумами и минимумами, но последние уже не достигают нулевых значений. Штриховые горизонтальные прямые соответствуют значениям действующих напряжения и тока, которые имели бы место в линии, если бы она была нагружена сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии. На рис. 2.2,г показана кривая изменения модуля входного сопротивления линии Zвх построенная на основании данных, полученных делением напряжения на ток, значения которых взяты по кривым рис. 2.2,б и в. Входное сопротивление линии, длина которой равна целому числу полуволн, равно сопротивлению нагрузки на конце.

При длине линии, равной нечетному числу четверти волны, ее входное сопротивление при активном сопротивлении нагрузки

Zвх=Zв2/R. (2.1)

Изменение напряжения вдоль линии обычно характеризуется отношением напряжения в минимуме ^ Uмин к напряжению в максимуме Uмакc. Это отношение обозначается буквой Кбв и называется коэффициентом бегущей волны (КБВ):

Кбв=Uмин/Uмакс. (2.2)

Коэффициент бегущей волны Кбв определяет, насколько близко режим в линии приближается к режиму бегущей волны. При Кбв=1, т. е. когда нет минимумов и максимумов напряжения и оно во всех точках линии одинаково, имеет место режим бегущей волны в линии. Наоборот, Кбв=0 характеризует режим чисто стоячих волн в линии. Наряду с понятием КБВ используется термин коэффициент стоячей волны (КСВ), равный

Ксв=1/Кбв=Uмакс/Uмин. (2.3)

В любой реальной линии при передаче энергии происходит некоторый расход ее вследствие потерь в металлических проводах и экранирующей оболочке, из-за потерь в изоляторах линий, а в открытых линиях — вследствие атмосферных осадков (гололеда, изморози и т. п.).

Если линию с потерями нагрузить на конце активным сопротивлением, равным ее волновому сопротивлению, то в ней, так же как и в линии без потерь, установится чисто бегущая волна. Отличие от линии без потерь будет состоять лишь в том, что амплитуда тока или напряжения при бегущей волне в линии с потерями уже не будет оставаться неизменной, а будет постепенно убывать в направлении от генератора к нагрузке вследствие потерь в линии. Входное сопротивление линии с потерями при бегущей волне, т. е. сопротивление в точках присоединения к генератору, равно волновому сопротивлению линии независимо от ее длины.

В том случае если сопротивление нагрузки на конце линии отлично от волнового сопротивления, то от конца линии произойдет отражение и возникнет волна, бегущая в обратном направлении — от конца линии к ее началу. Отраженная волна, распространяясь от нагрузки к генератору, будет также иметь амплитуду, убывающую вдоль линии в сторону к генератору.

В тех точках, где для разомкнутой линии без потерь должны были быть нулевые значения, будут лишь некоторые минимумы. Пучности тока или напряжения не будут одинаковыми через каждую половину волны, а будут постепенно уменьшаться от начала линии к ее концу.

Входное сопротивление линии с потерями, разомкнутой на конце, уже не будет чисто реактивным. Наряду с реактивной составляющей появится и активная составляющая сопротивления. Активная и реактивная составляющие входного сопротивления разомкнутой линии с потерями в зависимости от длины линии l.

Коэффициент полезного действия (КПД) линии с потерями, определяемый отношением мощности в конце линии (т. е. в нагрузке) к мощности в начале линии, максимален в случае бегущей волны в ней

ηмакс = e-2l (2.4)

где — коэффициент затухания; l — длина линии. Для линии с малыми потерями (l<<1)

ηмакс≈1-2l. (2.5)


^ 2.2. Линии передачи разных типов

При использовании фидерных линий для передачи электромагнитной энергии от передатчика к антенне или от антенны к приемнику к ним предъявляются следующие требования общего характера.

Потери электромагнитной энергии, передаваемой по фидеру, должны быть минимальными.

Линии должны обладать достаточной электрической прочностью, т. е. должны быть рассчитаны на передачу требуемой мощности без опасности возникновения электрического пробоя.

Фидерные линии не должны обладать антенным эффектом, т. е. не должны излучать или принимать электромагнитные волны; излучение электромагнитных волн фидерной линией нежелательно из-за возрастания потерь в линии (потерь на излучение) и вследствие искажения диаграммы направленности антенны.

Степень важности каждого из указанных требований зависит от характера работы радиостанции. Так, например, для приемных антенн вопрос о перенапряжениях, естественно, отпадает, в то время как роль антенного эффекта для них возрастает. Действительно, антенный эффект приемного фидера может свести на нет все достоинства направленной антенны и дать резкое увеличение уровня внешних помех на входе приемника. Для приемных антенн длинных и средних волн, когда внешние помехи значительны, потери в линиях не играют существенной роли; в диапазоне же УКВ, особенно на СВЧ, когда мощность внутренних шумов приемных устройств может превосходить мощность внешних помех, КПД линий необходимо по возможности увеличивать.

На коротких, метровых и отчасти дециметровых волнах применяются воздушные двухпроводные (реже четырехпроводные) фидерные линии и радиочастотные кабели. При переходе к сантиметровым и более коротким волнам указанные линии передачи становятся непригодными. Открытые линии непригодны из-за того, что расстояние между проводами становится соизмеримым с длиной волны и линии начинают заметно излучать. Экранированные же линии не имеют излучения.


^ Воздушные и экранированные линии. Для питания проволочных антенн применяются два типа фидерных линий: воздушные и экранированные.

Из воздушных наиболее распространенными являются двухпроводные линии (рис. 2.3).


^

Рис. 2.3. Воздушная двухпроводная (неэкранированная) линия



Отсутствие антенного эффекта достигается уменьшением расстояния между проводами линии, так как при малом (по сравнению с волной) расстоянии электромагнитное поле, создаваемое вне линии током одного провода, уравновешивается полем (обратного знака) второго провода, в котором ток протекает в противоположном направлении. Но располагать провода очень близко друг от друга нельзя из-за возможности их соприкосновения, а также из-за уменьшения электрической прочности линии.



Рис. 2.4. Экранированные линии (поперечное сечение)


На рис. 2.4 показаны экранированные линии: концентрическая (или коаксиальная) и двухпроводная. Конструктивно такие линии выполняются жесткими или гибкими.

Жесткий концентрический фидер (рис. 2.4,а) изготовляется из медных или латунных трубок, помещенных одна внутри другой. При малых диаметрах вместо внутренней трубки применяется сплошной цилиндрический стержень. По центральному проводу протекает ток одного направления, а по экрану — другого. Центральный провод отделяется от наружного шайбами из диэлектрика.

В гибком высокочастотном коаксиальном кабеле внутренний провод представляет собой медную жилу, сплошную или из тонких проводников. Наружный проводник состоит из медной оплетки в виде сетки или тонкой ленты. Пространство между внутренним проводом и экранирующей оболочкой заполняется пластической массой из фторопласта или полиэтилена. Снаружи кабель покрывается защитной изоляционной оболочкой.

Двухпроводный кабель (рис. 2.4,б) состоит из двух проводов, разделенных изоляцией и окруженных экранирующей оболочкой. Он применяется главным образом для симметричных антенн.

По сравнению с воздушными линиями преимущество экранированных линий в том, что они не имеют антенного эффекта, более удобны при монтаже, в частности могут быть зарыты в землю, лучше защищены от влияния атмосферных условий. С другой стороны, экранированные линии более сложны по конструкции, чем воздушные, и поэтому более дорогие. В экранированных линиях труднее обнаруживать повреждения и устранять их.

Волновое сопротивление линии определяется конфигурацией, геометрическими размерами и материалом, заполняющим пространство между проводами. На рис. 2.5 представлены графики для определения волнового сопротивления двухпроводной воздушной линии (см. рис. 2.3,а).



Рис. 2.5. Графики для расчета волновых сопротивлений двухпроводных (симметричных) воздушных линий


На рис. 2.6 приведен график для определения волнового сопротивления Zв коаксиальных линий с воздушным диэлектриком. Для определения Zв таких линий, заполненных диэлектриком с r>1, надо значение, определенное по графику, разделить на sqrt(r) (Некоторые справочные данные о радиочастотных линиях передачи приведены в приложении П.1.)



Рис. 2.6. График для определения волнового сопротивления коаксиальной линии с воздушным диэлектриком


Волноводы. В аппаратуре сантиметровых и миллиметровых волн в качестве линий передачи наибольшее применение находят волноводы, представляющие собой полые металлические трубы из хорошо проводящего металла. Наиболее распространенными являются волноводы прямоугольного и круглого поперечного сечения. Толщина стенок волновода выбирается из условий механической прочности, а внутренняя поверхность для уменьшения потерь иногда покрывается тонким слоем серебра или золота.

В связи с отсутствием внутренних изоляторов и центрального провода относительно малого сечения волноводы обеспечивают передачу энергии с меньшими потерями, чем в коаксиальных линиях.

Для передачи электромагнитных волн по волноводу нет необходимости во втором проводнике (как в случае коаксиального кабеля), так как направляемые волны образуются вследствие многократного отражения от его стенок.

В волноводе возможны различные структуры (типы) электромагнитного поля. На рис. ^ 2.7 для примера показана структура поля для некоторого момента в наиболее широко применяемом прямоугольном волноводе при распространении в нем волны типа H10.



Рис. 2.7. Прямоугольный волновод (а) и структура поля в нем при волне типа Н10: в плоскостях xoy (б); xoz (в); yoz (г)


Особенностью волновода является то, что по волноводу заданных поперечных размеров нельзя передавать колебания, длина волны которых больше некоторой критической волны кр. Для упомянутой выше волны типа Н10 (при воздушном заполнении)

кр = 2а, (2.6)

где а — размер широкой стенки волновода.

Для того чтобы по волноводу распространялась только волна типа ^ Н10, необходимо, чтобы выполнялись условия

/2 < а < ; b < /2.

где  — длина волны в воздухе.

Для колебаний других типов в прямоугольном волноводе критическая длина волны будет несколько меньшей, чем для колебаний волны Н10, и опреде­ляется более сложной формулой.

Длина волны в волноводе (определяемая фазовой скоростью волн) получается большей, чем в свободном пространстве (вакууме), и равна (для волновода с воздушным заполнением)

в=/sqrt((1-/кр)2). (2.7)

В волноводе бесконечной длины или ограниченных размеров, но с согласованной на конце нагрузкой, так же как и в двухпроводной линии, устанавливается режим бегущих волн, характеризующийся наибольшим КПД передачи электромагнитной энергии по волноводу и отсутствием перенапряжений, возникающих в пучностях в режиме стоячих волн.

Для возбуждения волн внутрь волновода обычно помещается небольшой проводник — «штырек», располагаемый перпендикулярно широкой стенке волновода.

Для того чтобы электромагнитные волны внутри волновода распространялись в одном направлении, конец волновода, вблизи которого располагается источник, закрывается стенкой или поршнем. Расстояние от стенки до источника берется равным приблизительно четверти длины волны в волноводе.

^ Полосковые линии. Широко применяются в качестве фидерных линий и элементов различных узлов в диапазоне СВЧ так называемые полосковые линии передачи. Они составляют серьезную конкуренцию элементам из отрезков волноводных и коаксиальных линий из-за простоты конструкции и малых габаритных размеров, а также вследствие того, что в ряде случаев могут включаться в печатные микросхемы.

Различают два основных типа полосковых линий: симметричные и несимметричные.

^ Симметричная линия выполнена в виде узкой металлической полоски, расположенной между двумя экранирующими пластинами и изолированной от них диэлектриком. Несимметричная линия выполнена в виде металлической полоски, расположенной над экранирующей пластиной и изолированной от нее диэлектриком.

В симметричной полосковой линии ток одного направления проходит по центральной полоске, а обратно — по внутренней поверхности экранирующих пластинок, соединенных параллельно в начале линии. Картина поля в такой линии напоминает картину поля в линии провода с прямоугольным (замкнутым) экраном, и по ней распространяются поперечные электромагнитные волны типа Т.

Картина поля в несимметричной полосковой линии напоминает поле соответствующего проводника над бесконечным плоским экраном или поле в полупространстве соответствующей двухпроводной симметричной линии с расстоянием между проводниками, равным двойному расстоянию от провода до экрана. В указанной полосковой линии распространяются волны, близкие к волнам типа Т. При малом расстоянии (по сравнению с длиной волны) между металлической полоской и экранирующей пластиной вся энергия распространяющейся волны сосредоточена в непосредственной близости от проводящей полоски.


^ 2.3. Элементы и узлы радиочастотных линий передачи


Основное назначение радиотехнических линий передачи—-это соединение антенны с передатчиком или приемником.

Отрезки линии с дополнительными элементами в диапазоне коротких и особенно ультракоротких волн часто используются в качестве элементов согласования; для соединения неподвижных участков линий с подвижными (в частности, в качестве вращающихся сочленений); как симметрирующие устройства (для перехода от несимметричной (коаксиальной) линии к симметричной антенне); как развязывающие устройства (аттенюаторы, направленные ответвители, циркуляторы); как переключающие устройства (коммутаторы); как фазовращатели (для изменения фазы передаваемых колебаний); для защиты узла от перенапряжений; в качестве металлических изоляторов, резонансных колебательных контуров и для других целей.

Ниже кратко рассматриваются наиболее важные применения отрезков линий и некоторые специальные узлы линий передачи.

^ Согласование линии передачи с нагрузкой. В технике антенно-фидерных устройств большую роль играет согласование антенны с линией передачи, т. е. меры, принимаемые для устранения волн, отраженных от нагрузки, в результате чего в линии устанавливается бегущая волна.

Режим бегущей волны обладает рядом преимуществ. Можно доказать, что при одной и той же мощности, передаваемой по линии без потерь (или практически с малыми потерями), отношение максимального напряжения Uмакс в рассогласованной линии к напряжению U в согласованной линии определяется формулой

Uмакс/U=1/sqrt(Кбв).

При достаточно высоком Кбв в линии ее входное сопротивление, являющееся нагрузкой для генератора, имеет значительную активную составляющую и мало зависит от длины линии. Это обеспечивает нормальную работу генератора.

Кроме того, как указывалось в § 2.1, КПД в линии с потерями получается максимальным в случае бегущей волны, что делает возможным передачу максимальной мощности в нагрузку. На рис. 2.8 показана принципиальная схема получения бегущей волны в линии, нагруженной на конце сопротивлением Za, не равным волновому сопротивлению линии Zв.


^

Рис. 2.8. Принципиальная схема получения бегущей волны в линии



Между нагрузкой и линией включается переходное устройство, которое может обеспечивать согласование по одному из следующих методов: согласование по методу В. В. Татаринова с помощью реактивного сопротивления; методу ступенчатых и плавных переходов; методу поглощения отраженной волны.

Наиболее простой и удобный метод согласования на одной частоте (или в узкой полосе частот) разработал в 1931 г. проф. В. В. Татаринов. По этому методу на некотором определенном расстоянии от конца линии (от нагрузки), где активная составляющая проводимости линии равна волновой, включается параллельно линии, реактивное сопротивление, компенсирующее реактивную составляющую проводимости линии.

Нетрудно убедиться, что в линии между генератором и точками подключения реактивного сопротивления при этом установится бегущая волна. В качестве реактивного сопротивления используется отрезок вспомогательной линии (реактивный шлейф, индуктивный мостик), длина которой изменяется с помощью короткозамыкающей перемычки. Для коаксиальных экранированных линий и волноводов, когда трудно подбирать место подключения реактивного шлейфа, применяются два или три настраиваемых шлейфа, включаемые недалеко от нагрузки на расстоянии четверти волны друг от друга.

Когда нагрузка линии (антенна) имеет чисто активное сопротивление Ra, не равное волновому сопротивлению линии Zв, согласование на фиксированной волне можно осуществить с помощью так называемого четвертьволнового трансформатора. В этом случае переходное устройство (см. рис. 2.8) представляет собой отрезок линии длиной в четверть волны, включаемый между нагрузкой и основной линией передачи, имеющей волновое сопротивление

Zт = sqrt(Ra Zв)

а сопротивление со стороны входных зажимов переходного устройства будет равно Zв и в линии установится бегущая волна.

Таким же образом можно осуществить согласование двух фидерных линий с разными волновыми сопротивлениями (на одной частоте).

Для широкополосного согласования линий с разными волновыми сопротивлениями можно применять отрезок линии с плавно изменяющимся волновым сопротивлением, включаемый между согласуемыми линиями. Эскиз такого плавного перехода для коаксиальных линий с воздушным диэлектриком и наружным экраном неизмененного диаметра показан на рис. 2.9.



Рис. 2.9. Эскиз плавного перехода для согласования двух коаксиальных линий с разными волновыми сопротивлениями


Внутренний проводник перехода имеет форму усеченного конуса. Длина перехода должна быть не меньше половины длины максимальной волны диапазона, в котором осуществляется согласование.

Плавный переход при согласовании линий можно заменить многоступенчатым с постепенным изменением волнового сопротивления от ступени к ступени.

Симметрирующие устройства. Непосредственное присоединение коаксиального несимметричного кабеля к симметричной двухпроводной линии (или антенне) нарушает симметрию токов в последней и приводит к появлению тока на наружной поверхности экрана коаксиала, что недопустимо, так как приводит к излучению фидерной линии.

Поэтому для соединения коаксиального фидера с симметричной линией (или антенной) применяются специальные переходные устройства, называемые симметрирующими. К ним предъявляют следующие требования: ток на внешней оболочке (экране) коаксиального кабеля должен отсутствовать; токи на двухпроводной системе должны оставаться равными по амплитуде и противоположными по направлению; напряжения по отношению к плоскости симметрии должны быть на обоих проводах двухпроводной системы одинаковыми.

Симметрирующее устройство может быть разных типов: трансформаторное, фазоинверторное, в виде симметрирующей щели, дроссельное и др.


^

Рис. 2.10. Симметрирующее устройство в виде трансформатора



На рис. 2.10 показано подобное устройство в виде трансформатора, первичная обмотка которого одним концом соединена с оболочкой (экраном) коаксиального кабеля, а вторым — с центральным проводом коаксиала; середина вторичной обмотки соединяется с экраном, а концы ее — с проводами симметричной системы (линии). Между обмотками устанавливается электро-статический экран.



Рис. 2.11. Симметрирующее устройство типа «U-колено»


На рис. 2.11 показана схема фазоинверторного симметрирующего устройства, называемого также устройством типа «U-колено». В нем центральный провод коаксиального фидера присоединяется к одному зажиму (А) симметричной линии, а от этой точки напряжение к другому зажиму (Б) симметричной линии подается через участок кабеля длиной /2, где  — длина волны в кабеле. Фаза напряжения на участке длиной /2 изменяет свой знак на обратный. Поэтому к зажимам АБ подводится требуемое противофазное напряжение и к этим точкам можно присоединять симметричную линию. Оболочки всех отрезков кабелей соединены между собой и заземлены. Отметим, что U-колено является трансформатором сопротивления: входное сопротивление нагрузки фидера Ф между точками AЗ в 4 раза меньше, чем сопротивление нагрузки на зажимах АБ (З — точка заземления).



Рис. 2.12. Дроссельное симметрирующее устройство (типа «четвертьволновой стакан»)


Симметрирующее устройство дроссельного типа показано на рис. 2.12. Его называют также «четвертьволновый стакан». Здесь металлический цилиндр («стакан») длиной в четверть волны охватывает внешнюю оболочку коаксиального кабеля и припаян к ней с нижней стороны. Внешняя часть цилиндра соединяется с экраном двухпроводной экранированной линии.

Сопротивление нагрузки для коаксиальной линии при точной настройке «стакана» остается примерно равным входному сопротивлению симметричной пинии в точках присоединения к коаксиальной линии.

Рассмотренное переходное устройство так же, как и «U-колено», является узкополосным.

^ Фазирующие устройства (фазовращатели). Устройства, предназначенные для изменения фазы, называются фазовращателями.

Особенно большую роль играют фазовращатели в фазированных антенных решетках, где применяется большое число антенных элементов, соотношение фаз между которыми должно либо сохраняться неизменным, либо в процессе работы изменяться по определенному закону.

Имеются фазовращатели различных типов: механические, полупроводниковые, ферритовые.

В механических фазовращателях для изменения фазы колебаний между двумя неподвижными сечениями линии передачи последовательно включается секция, например, «тромбонного» типа (подковообразной формы), длина которой механически изменяется с помощью скользящих контактов.

В другом варианте механического фазовращателя для волновода изменение фазы достигается, например, механическим погружением диэлектрической пластины параллельно силовым линиям электрического поля Е в прямоугольный волновод через неизлучающую щель в середине широкой стенки. Это приводит к замедлению электромагнитной волны и увеличению запаздывания на выходе фазовращателя. Недостатком механических фазовращателей являетется невозможность изменения фазы с большой скоростью.

В фазовращателях на полупроводниковых диодах этот недостаток отсутствует. К их достоинствам относятся малые габаритные размеры и масса большая скорость и простота управления. Полупроводниковые фазовращатели изготавливают в волноводном, полосковом и микрополосковом исполнении.

В полупроводниковых фазовращателях СВЧ используются главным образом коммутационные p-i-n диоды. Кроме них в управляющих устройствах CBЧ применяются также коммутационные р-п диоды, в том числе и варикапы Однако p-i-n диоды по сравнению с р-п диодами позволяют пропускать значительно большие мощности СВЧ, вплоть до сотен киловатт в импульсе (или среднюю мощность в сотни ватт).



Рис. 2.13. Диод типа p-i-n и его эквивалентные схемы


Диоды p-i-n (в отличие от диодов р-п) кроме слоев p и n содержат высокоомную область i, расположенную между слоями р и п (рис. 2.13,а). Область i называют базой диода. Торцевые поверхности диода (диаметром около 1 мм) прилегающие к слоям р и п, металлизируют и используют в качестве выводов При отрицательном напряжении на диоде он оказывается запертым и его эквивалентная схема (рис. 2.13,б) имеет вид большого активного сопротивле ния R_ (несколько килоом), шунтированного малой емкостью С диода (десятые доли пикофарады). При подаче на диод положительного управляющего напряжения (порядка 1 ... 2 В) его сопротивление резко уменьшается (в сотни раз) и может быть эквивалентно представлено малым активным сопротивлением R+ (рис. 2.13,в).

Возможная схема изменения фазы высокочастотного колебания на выхода линии передачи показана на рис. 2.14. Здесь в основную линию передачи с волновым сопротивлением Zв последовательно включен отрезок линии передачи с электрической длиной l и волновым сопротивлением Zт; по концам линии включены шунтирующие проводимости G1 и G2. Подбором значений G1, G2, l и Zт можно обеспечить требуемое изменение фазы высокочастотного колебания на выходе линии и согласование промежуточного отрезка линии с основной линией передачи.


^

Рис. 2.14. Схема линии передачи с проходными фазовращателями



В качестве изменяющихся проводимостей G1 и G2 можно использовать отражательные фазовращатели. Такой фазовращатель (рис. 2.15) представляет собой отрезок линии передачи, шунтированный в ряде сечений коммутационными элементами, например, в виде описанных выше p-i-n диодов. При подаче на один из диодов напряжения питания можно уменьшить его сопротивление до малой величины и замкнуть накоротко линию в данном сечении. Остальные коммутационные элементы имеют (при отсутствии питания) высокие сопротивления и не оказывают заметного влияния на линию. При переключении коммутационных элементов изменяется положение плоскости короткого замыкания в линии передачи и соответственно ее входная G1 или G2.



Рис. 2.15. Отражательный фазовращатель в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде сечений коммутационными элементами


В технике СВЧ широко применяются ферритовые фазовращатели. Феррит представляет собой химическое соединение окиси железа (Fe2O3) с окисью таких металлов, как никель, марганец и др. По своему внешнему виду ферритовые стержни напоминают керамику, а по электрическим свойствам являются полупроводниками, приближающимися к диэлектрикам. Большое удельное сопротивление ферритов (106... 108 Омсм), в отличие от других ферромагнитных материалов, обусловило возможность применения их в диапазоне СВЧ. Диэлектрическая проницаемость ферритов на СВЧ колеблется в пределах 5...15, а магнитная при отсутствии подмагничивания близка к единице.

Особо интересные свойства приобретает феррит под воздействием постоянного магнитного поля и высокочастотных колебаний. В этих условиях магнитная проницаемость феррита начинает зависеть сложным образом от постоянного магнитного поля, причем эта зависимость для высокочастотных полей круговой поляризации разного направления вращения получается различной.

Эти особые свойства ферритов позволяют конструировать в диапазоне СВЧ ряд технических устройств. К ним относятся волноводные циркуляторы, т. е. устройства в виде ряда каналов, характеризующиеся тем, что электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности. В частности, циркулятор может быть превращен в вентиль, служащий, например, для развязки генератора от нагрузки. Ограничимся описанием лишь ферритовых фазовращателей.

^ Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с продольным намагничиванием. По оси волновода расположен ферритовый стержень, круглого или прямоугольного сечения. Управляющее магнитное поле направлено продольно и создается соленоидом, намотанным снаружи непосредственно на волноводе. Изменением управляющего магнитного поля можно менять магнитную проницаемость феррита и соответственно скорость распространения и длину волны высокочастотных колебаний внутри волновода, а следовательно, и фазу поля за ферритовым стержнем. Достоинством такого фазовращателя является его простота и возможность регулировки фазы в широких пределах (0...3600) при небольшом ослаблении мощности колебаний СВЧ (0,5... 1,0 дБ).

^ Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с поперечным полем подмагничивания. Ферритовая пластина прямоугольного поперечного сечения размещается параллельно узкой стенке между ней и серединой волновода (приблизительно на расстоянии а/4 от узкой стенки, где а •— размер широкой стороны волновода). Полюса магнита N и S устанавливаются по обе стороны пластины. В таком фазовращателе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей длины обычно используются две ферритовые пластины, располагаемые по обе стороны от средней плоскости волновода и соответственно намагничиваемые.

Возможен коаксиальный вариант фазовращателя, в котором феррит заполняет часть пространства между центральным проводом и экранирующим цилиндром, а поперечное магнитное поле создается магнитом, устанавливаемым снаружи отрезка коаксиальной линии.

Ферритовые фазовращатели СВЧ успешно конкурируют с фазовращателями на p-i-n диодах и позволяют управлять более высокими мощностями, но обладают несколько меньшим быстродействием.




Похожие:

Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconРежимы передачи сигналов кабельной линией. В зависимости от величины нагрузки Zн на выходе линии различают три режима передачи сигналов
Режим бегущей волны сигнала при Zн =. В этом (согласованном) режиме / = /=, входное сопротивление кабеля также равно волновому сопротивлению...
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconАкт приема-передачи нежилого помещения, расположенного по адресу
На момент приема-передачи помещение находилось в следующем техническом состоянии
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconДокументы
1. /МРБ 0929. Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ- Номограммы.djvu
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи icon2 статья. Удк 539 083: 550. 83: 621. 315. 2 Повышение скорости передачи данных по каротажным кабелям
На предельной частоте передачи однополярные сигналы с гладкой формой и минимальной шириной спектра не имеют преимуществ перед прямоугольными...
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconСайт ¨ Страница
В то же время линией передачи данных гис остается традиционный каротажный кабель со скоростью передачи информации (бит/с) не выше...
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconА. В. Давыдов
Это требует передачи данных в наземные измерительно-вычислительные устройства, как правило, в цифровой форме и с высокой скоростью....
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconА. В. Давыдов Исследование возможностей повышения скорости передачи
И если выполнение первого требования достаточно успешно базируется на высоком уровне развития современной электронной техники, то...
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconАктивное сопротивление
Сопротивление обратного проводника (брони) много меньше величины сопротивления жил и его значением можно пренебречь. Для двухпроводной...
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconАкт приема-передачи щенка к Договору купли-продажи щенка №
Заводчиком, далее именуемый (ая) Продавец, с одной стороны, и гр., именуемый (ая) Покупатель, с другой стороны, составили настоящий...
Радиочастотные линии передачи основные процессы в линиях передачи iconИсточники ионизирующих излучений. Общие сведения и терминология
Нейтральные частицы и электромагнитное излучение не производят ионизацию, но ионизируют среду косвенно, через различные процессы...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов