Волноводы и элементы волноводного тракта

Практическая работа №1

по МДК.01.03: Технология монтажа оборудования систем мобильной связи

 

наименование работы: Технология монтажа волноводного тракта.

для специальности: 11.02.08

работа рассчитана на 2 часа

 

 

Смоленск, 2017

1. Цель работы:

 

1.1. Изучить технологию монтажа волноводного тракта.

 

2. Информационные ресурсы:

2.1. Гольдштейн, Б.С. Сети связи пост- NGN/Б.С. Гольдштейн, А.Е Кучерявый. – СПБ.:БХВ-Петербург,2013.- 160с.: ил. - ISBN 978-5-9775-0900-8

2.2. Сакалема, Д. Ж. Подвижная радиосвязь / Под ред. Профессора О.И. Шелухина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2012. – 512 с.: ил. – ISBN 978-5-9912-0250-3

 

3. Вопросы домашней подготовки:

3.1. Изучить состав оборудования БС.

3.2. Изучить типы и конструкции антенно-фидерных опор.

3.3. Изучить применение волноводов в АФС.

 

4. Задания:

4.1 Изучит типы волноводов.

4.2 Изучить методы изготовления волноводов.

4.3. Изучить применение волноводов в АФС.

 

 

Порядок выполнения работы.

5.1. Ознакомиться с заданием.

5.2. Подготовить ответы на контрольные вопросы.

 

Содержание отчета.

6.1. Наименование, цель, задание практической работы

6.2. Выполненное задание.

6.3. Вывод о проделанной работе.

7. Контрольные вопросы:

7.1 Какие типы волноводов существуют?

7.1 Какие бывают методы изготовления волноводов?

7.2 Как волноводы применяют в АФС

7.3?

Приложение

Конструктивно-технологические особенности изготовления антенных отражателей, волноводов и резонаторов

Для передачи энергии СВЧ колебаний миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов используются волноводные системы или волноводные тракты, которые сокращенно называются волноводами. Обычно волноводное звено состоит из отрезка трубы с соединенными фланцами на концах.

Рис.1. Волновод.

Все звенья должны иметь хорошо проводящие внутренние поверхности. По форме поперечного сечения волноводные звенья из труб разделяются на прямоугольные, эллиптические и круглые. По конструкции стенок звенья подразделяются на жесткие и гибкие. Жесткие звенья делятся на прямые и изогнутые.

Для генерирования СВЧ колебаний в качестве контуров применяются полые резонаторы различной формы.

Рис.2. Виды полых резонаторов: цилиндрический, прямоугольный, тороидальный.

Для излучения и приема СВЧ энергии в пространство используются различные металлические и металлизированные поверхности. Идеальным отражателем является гладкая металлическая поверхность. Однако в ряде случаев для изменения веса и снижения ветровых нагрузок применяются решетчатые и сетчатые конструкции.

Основная технологическая задача при изготовлении элементов СВЧ –трактов передачи энергии – это: 1. высокая чистота внутренней поверхности волноводов и резонаторов и наружной отражательной поверхности антенных излучателей; 2. их высокая электропроводность; 3. защита поверхности проводящего слоя от коррозии.

 

Неметаллические покрытия

 

Неметаллические покрытия получают в процессе химической и электрохимической обработки.

На поверхности деталей образуются тонкие плотные пленки окислов и других химических соединений, защищающих изделия от влияния внешней среды или обладающих другими желаемыми свойствами, например изоляционными.

К неметаллическим покрытиям относятся: анодирование, оксидирование, пассивирование, фосфотирование.

Анодирование применяется как покрытие на алюминии и его сплавах. В результате анодирования на поверхности изделия образуется прочная оксидная пленка.

Электрохимическое анодирование производят в 20% растворе серной кислоты, детали присоединяют к аноду, катодом служит свинцовая пластина. Для получения золотисто-желтого цвета детали дополнительно обрабатывают в 10% растворе хромпика (К2Cr2O7), молочного цвета – в хромовом агнедриде.

Оксидирование – получение окисных пленок путем обработки в растворах щелочей и кислот. Оксидируются стальные детали, медные и латунные.

Пассивирование – получение тонких защитных пленок на стали и цветных сплавах с использованием окислов хрома.

Фосфотирование – применяется как антикоррозионное и изоляционное покрытие алюминиевых и стальных деталей. При фосфотировании изделие покрывается нерастворимой пленкой солей фосфорной кислоты.

Фосфорная пленка пориста, поэтому фосфотированные детали покрывают лаком или промасливают.

Элементы ВЧ тракта

Рассмотренные ниже элементы волноводного тракта используются для построения антенно-фидерных систем станций помех дециметрового и сантиметрового и сантиметрового диапазонов.

 

 

Волноводные секции

Для изменения направления волноводов при их монтаже применяют специальные изогнутые секции и прямоугольные изгибы, включаемые между прямолинейными участками волноводов.

Для предотвращения изменения структуры поля в волноводе и появления в связи с этим нежелательных отражений изогнутые секции и прямоугольные изгибы должны обеспечивать плавный переход энергии с одного участка волновода в другой.

Поворотные изогнутые секции и прямоугольные изгибы волновода можно делать как в плоскости электрического поля (Е-плоскости), так и в плоскости магнитного поля (Н-плоскости).

В тех случаях, когда требуется изменить направление электрического поля в прямоугольном волноводе, применяют скрученные секции. Чтобы структура, поля в волноводе заметно не изменялась, длина секции должна быть не менее двух длин волн.

Если необходимо соединить два волноводных отрезка с различными сечениями, то между ними, также как и в фидерных коаксиальных линиях, включают согласующий трансформатор. Длина согласующего трансформатора берется равной λ/4 или нечетному числу четвертей длины волны. Волновое сопротивление согласующего трансформатора ρ_т должно быть равным ρ_т =, где ρ1 – волновое сопротивление первого волновода; ρ2 - волновое сопротивление второго волновода. Согласующие трансформаторы применяются также в ВЧ трактах станций КВ и УКВ диапазонов.

Разветвления волноводов

В ряде случаев энергию от основного волновода надо подавать по двум, а иногда и по трем различным направлениям. Разветвления волноводов выполняются при помощи так называемых тройников или Т-образных соединений.

Тройники образуются путем присоединения одного волновода к прорези (щели) на широкой или узкой стенке другого волновода. Если один волновод присоединен к другому со стороны широкой стенки, т. е. в плоскости электрического поля (рис. 3.2.13,а), то в этом случае разветвляются силовые линии электрического поля, а входной волновод носит название Е-плеча. Энергия при поступлении через Е-плечо передается в боковые ветви так, что поля на равных расстояниях от оси симметрии волноводного соединения находятся в противофазе.

 

Если один волновод присоединен к другому со стороны узкой стенки, т. е. в плоскости магнитного поля, то в этом случае разветвляются силовые линии магнитного поля, а входной волновод носит название Н-плеча. Энергия при поступлении через Н-плечо передается в боковые ветви так, что поля на равных расстояниях отоси симметрии волноводного соединения находятся в фазе

Если нагрузки, подключаемые к боковым плечам на равных расстояниях от оси симметрии, равны между собой, то мощность делится поровну между боковыми плечами.

Следует отметить, что энергия иногда подводится к тройникам нечерезЕ - или Н-плечо, а со стороны боковых плеч разветвления; Е - и Н-плечи в этом случае будут являться выходными.

Пусть со стороны боковых плеч навстречу друг другу распространяются электромагнитные волны. Если амплитуды сигналов одинаковы и их поля на равных расстояниях от оси симметрии находятся в фазе, то в Е-плечо Т-образного Е-разветвителя энергия поступать не будет, а в Н-плечо Т-образного Н-разветвителя энергия будет поступать. Если амплитуды сигналов равны, а их поля на равных расстояниях от оси симметрии находятся в противофазе, то энергия будет поступать в Е-плечо Т-образного Е-разветвителя, а в Н-плечо Т-образного Н-разветвителя энергия поступать не будет.

Волноводные мосты

Волноводные мосты используются для развязки генераторов, имеющих разные частоты и работающих на общую нагрузку, для измерения рассогласований, а также в качестве элементов антенных коммутаторов и балансных смесителей. Наиболее часто применяются Т-мост и щелевой мост.

Т-мост представляет комбинацию из двух волноводных тройников. Если к плечам 3 и 4 моста подключить согласованные нагрузки и питать его со стороны плеча 2, то из-за симметрии моста энергия в плечо 1проникать не будет. При питании со стороны плеча 1 энергия пойдет к плечам 3 и 4 и не пойдет в плечо 2. Таким образом, при симметричных нагрузках плеч 3 и 4 плечи 1 и 2 оказываются развязанными.

 

Если питать мост через плечо 2, то рассогласование в одном из плеч 3 или 4 вызывает появление СВЧ энергии в плече 1. Это явление позволяет использовать мост в качестве индикатора рассогласования. Недостаток. Т-моста — необходимость применения, дополнительного согласующего устройства и жесткие требования к точности изготовления.

Щелевой мост. Наиболее распространена конструкция в виде двух волноводов, имеющих общую узкую стенку, часть которой вырезана (рис. 3.2.15,б). В центральной части стоит емкостный штырь, компенсирующий отраженные волны, возникающие в месте сочленения узкого и расширенного участков. Аналогичная конструкция существует и в коаксиальном исполнении.

Щелевой мост можно рассматривать как направленный ответвитель с распределенной связью и переходным ослаблением С=3 дБ. Если питать мост со стороны плеча 1и в плечи 3 и 4 включить согласованные нагрузки, то в плечо 2 энергия не пойдет.

Длина щели lщ моста выбирается из условия, чтобы мощность, поступающая в плечо 1, делилась поровну между плечами 3 и 4. При этом фазы колебаний в плечах будут отличаться на 90°. В плечо 2 сигнал не проходит. Если одна из нагрузок в плече 3 или 4 окажется несогласованной, то появляется отраженная волна, часть которой пойдет в плечо 2. Таким образом, по выполняемым функциям щелевой мост аналогичен Т-мосту. Достоинством щелевого моста являются простота конструкции и хорошая диапазонность.

Необратимые элементы линий передачи

В настоящее время в линиях передачи получили развитие устройства, в которых в качестве диэлектрика используются анизотропные материалы, свойства которых различны для волн различных направлений.

Наиболее часто в качестве анизотропного материала используется намагниченный феррит.

Феррит — магнитодиэлектрик с кристаллической структурой, напоминающий по внешнему виду керамику. Анизотропия намагниченного феррита проявляется в том, что волны с различным направлением вращения плоскости поляризации распространяются в феррите с различными фазовыми скоростями и по-разному поглощаются. В частности, если подмагничивающее поле выбрать в соответствии с соотношением [21]

Но (А/м) ≈ 28,6f (МГц), (3.2.2)

где f — частота колебаний волны, то в этом случае для волны одного из направлений имеет место интенсивное поглощение, обусловленное ферромагнитным резонансом в феррите.

Изменяя подмагничивающее поле, можно менять соотношения параметров распространения для волн прямого и обратного направлений.

В линиях передачи, заполненных ферритом, наиболее часто используются следующие эффекты:

-невзаимный (т. е. разный для прямых и обратных волн) поворот плоскости поляризации;

-невзаимное фазовое запаздывание;

-невзаимное поглощение.

Невзаимный вращатель

Устройства, обеспечивающие невзаимный поворот плоскости поляризации, называются невзаимными вращателями. Наибольшее распространение имеют вращатели, основанные на использовании эффекта Фарадея (рис.3.2.16, a). Bpaщатель этого типа представляет собой отрезок круглого волновода, работающего на волне Н₁₁, в центре которого размещен продольно-намагниченный ферритовый стержень.

Изменение наклона плоскости поляризации осуществляется изменением подмагничивающего тока в катушке.

Невзаимный фазосдвигатель и поглотитель

Устройство, обеспечивающее невзаимное фазовое запаздывание волн, называют невзаимным (однонаправленным фазосдвигателем или невзаимным фазовращателем).

Наиболее удобныфазовращатели в виде отрезка прямоугольного волновода с поперечно-намагниченной ферритотовой пластиной (рис.3.2.16,б). Разница фазовых запаздываний волн противоположного направления определяется величиной подмагничивающего поля, при этом напряженность Н магнитного поля берется много меньше резонансной (Но), чтобы поглощение было примерно одинаковым и малым для волн как прямого, так и обратного направления.

Устройства, по-разному поглощающие прямые и обратные волны, называются невзаимными ослабителями (аттенюаторами отраженной волны).

Простейший ослабитель можно получить, если в рассмотренном выше устройстве в виде отрезка прямоугольного волновода с поперечно-намагниченным ферритом увеличить значение подмагничивающего поля до величины Н ≈ Но, что будет соответствовать условию ферромагнитного резонанса и интенсивного поглощения для, одной из волн (например, отраженной). При этом прямая волна будет проходить с малым ослаблением.

Циркулятор

Циркулятор — волноводное устройство, в котором вследствие использования необратимых элементов волна, подводимая к одному из плеч, распространяется внутри циркулятора по иному пути, чем распространялась волна, выходящая из этого плеча.

Если питать его со стороны плеча 1, то сигнал поступает в плечо 2. В то же время при питании циркулятора со стороны плеча 2 сигнал поступит уже не в плечо 1, а в плечо 3 (или 4) и т. д. Таким образом, прохождение сигнала в циркуляторе определяется схемой 1—2—3—4—1.

Циркулятор можно использовать в качестве антенного переключателя, если передатчик подключить к плечу 1, антенну— к плечу 2, приемник — к плечу 3, а к плечу 4 подключить поглощающую согласованную нагрузку.

Циркулятор можно использовать также в качестве однонаправленного поглотителя — согласующего устройства.

Направленные ответвители

Направленные ответвители служат для передачи части электромагнитной энергии из одного волновода (коаксиала) в другой. Вследствие направленных свойств падающая и отраженная волны основного волновода вызывают в свою очередь во вспомогательном волноводе бегущие волны различных направлений. Если в основном волноводе существует волна одного направления, то при идеальной направленности во вспомогательном волноводе появится волна только одного направления. В реальных ответвителях при этом появится небольшая по амплитуде волна нежелательного направления. Отношение мощности волн, распространяющихся во вспомогательном волноводе в желательном и нежелательном направлениях, характеризует направленность ответвителя

D[дБ].

Для идеального ответвителя D = ∞. Обычно величина D=20-40 дБ.

Связь между основным и вспомогательным волноводами характеризуют переходным ослаблением

С [дБ] = 10 lgРосн⁺/Рвсп⁺. (3.2.3)

Величина С может принимать значения от С = 0 (полная передача энергии из основного волновода во вспомогательный) до С = 50 - 70 дБ, когда передается во вспомогательный волновод (10^-5 – 10^-7) часть основной мощности.

Если в одно плечо вспомогательного волновода направленного ответвителя включить поглощающую согласованную нагрузку, а в другое плечо — индикатор, то такое устройство будет реагировать только на одну, например, падающую волну. Если развернуть этот же направленный ответвитель так, чтобы выходной фланец оказался подключенным к генератору, получим устройство, реагирующее только на одну отраженную волну.

Рассмотрим ответвители с четвертьволновым разносом элементов связи. Простейший ответвитель подобного типа—двухдырочный с отверстиями связи в узкой стенке прямоугольного волновода, работающего на основной волне (рис. 3.2.18). В нем направленность достигается за счет того, что волны, прошедшие через отверстия, в нужном направлении склады­ваются в фазе, а для обратного (нежелательного) направления за счет разности электрических путей ΔL = 2λ_в/4 = λ_в/2 оказываются противофазными и взаимно компенсируются.

 

В станциях помех КВ и УКВ диапазонов направленные ответвители применяются для контроля и измерения параметров антенно-фидерного тракта.

 

Практическая работа №1

по МДК.01.03: Технология монтажа оборудования систем мобильной связи

 

наименование работы: Технология монтажа волноводного тракта.

для специальности: 11.02.08

работа рассчитана на 2 часа

 

 

Смоленск, 2017

1. Цель работы:

 

1.1. Изучить технологию монтажа волноводного тракта.

 

2. Информационные ресурсы:

2.1. Гольдштейн, Б.С. Сети связи пост- NGN/Б.С. Гольдштейн, А.Е Кучерявый. – СПБ.:БХВ-Петербург,2013.- 160с.: ил. - ISBN 978-5-9775-0900-8

2.2. Сакалема, Д. Ж. Подвижная радиосвязь / Под ред. Профессора О.И. Шелухина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2012. – 512 с.: ил. – ISBN 978-5-9912-0250-3

 

3. Вопросы домашней подготовки:

3.1. Изучить состав оборудования БС.

3.2. Изучить типы и конструкции антенно-фидерных опор.

3.3. Изучить применение волноводов в АФС.

 

4. Задания:

4.1 Изучит типы волноводов.

4.2 Изучить методы изготовления волноводов.

4.3. Изучить применение волноводов в АФС.

 

 

Порядок выполнения работы.

5.1. Ознакомиться с заданием.

5.2. Подготовить ответы на контрольные вопросы.

 

Содержание отчета.

6.1. Наименование, цель, задание практической работы

6.2. Выполненное задание.

6.3. Вывод о проделанной работе.

7. Контрольные вопросы:

7.1 Какие типы волноводов существуют?

7.1 Какие бывают методы изготовления волноводов?

7.2 Как волноводы применяют в АФС

7.3?

Приложение

Волноводы и элементы волноводного тракта

 

Волноводы применяются в качестве фидеров на многоканальных радиорелейных линиях связи. К волноводным трактам предъявляются следующие требования:

1. Волновод должен осуществлять передачу энергии с высоки КПД.

2. Волноводный тракт должен работать с высоким коэффициентом бегущей волны – не ниже 0,9

3. В волноводном тракте должен отсутствовать антенный эффект.

Волноводы прямоугольного сечения работают с одним основным типом волн Н10. При работе в таком режиме длина волны определяется следующим образом:

 

Увеличение затухания обусловлено шероховатостью стенок волновода и их окислением. Уменьшение затухания достигается увеличением поперечного сечения волновода. Увеличение размеров поперечного сечения может привести к появлению в волноводе волн высших типов. Существование нескольких типов волн приводит к искажениям сигнала, передаваемого по волноводу. Для того, чтобы волна Н10 распространялась в волноводе и не образовывались волны высших типов, необходимо выполнить следующие условия: наиболее длинная рабочая волна lдл<2а, размеры стенок а и b должны быть связаны с наиболее короткой волной соотношением а<lкор и b<0,5lкор

Волноводные секции на концах заканчиваются фланцами, которые должны обеспечивать хороший электрический контакт и точную стыковку волновода. Недостаточно точное сопряжение волноводов в стыке вызывает отражение. Уменьшений отражений достигается специальной обработкой концов волноводов и применением направляющих шпилек во фланцах.

Волновод крепится жестко к телу мачты только в верхней своей части. Закрепление волновода к мачте в нескольких точках при изменение температуры приведет к деформации волновода. Волноводы, установленные вне помещения, герметизируются. Волноводные тракты могут иметь сложную конфигурацию. Для изменения направления волновода применяют плавные и уголковые изгибы. Угловые изгибы с двойным поворотом под углом 45⁰ по сравнению с прямоугольными одинарными изгибами дают меньшее отражение. Отражения будут компенсироваться, если расстояние между изгибами выполнить = l/4.

Круглые волноводы применяют в тех случаях, когда антенны одновременно используются на прием и передачу и работают с полями, имеющими вертикальную и горизонтальную составляющие. Поля с такой поляризацией соответствуют волнам типа Н11 с взаимно перпендикулярными поляризациями.

Для передачи волны Н11 диаметр волновода должен быть:

0,586lдл < 2r < 0,975lкор

С увеличением диаметра волновода, затухания в нем уменьшаются.

В таких волноводах наряду с волной основного типа Н11 может распространяться волна типа Е01, такая волна возникает из-за изгибов и принарушения прямолинейности волновода. Волна Е01 в центре волновода имеет интенсивную продольную составляющую электрического поля Е, поэтому для поглощения этой волны достаточно в центре волновода вдоль его оси установить длинную пластину небольшого сечения из материала с малой проводимостью.

Перекрестной поляризацией называется явление, когда за счет изменения первичной поляризации появляется поле с поляризацией перпендикулярной основой.