2.1. Элементы линий связи и устройства СВЧ

2.1.1. Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитными колебаниями (ЭМК) называют периодические изменения во времени электрического заряда (силы тока, напряжения), в общем случае ЭМК это взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (Н) полей, составляющих единое Электромагнитное поле.

Различают вынужденные электромагнитные колебания, поддерживаемые внешними источниками, и собственные электромагнитные колебания, существующие и без них.

Типичный пример системы с сосредоточенными параметрами в которой могут существовать электромагнитные колебания - колебательный контур , где происходят колебания зарядов на обкладках конденсатора С и токов в катушке индуктивности L.

Рис.1. Последовательный колебательный контур

Зависимость коэффициента передачи контура К( f ) от частоты входного сигнала f называется амплитудно-частотной характеристикой контура.

Под коэффициентом передачи К понимается отношение выходного сигнала элемента к его входному сигналу, рассматривают коэффициенты передачи по току, напряжению, мощности и т.д.

Рис.2. Амплитудно-частотная характеристика

Параметры, описывающие свойства колебательного контура:

• резонансная частота ƒ 0 ;
• волновое сопротивление r;
• добротность Q;
• полоса пропускания Dƒ.

Частота свободных колебаний контура

.

Частота свободных колебаний является частотой резонанса контура, на которой реактивное сопротивление индуктивности XL=2πfL равно реактивному сопротивлению ёмкости XC=1/(2πfC) и равно волновому сопротивлению контура r:

r = 2πf 0 L = 1/(2πf 0 C).

Добротность характеризует, во сколько раз запасы энергии в контуре больше, чем потери энергии за один период колебаний и определяется как

.

Полоса пропускания определяется как ширина АЧХ по уровню половинной мощности (для амплитуды по уровню 0,707 от максимума) и для колебательного контура может быть рассчитана из выражения:

Dƒ = ƒ 0 / Q.

Электромагнитные волны ( ЭМВ) – синусоидальные электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве.

Рис 3. Электромагнитная волна

К электромагнитным волнам относятся: ультрафиолетовое излучение, свет, тепловое (инфракрасное) излучение, и радиоволны .

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

Диапазон	Частота f	Длина волны l
Сверхдлинные волны (СДВ)	3 – 30 кГц	100 - 10 км
Длинные волны (ДВ)	30 – 300 кГц	10 - 1 км
Средние волны (СВ)	0,3 – 3 МГц	1000 - 100 м
Короткие волны (КВ)	3 – 30 МГц	100 - 10 м
Ультракороткие волны (УКВ) включают несколько поддиапазонов:
метровые волны (МВ)	30 – 300 МГц	10 - 1 м
дециметровые волны (ДМВ)	0,3 – 3 ГГц	10 - 1 дм
сантиметровые волны (СМВ)	3 – 30 ГГц	10 - 1 см
миллиметровые волны (ММВ)	30 – 300 ГГц	10 - 1 мм
субмиллиметровые волны (СММВ)	0,3 – 6 ТГц	1 – 0,05 мм

Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн называют сверхвысокими частотами (СВЧ).

Частота f и длина волны l связаны соотношением:

,

где с – скорость ЭМВ, в воздухе и в вакууме с = 3∙108 м/сек.

2.1.2. Коаксиальные линии связи

Коаксиальная линия связи представляет собой систему, передачи высокочастотных электромагнитных колебаний, состоящую из двух соосных металлических цилиндров, разделенных слоем диэлектрика.

Рис. 1. Поперечный разрез коаксиальной линии.

Рис. 2. Современные коаксиальные кабели.

В коаксиальной линии распространяется волна типа Т (поперечная), электрические силовые линии идут радиально, а магнитные силовые линии имеют вид концентрических окружностей.

Волновое сопротивление r коаксиальной линии зависит от отношения диаметров D/d наружного и внутреннего проводников. Чем меньше это отношение, тем больше емкость линии и тем меньше r. Например, для воздушной коаксиальной линии при

D/d = 1,5 величина r составляет 25 ом, а при D/d= 8 она возрастает до 125 ом.

В большинстве случаев коаксиальные высокочастотные кабели выпускаются промышленностью с волновым сопротивлением 50, 75, 150 Ом.

К основным достоинствам коаксиальных линий передачи относятся следующие:

1) широкополосность, т.е. способность пропускать широкую полосу рабочих частот;

2) электромагнитное поле, имеющее структуру Т-волны, распространяется в пространстве между цилиндрами и во внешнюю среду волна не выходит, т.е. отсутствует паразитное излучение;

3) возможность изготовления в виде гибких коаксиальных кабелей.

Коаксиальные волноводы нашли широкое применение в радиоаппаратуре. Чаще всего они используются для соединения узлов и блоков радиоаппаратуры. Такие волноводы применяют в метровом и в сантиметровом диапазонах, обычно не выше 20 ГГц. С увеличением частоты растет затухание, которое может достичь более 1дБ/м.

2.1.3. Волноводы

Волноводами называются металлические трубки различного профиля, внутри которых распространяются электромагнитные волны (в миллиметровом диапазоне длин волн волноводы могут быть сделаны и из диэлектрика).

Профиль сечения волноводов может быть любым, но из технологических соображений делается, как правило, круглым, либо прямоугольным .

Фото. 1. Прямоугольные волноводы в различном исполнении.

Габариты сечения волноводов зависят от диапазона частот, для которых этот волновод применяется. Эти габариты стандартизованы.

Диапазон частот, в котором, как правило, используется прямоугольный волновод – 1000 – 100 000 МГц.

Рис. 1. Габариты сечения волновода.

Критическая длина волны λкр в волноводе зависит от размера его широкой стенки а - λкр = 2а, и показывает максимальное для данного размера волновода значение длины волны, более длинные волны в волноводе эффективно распространяться не будут.

В волноводах могут распространяться ЭМВ различных типов. Все они делятся на две группы: 1) электрические волны, обозначаемые Е, имеют электрическое поле, расположенное и в поперечном и в продольном направлениях, а магнитное поле только в поперечной плоскости; 2) магнитные волны, обозначаемые H, имеют магнитное поле, расположенное поперек и вдоль волновода, а электрическое поле только в поперечной плоскости.

В волноводах могут наблюдаться бегущие, стоячие и смешанные волны в зависимости от наличия большего или меньшего отражения на конце волновода. Режим работы линии характеризует коэффициент бегущей волны (КБВ), принимающий значения от 1 ( бегущая волна ) до 0 ( стоячая волна ).

Режим бегущей волны наиболее выгоден для передачи волн, так как при нем потери в волноводе наименьшие и в нагрузку отдается максимум энергии. Для получения в волноводе бегущей волны нагрузка должна полностью поглощать энергию, передаваемую по волноводу, т. е. выходное волновое сопротивление волновода rвых должно быть равно волновому входному сопротивлению нагрузки rвх. Такая нагрузка называется согласованной с волноводом.

Фото.2. Элементы волноводных трактов

2.1.4. Объемные резонаторы

Объемный резонатор это колебательная система СВЧ, предложенная советским ученым М. С. Нейманом в 1939-1940 гг., аналог колебательного контура, представляет собой объём, заполненный диэлектриком (в большинстве случаев воздухом) и ограниченный проводящей поверхностью.

Форма поверхности объемного резонатора в общем случае может быть произвольной, однако практическое распространение (в силу простоты конфигурации электромагнитного поля, простоты расчёта и изготовления) получили круглые цилиндры, прямоугольные параллелепипеды, тороиды, сферы и т.п.

Основные характеристики объёмного резонатора - резонансная частота, добротность и волновое сопротивление - отождествляются с характеристиками эквивалентного колебательного контура.

Некоторые типы резонаторов удобно рассматривать как отрезки полых или диэлектрических волноводов, ограниченные двумя параллельными плоскостями.

Рис.1. Тороидальные объемные резонаторы.

Рис. 2. Коаксиальный резонатор с торцевым зазором: 1 - в обкладки конденсатора, 2, 3 - петли связи, 4 - настроечный микрометрический винт.

Процесс накопления электромагнитной энергии в резонаторе можно пояснить на следующем примере: если между двумя параллельными отражающими плоскостями каким-либо образом возбуждается ЭМВ, распространяющаяся перпендикулярно к ним, то при достижении одной из плоскостей волна полностью отразится от неё. Многократное отражение от обеих плоскостей приводит к образованию волн, распространяющихся в противоположных направлениях и интерферирующих друг с другом. Если расстояние между плоскостями L = nλ/2 (λ — длина волны, а n — целое число), то интерференция волн приводит к образованию стоячей волны, амплитуда которой при многократном отражении сильно возрастает; в пространстве между плоскостями будет накапливаться электромагнитная энергия, подобно тому, как это происходит при резонансе в колебательном контуре.

2.1.5. Аттенюаторы

Аттенюа́тор ( фр. attenuer - смягчить, ослабить) - устройство для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения интенсивности СВЧ электромагнитных колебаний, это электронное устройство , которое уменьшает амплитуду или мощность сигнала без существенного искажения его формы.

Фото 1. Регулируемый аттенюатор Д5-21 для волноводного тракта.

Фото 2. Регулируемый аттенюатор Д4-3 для коаксиального тракта.

Аттенюатор является противоположностью усилителя , хотя оба эти устройства имеют различные принципы работы. В то время как усилитель обеспечивает усиление, аттенюатор обеспечивает ослабление.

Аттенюаторы используются для калиброванного измерения уровня мощности сигнала, для снижения чувствительности характеристик узла аппаратуры к изменениям сопротивления нагрузки, для оперативного изменения коэффициента передачи, балансировки каналов электронной аппаратуры, согласования сопротивлений в межкаскадных СВЧ-цепях, создания векторных модуляторов, а также при формировании сигналов со сложными видами модуляции.

2.1.6. Волноводные тройники

Волноводные тройники (Т-образные разветвления) бывают двух видов Н и Е.

Н-плоскостной тройник выполняется обычно так, что размеры поперечного сечения и, следовательно, волновые сопротивления всех трех волноводов одинаковы. Если плечи Б и В нагружены на одинаковые сопротивления, отстоящие на одинаковых расстояниях от разветвления, то мощность, поступающая в плечо А, поровну делится между плечами Б и В синфазно. На основании принципа обратимости следует, что две одинаковые синфазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Н-плечо А.

Рис.1. Н-плоскостной тройник

В Е-плоскостном тройнике при одинаковых нагрузках плеч Б и В, расположенных на одинаковых расстояниях от оси разветвления, мощность, поступающая из плеча А, поровну делится между этими нагрузками, но в противофазе. В обратном случае две одинаковые противофазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Е-плечо А.

Рис.2. Е-плоскостной тройник

Двойной волноводный тройник представляет собой соединение Е- и Н- тройников с совпадающими плоскостями симметрии.

Рис.3. Двойной волноводный тройник

При питании двойного тройника со стороны Е- плеча подводимая мощность делится поровну в противофазе между 2 и 3 боковыми плечами и не поступает в плечо Н.

При подключении генератора к Н- плечу мощность распределяется поровну между 2 и 3 плечами синфазно и не поступает в Е- плечо.

Из сказанного выше следует, что плечи Е и Н двойного тройника взаимно развязаны.

На основании принципа обратимости следует, что две одинаковые синфазные волны, поданные из боковых плеч, сложатся и пройдут в Н-плечо, две одинаковые противофазные волны из боковых плеч пройдут в Е-плечо; в этих случаях Е- и Н-плечи остаются развязанными.

Волноводные тройники применяются в антенных системах РЛС.

2.1.7. Ответвители

Направленные ответвители представляют собой сочленение связанных между собой определенным образом волноводов, в каждом из которых может распространятся только одна волна.

Фото. Направленные ответвители.

В сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн применяют волноводную конструкцию ответвителя. Он состоит из двух отрезков волновода, которые имеют на определенном участке общую тонкую стенку (широкую или узкую). В стенке, разделяющей волноводы, сделаны отверстия, служащие элементами связи, через которые ответвляется небольшая часть мощности из первичного волновода во вторичный. Количество отверстий, их форма и размеры определяют характеристики ответвителя. Направленное распространение во вторичном волноводе достигается в результате интерференции возбуждённых в нём волн, которые, складываясь, в одном направлении взаимно гасятся, а в другом — образуют результирующую ответвлённую волну.

Направленные ответвители широко используются в антенных ситемах СВЧ для измерения мощности, длины волны, модуля коэффициента отражения от нагрузки в линии передачи, наблюдения формы сигнала. Также направленные ответвители применяются в смесителях приемников СВЧ.

2.1.8. Фазовращатели

Фазовращатель СВЧ, устройство, предназначенное для изменения фазы электромагнитных колебаний на выходе линии передачи СВЧ относительно фазы колебаний на её входе, осуществляемого посредством изменения электрической длины этой линии. (Электрическая длина линии равна 2πl/λ, где l – её геометрическая длина, λ – длина волны в линии.) Фазовращатели подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.

Рис.1. Простейший фазовращатель на прямоугольном волноводе с продольно-намагниченным ферритом

Регулируемый фазовращатель – участок Фидера, вносящий фазовый сдвиг на определённой частоте (или требуемые сдвиги фаз в заданной полосе частот), который при необходимости можно регулировать по величине. Различают фазовращатели с механическим (или электромеханическим) управлением фазовым сдвигом и фазовращатели с электрическим управлением.

Нерегулируемый фазовращатель реализуют в виде калиброванного по фазе отрезка фидера, фазовый сдвиг в котором достигается подбором значения его длины, размеров поперечного сечения (при использовании волновода) либо эффективной диэлектрической проницаемости.

Основная область использования регулируемых фазовращателей

СВЧ – ФАР.

Фото. 1. Фазовращатели входят в состав управляемых излучателей ФАР проходного типа, из которых собрано антенное полотно.

Рис. 2. Управляемый излучатель ФАР.

Управляемый излучатель состоит из управляемого ферритового фазовращателя, двух диэлектрических излучателей и схемы управления. Фазовращатель выполняет роль управляемой задержки сигнала на время, не превышающее периода СВЧ колебаний.

2.1.9. Фильтры СВЧ

Фильтр - устройство, предназначенное для выделения из сложного колебания частотных составляющих, заданной области частот.

Основные функции фильтров СВЧ:

частотная селекция в ВЧ РПрУ, для защиты от зеркальных каналов приема;

выделение в приемниках полезного сигнала из спектра шумов и помех;

формирование заданного спектра излучения передатчиков.

В диапазоне СВЧ большинство фильтров строится на объемных резонаторах.

АЧХ фильтров СВЧ, как правило, имеет колокольную форму:

Рис. Амплитудно-частотная характеристика фильтра, где f 0 – частота настройки фильтра (резонансная), D f – полоса пропускания фильтра, определяемая его добротностью Q, D f = f 0 / Q.

Следовательно для получения в диапазоне СВЧ f = 0,3 – 300 ГГц полосы пропускания в единицах МГц добротность Q таких фильтров должна составлять величину 1000 – 100 000.

Получение высокодобротных фильтров на базе объемных СВЧ резонаторов сложная и дорогостоящая техническая задача, связанная с высочайшими требованиями к точности и качеству механической обработки резонаторов. Следовательно, стоимость таких фильтров весьма высока.