Багатополюсники НВЧ і методи їхнього опису

Будь-якому хвилевідному вузлу (рис. 2.2) можна поставити у відповідність багатополюсник НВЧ. Він являє собою зчленування декількох взаємозалежних хвилеводів. Хвилеводи каналів (пліч) можуть бути різного типу: прямокутного, круглого, смужкового та ін. (див. рис. 2.2).

Якщо в кожнім хвилеводі поширюється (точніше, є робочим один тип хвиль), то через цей хвилевідний канал багатополюсник зв'язаний з іншими пристроями двома фізичними величинами: хвилею, що поширюється до багатополюснику (падаюча хвиля) і хвилею, що поширюється від багатополюсника (відбита чи розсіяна хвиля). Число полюсів у два рази перевищує кількість каналів (пліч) багатополюсника. Комплексну амплітуду хвилі, що поширюється в плечі з номером і

Рис. 2.2 до багатополюснику (падаюча хвиля) будемо позначати через Eіпад, а комплексну амплітуду хвилі поширюється від багатополюсника (відбита хвиля), - через Eіотр.

У дійсні час широке поширення одержали матричні способи опису багатополюсников НВЧ за допомогою матричних опорів [Z], провідностей [Y], матриць передачі [T] і розсіяння [S].

Розгляд почнемо з матриць чотириполюсників (рис.2.3). У діапазоні НВЧ доцільно використовувати матриці передачі і розсіювання, тому що вони дозволяють досить легко розраховувати такі параметри ланцюгів НВЧ як коефіцієнт передачі, коефіцієнт відбиття й ослаблення.

Хвильова матриця передачі визначає зв'язок амплітуд падаючої і відбитої хвиль на вході чотириполюсника з амплітудами відбитої і падаючої хвиль на його виході:

Якщо чотириполюсник навантажений на погоджене Рис. 2.3 навантаження ( Е_2ПАД =0), то коефіцієнт матриці дорівнює

Отже, - є величина зворотна коефіцієнту передачі. Тому загасання, внесене чотириполюс-ником, дорівнює .

Хвильовою матрицею передачі зручно користатися при аналізі каскадного з'єднання елементів НВЧ. При цьому загальна матриця визначається як добуток матриць усіх чотириполюсників.

Хвильова матриця розсіювання визначає зв'язок між амплітудами відбитих і падаючих хвиль на вході і виході чотириполюсника

(2.1).

Звідси видно, що при

;

Таким чином, є коефіцієнт відбиття від входу чотириполюсника а - коефіцієнт передачі чотириполюсника.

Оскільки в загальному випадку , ,те модуль показує відношення амплітуд відповідних напруг і минулих через чотириполюсник хвиль до амплітуди падаючої хвилі, а фази визначають на яку величину змінюється фаза надходячої до його 1-1 хвилі (рис 2.3), при відбитті і проходженні.

Вираження (2.1), справедливо для чотириполюсника, легко узагальнюється для 2n-полюсника де (2.1.а)

- матриця стовпець падаючих хвиль;

- матриця стовпець відбитих хвиль;

- матриця розсіяння, порядок якої дорівнює числу полюсів багатополюсника.

Елемент S_kі матриці S є коеф. пропущення з і плеча в k-е, якщо . При і=k - це є Г.

Якщо =0, то плече і називається погодженим і при подачі сигналу в це плече відбиття (відбиття) від нього немає.

Якщо S_іk =0 і S_kі=0, то при подачі сигналу в ці плечі сигнал на виході відсутній.

Якщо S_іk =0 і то сигнал з плеча k у плече і не надходить - однобічна розв'язка.

Величини елементів матриць розсіювання [S] цілком визначаються тільки внутрішнім пристроєм хвилевідного вузла і не залежать від того які навантаження і які джерела підключені до його плечем. У цьому безсумнівну перевагу опису елементів бази НВЧ [S] - матриць у порівнянні з іншими.

До лекції 2

Чотириполюсники НВЧ

Чотириполюсники НВЧ є найпоширенішими елементами хвилевідніх трактів телекомунікаційних систем. До них, у першу чергу, відносяться відрізки регулярних ліній передачі, різні сплетення, вигини, скрутки, атенюатори, фазообертачі та ін. НВЧ елементи.

Матриці [S] і [T] однорідного відрізка лінії передачі довжиною відповідно мають вид:

тобто вони описують тільки набіг фази на довжині .

Хвилевідні зчленування

Для зручності монтажу і ремонту хвилевідній тракт звичайно збирається з окремих секцій (відрізків). Хвилевідні зчленування служать для з'єднання секції з однаковою формою і розмірами поперечного переріза. Вони можуть бути твердими, гнучкими й обертовими.

Тверді зчленування можуть бути контактними і безконтактними.

Контактні зчленування

Контактні зчленування виконуються за допомогою притертих фланців (рис. 2.4.а) чи фланців із бронзовими пружними прокладками (рис. 2.4.б).

а) Рис. 2.4 б)

У першому випадку використовуються плоскі фланці. Надійність контакту залежить від точності обробки фланців. Таке зчленування простої? легеня і не зменшує діапазону частот тракту. Але має істотні недоліки:

1) різке погіршення контакту при численних розбираннях тракту (мала надійність);

2) необхідність точної обробки фланців (складність при масовому виробництві).

Ці недоліки частково усувається при установці між фланцями пружної прокладки (із бронзи) (рис. 2.5). Зчленування з пружною прокладкою конструктивно складніший, чим попереднє, але більш надійний в експлуатації. Недолік контактного зчленування з прокладками - витік енергії через зазори між пелюстками і фланцями, а також трохи більший

Рис. 2.5 рівень втрат у контактах.

Безконтактні зчленування

У цих зчленуваннях використовують один плоский, а інший дросельний фланець. (рис. 2.6). Безпосередній, гальванічний контакт між хвилеводами, що з'єднуються, не обов'язковий.

Електричний контакт у крапці А забезпечується за допомогою 2-х чвертьхвильових відрізків АВ і ВР.

У крапці З - опір дорівнює 0, отже, через у крапці У воно дорівнює нескінченності" і ще через у крапці А буде також дорівнює нулю. Рис. 2.6

Відрізок АВ - радіальна лінія, утворена плоскими частинами фланців. Відстань X=0,2-1 мм. Відрізок ВР - коаксіальна лінія, утворена кільцевий проточний дросельного фланця (рис.2.7.а). Для збільшення диапазоності розмір У =(2-5) X . Іноді проточка робиться часткової, тільки в широкої стінки хвилеводу (рис. 2.7.б).Таке зчленування допускає перекіс і не вимагає точної обробки.

Рівень потужності, що просочується через зчленування, 80-60 дБ.

Рис. 2.7

Гнучкі зчленування

Застосовуються в тих випадках, де необхідно забезпечити невеликі переміщення хвилеводів відносно один одного, а також для усунення передачі механічних навантажень (наприклад, вібрації) від однієї частини тракту до іншої.

Розрізняють гнучкі зчленування і нерезонансні і резонансні. До нерезонансного відносяться сітчасті і гофровані тонкостінні хвилеводи рис. (2.8.а)

Середні розміри прозорого перетину гнучкого хвилеводу такі ж як у твердого. Для зменшення

відбитої хвилі розміри гофра й осередків сітки

виробляють багато менше довжини хвилі. Щоб

збільшити механічну міцність і пружність,

гнучкі хвилеводи покривають гумовою

оболонкою. Резонансні гнучкий хвилевід

складається з окремих довжиною λ /4 відрізків

хвилеводів, з'єднаних дросельно-фланцевими

зчленуваннями"(рис.2.8.б). У єдине ціле відрізки

а) Рис. 2.8 б) з'єднуються гумової чи пружному металевою оболонкою. Для зменшення відбиття береться непарне число відрізків. Чим більше число таких відрізків, тим більше переміщення можна одержати.

Обертові зчленування

Застосовуються для передачі ЕМЕ з нерухомої частини тракту в обертову і навпаки. Щоб при обертанні не змінювалися умови поширення хвилі необхідно використовувати хвилі, полючи яких мають осьову симетрію: e^о_О1 , H^о_О1 і Т° у коаксіальній лінії. Хвиля H^о_О1 не використовується, тому що необхідно приймати міри до придушення 4-х типів хвиль H^о_11, e^о₀₁, H^о₂₁, Е^о₁₁, умова поширення, полючи яким виконується.

Найбільше часто застосовуються обертові зчленування., в. яких використовуються круглий хвилевід із хвилею e^о₀₁ (рис.2.9.а,б,г). Таке зчленування складається з 2-х трансформаторів типів хвиль. Один перетворить основну хвилю прямокутного хвилеводу Н₁₀ у хвилю Е^о₀₁ круглого, а інший e^о₀₁ - H₁₀.

Електричний контакт забезпечується (між рухливою і нерухомою частинами) за допомогою дросельного

зчленування, утвореного двома λ_Х/4 відрізками

коаксіальної лінії. Для розширення діапазону Y

відрізків відрізняється не менш чим у 2 рази.

Діаметр круглого хвилеводу вибирається так, щоб

виконувалася умова поширення хвилі e^о₀₁ і не

поширювалася наступна хвиля вищого типу H^о₂₁. З

г) Рис. 2.9 діаграми типів хвиль випливає, що при цьому

2,06а < λ <2,61a, відкіля а = λ_ср/2,3.

Для узгодження обертового зчленування в круглому хвилеводі встановлюються кільцеві діафрагми, а в прямокутному -індуктивна: діафрагма або штир.

Застосовуються зчленування на коаксіальних лініях із хвилею Т (рис. 2.9.в).

Хвиля H₁₀ у переході ґудзикового типу трансформується в хвилю T, що потім за допомогою пестикового переходу, у хвилю H₁₀. Електричний контакт забезпечується дросельним зчленуванням.

При поганому центруванні внутрішнього провідника з'являється паразитна амплітудна модуляція і знижується електрична міцність.

У коаксіальних обертових зчленуваннях контакт забезпечується за допомогою дросельного зчленування .

Останнім часом знаходять застосування багатоканальні обертові зчленування. На рис. 2.10 приведена конструкція двоканального обертового зчленування. Зчленування представляє комбінацію двох зчленувань: чисто коаксіального і зчленування, зображеного на рис. 2.9 в. Рис. 2.10

Хвилевідні вигини

Для зміни хвилеводу застосовуються спеціальні вигнуті секції, що включаються між прямолінійними ділянками. Хвилевід згинатися як по вузькій стінці ( рис. 2.11) (Н- поворот), так і по широкій (рис. 2.12 ) (Е - поворот).Хвилевідні вигини - це нерегулярності тому їхню конструкцію і розміри потрібно вибирати так ,щоб вони створювали мінімальні відбиття.

Рис. 2.11 Рис. 2.12

Хвильовий опір по напрузі вигнутої ділянки буде відрізнятися, від хвильового опору прямолінійного в ділянки.

Оскільки вхідний опір напівхвильового відрізка хвилеводу дорівнює опору навантаження, те якщо довжину вигину взяти рівної mλх/4,(m=1,2), те поворот виявиться погодженим.

При вигині хвилеводу на 90° довжина L складає чверть окружності, тому радіус вигину визначається по формулі

R=(m/π) λх, де m=1,2,3…

Число m вибирається з урахуванням припустимого радіуса вигину, що визначається ступенем деформації стінок, Величина радіуса береться не менш розміру стінки, у площині якої здійснюється поворот. Ці вигини досить широкополосні (+/- 20%).

Застосовуються також хвилевідні куточки. Причому злам може здійснюватися в Е- чи Н- площини. Величина скосу залежить від. частоти і підбирається експериментально.

Застосовуються також куточки з подвійним зламом (рис. 2.11. а), що забезпечує більш високу широкополосність у порівнянні з куточком з одним зламом. Кутові повороти мають менші габарити в порівнянні з куточком з одним зламом. Кутові повороти мають менше габарити в порівнянні з плавними, але мають меншу широкополосність.

Для повороту площини поляризації використовуються скручені секції (скрутки) (рис.. 2.13)

Вони також є нерегулярними елементами, тому як верб випадку плавного вигину їхня довжина вибирається рівної (mλх)/2 . При повороті на 90° довжина L>>λх. Смуга пропущення скручених ділянок +/-6% при К_c< 1,05.