Фиксированные аттенюаторы на полосковых линиях

В трактах ТКС на полосковых и микрополосковых линиях обычно применяют дискретные ступенчатые аттенюаторы на сосредоточенных резисторах. Каждая ступень аттенюатора, как правило, имеет вид или Т-(риc.2.19.а) или П-образного (рис.2.19.б) соединения активных сопротивлений, ко входу и выходу которого подключены подводящие полосковые линии с волновым сопротивлением Z_B.

По известным величинам Z_В, R₁ и R₂ нетрудно найти матрицу сопротивлений или матрицу проводимостей , а по ним – матрицу рассеяния для рассматриваемых эквивалентных схем. Используя

а) найденные элементы матрицы , определяют согласование на входе схемы К_Б =(1- и вносимое схемой затухание Для обеспечения согласования с подводящими линиями (К_Б =1) величины резисторов необходимо подбирать по

б) следующим соотношениям:

Рис. 2.19 -для Т-образной схемы R₁=Z_B/A, R₂=Z_B/B;

- для П-образной схемы R₁=Z_BA, R₂=Z_BB,

где А=(К+1)/(К-1); В=(К² -1)/(2К); К² =10^L/10.

Сосредоточенные резисторы применяют на частотах вплоть до 12…18 ГГц, однако на частотах выше 1…2 ГГц используют специальные конструкции резисторов, называемых ЧИП-резисторами. Их применяют в микрополосковых линиях в составе гибридных интегральных схем. Такой резистор представляет собой весьма малую диэлектрическую пластину, на которую нанесены резистивный слой (поглощающая пленка) и контактные площадки (рис.2.20). Рис. 2.20

Например, один из типичных размеров пластины мм, при этом размер участка с резистивным слоем мм, а контактных площадок- мм. Столь малые размеры и позволяют рассматривать такие элементы в качестве сосредоточенных резисторов на частотах до 12…18 ГГц. Рис. 2.21

На рис.2.21 показана микрополосковая конструкция Т-звена с использованием ЧИП- резисторов.

Используя набор отдельных ступеней с разными вносимыми затуханиями, можно построить дискретный аттенюатор, обеспечивающий ряд фиксированных значений вносимого затухания, отличающихся на постоянную величину , называемую дискретом затухания.

Предельные аттенюаторы

В предельных аттенюаторах не происходит преобразование ЭМЭ в тепловую и поэтому они могут использоваться в волноводных трактах ТКС большой мощности. Для ослабления в них используются свойства запредельного волновода при

Прикладом може бути позамежний атенюатор , що являє собою відрізок позамежного (для робочих довжин хвиль) круглого хвилеводу радіусом R, в обидва торці якого введено петлі чи диски зв’язку, котрі є продовженням центральних провідників коаксіальних ліній (рис.2.2.2).

	l
		a)

в)

Рис. 2.22. Позамежні атенюатори:

а – на полі типу Е₀₁;

б – на полі типу Н₁₁;

в – на полі типу

1 – вхідний коаксіал;

2 – узгоджувальна шайба;

3 – диск зв’язку хвилі Е₀₁;

б) 4 – позамежний хвилевід;

5 – вихідний коаксіал;

6– узгоджувальний резистор;

7 – петля зв’язку хвилі Н₁₁

Петля збуджує в круглому хвилеводі переважно місцеве поле Н₁₁, диск - місцеве поле Е_01, штирь- місцеве поле Н₁₀. Змінюючи довжину l круглого хвилеводу, одержимо більше чи менше ослаблення атенюатора, тому що амплітуда місцевого поля в круглому хвилеводі зменшується за експоненціальним законом

де

Ослаблення, внесене позамежним атенюатором і відлічуване в децибелах, лінійно залежить від відстані l,тому що

L = 10 lg (E(0)/E(l))² = 8,68al,

і практично не залежить від частоти.

Останнє пояснюється тим, що для l l_кр (а саме такі довжини хвиль є робочими для позамежного атенюатора) a » 2pl_кр » const. Ця особливість атенюатора істотно полегшує його градуювання. У разі використання хвилі Н₁₁ чи Е₀₁ a відповідно дорівнює u₁₁/R чи a = u₀₁/R. Ослаблення поля в атенюаторі відбувається через відбиття частини потужності назад до генератора, тому для підтримки в лінії режиму, близь-кого до режиму біжучої хвилі, в атенюатор уводять узгоджувальне навантаження з поглинального матеріалу. Тому позамежному атенюатору властиве зазвичай значне початкове ослаблення.

Чаще всего предельные аттенюаторы используются для ответвления части мощности из основного тракта (рис.2.23).

Рис. 2.23

Фазовращатели

Фазовращатели– это устройства, служащие для изменения фазы ЭМВ, поступающей на их вход. Они делятся на проходные и отражательные, плавные (аналоговые) и скачкообразные

(дискретные), с механическим управлением фазовым сдвигом и электрическим.

Исходя из классической формулы для фазы колебаний , где

соответственно эквивалентная диэлектрическая и магнитная проницаемости, на фиксированной частоте фазу можно регулировать путем:

1) изменением геометрической длины ;

2) изменением фазовой скорости ЭМВ, то есть путем изменения волновой (электрической) длины ( ) отрезка линии передачи;

Во втором случае =2 , где - длина волны в волноводе, и отсюда следует, что изменение фазы ЭМВ можно обеспечить:

1) включением в линию передачи сосредоточенной реактивности (в общем случае

регулируемой).;

2) изменением путем варьирования размерами поперечного сечения волновода;

3) изменением значений и благодаря введению в волновод диэлектрической или магнитодиэлектрической пластины.

На практике применяют проходные и отражательные фазовращатели.

Проходной фазовращатель является двухплечным устройством. В идеальном случае ЭМВ должна проходить со входа на выход такого устройства без отражений и затухания, получая лишь фазовый сдвиг В этом случае фазовращатель можно представить в виде эквивалентного четырехполюсника, матрица рассеяния которого имеет вид

.

Отражательный фазовращатель является одноплечным устройством, которое в идеальном случае полностью отражает ЭМВ, поступающую на его вход. При этом фаза отраженной волны изменяется на по отношению к фазе падающей волны. Такой фазовращатель можно представить в виде эквивалентного двухполюсника, описываемого коэффициентом отражения на входе

Фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем, может быть или фиксированным или управляемым. В фазовращателях с регулируемым фазовым сдвигом величина может изменяться плавно (плавные или аналоговые фазовращатели) или скачкообразно (дискретные фазовращатели).

Управление вносимым фазовым сдвигом обычно осуществляют механическим или электрическим путем. В механических фазовращателях изменение вносимого фазового сдвига происходит вследствие перемещения отдельных элементов конструкции, а в электрических -под в Изменение фазовой скорости волны оздействием подаваемых электрических сигналов.

Ниже рассматриваются наиболее распространенные конструкции механических фазовращателей (электрически управляемые фазовращатели изучаются во втором разделе мод.2 дисциплины).

В частности, на рис. 2.24, 2.25 изображены схемы фазовращателей тромбонного типа, то есть конструкции, у которых изменяется длина . Это по классификации проходные механические плавные фазовращатели. В первом случае фазовращатель выполнен на основе коаксиальной линии, у которой благодаря перемещению подвижной части изменяется длина линии между входом и выходом устройства. Для устранения отражения

Рис. 2.24 проходящей волны скользящие контакты во внешнем и внутреннем проводниках разнесены, что позволяет обеспечить одина ковое во всех сечениях линии независимо от положения подвижной части. Компенсация отражений в местах скачкообразного изменения диаметров внешнего и внутреннего проводников коаксиальной линии обеспечивается последовательным включением коротких отрезков коаксиальной линии с большей величиной волнового сопротивления, чем . Эквивалентной схемой таких отрезков является последовательно включенная индуктивность, величина которой подбирается так, чтобы компенсировать влияние емкости в эквивалентной схеме стыка коаксиальных линий с разными размерами металлических проводников.

Вторая схема (рис.2.25) выполнена на основе волноводного щелевого моста, в выходных плечах которого установлены подвижные Рис. 2.25

короткозамыкающие поршни. По свойствам щелевого моста волна, поступающая на его одно входное плечо, делится поровну между выходными плечами, отражается от короткозамыкателей и вновь складывается синфазно во втором входном плече моста. Поэтому вносимый фазовый сдвиг в данном фазовращателе определяется удвоенным расстоянием, на которое синхронно перемещаются поршни, поскольку ЭМВ сначала распространяясь в сторону короткозамыкателей проходит расстояние , а затем отражаясь от них проходит его еще раз.

Изменение фазовой скорости волны, распространяющейся по отрезку линии, можно обеспечить с помощью изменения параметров среды, заполняющей этот отрезок. При этом можно получить вносимый фазовый сдвиг, не изменяя длину отрезка линии. В частности, конструктивно в прямоугольный волновод с основной волной Н₁₀ вводится тонкая диэлектри-ческая пластина длиной параллельно его узким стенкам (см. рис. 2.15, то есть как в аттенюаторе, но без поглощающего слоя). В последнем случае фазовращатель называют диэлектрическим и пластину перемещают от края (узкая стенка волновода) к центру прямоугольного волновода с помощью держателя, пропущенного через отверстие в боковой стенке волновода и связанного с механизмом перемещения со шкалой, отградуированной в относительных единицах или непосредственно в градусах. Для уменьшения отражений концы пластины заостряют.

При продвижении пластины в область большей концентрации поля Е (к центру поперечного сечения прямоугольного волновода (см. рис. 2.18. а.)) увеличивается замедление волны в волноводе и растёт запаздывание, вносимое пластиной, а значит и изменение фазы, вносимое устройством. Математически это оценивается путем замены в формуле для на эффек-тивную диэлектрическую проницаемость _эф= V_ф0 /V_ф , которая изменяется примерно от единицы (пластина около узкой стенки) до некоторой максимальной величины (пластина расположена в середине широкой стенки). Это связало с тем, что вблизи узкой стенки, где амплитуда вектора Е близка к нулю, мощность, переносимая ЭМВ равна нулю, а в середине широкой стенки, где амплитуда вектора Е максимальна, максимальна и энергия, переносимая волной внутри пластины.

Достоинством таких фазовращателей является конструктивная простота и небольшие габариты. Недостаток – потери в диэлектрике.

Фазовращатели, у которых изменение фазовой скорости волны осуществляется путем изменения применяются сравнительно редко. В качестве примера на рис.2.26 (3.36) приведена конструкция такого фазовращателя на отрезке прямоугольного волновода с основной волной, у которого на участке по средней линии обоих широких стенок прорезаны продольные неизлучающие щели.

При сжатии волноводов в поперечной плоскости изменяется размер „а” и, следовательно, критическая длина волны. Вносимый фазовый сдвиг при этом можно определить как , где и - соответственно коэффициенты фаз до сжатия и после сжатия волновода.

Общие достоинства механических фазовращателей:

- большая точность установки фазы;

- малая зависимость от внешних условий.

Недостаток- малая скорость изменения фазы. Этот недостаток устраняется электрически управляемыми фазовращателями.

Преобразователи поляризации (поляризаторы)

В ряде волноводных трактов ТКС возникает необходимость преобразования одного вида поляризации ЭМВ в другой, например, линейной поляризации в круговую и наоборот. Кроме того, для увеличения объема передаваемой информации в системах космической связи и спутникового вещания обычно используют ЭМВ с круговой поляризацией вектора Е, причем одновременно применяют сигналы как с левой поляризацией, так и правой.

Рассмотрим несколько классических конструкций взаимных преобразователей линейной поляризации в круговую.