Переходы между линиями передачи различных                     типов

Очень распространенными узлами СВЧ - трактов являются переходы с одной линии передачи на другую, которые также называют возбудителями волны заданного типа. По схеме замещения переходыявляются взаимными реактивными четырехполюсниками, и в их проектировании основное внимание уделяется достижению Хорошего качества согласования входов в полосе частот при обеспечении необходимой электрической прочности. Рассмотрим ряд характерных конструкций переходов.

Возбуждение прямоугольного волновода с волной типа H₁₀ от коаксиального волновода с Т-волной производится с помощью коаксиально-волноводных переходов (рис.11).

Основным элементом таких переходов являются обтекаемые элек­трическим током штыри, размещаемые в короткозамкнутом с одной стороны волноводе параллельно силовым линиям поля Е.

В зондовом переходе (рис.11, а) согласование входов обес­печивается изменением длины зонда l₃, а также подбором рас­стояний l и х, определяющих, положение зонда. Для расширения полосы частот согласования желательно увеличивать диаметр зонда d. При тщательном выполнении зондовый переход обеспечи­вает полосу частот согласования 15—20 % относительно расчет­ной частоты при КБВ³О,95. Недостатком зондового перехода яв­ляется снижение электропрочности из-за концентрации силовых линий поля Е на конце зонда. В определенной мере этот недоста­ток преодолевается в коаксиально-волноводном переходе с после­ довательным шлейфом (рис. 11, б), однако даже при самом тща­тельном подборе расстояний l и l _ш рабочая относительная полоса частот составляет ~7%.

Лучшие результаты по согласованию и электропрочности имеет переход с поперечным стержнем (рис. 11, в), дополненный согласующей индуктивной диафрагмой. В такой конструкции достижи­ма относительная полоса частот согласования ~15%. Максималь­ных широкополосности (~20% при КБВ³0,95) и электропроч­ности достигают в коаксиально-волноводных переходах так назы­ваемого «пуговичного» типа (рис. 11, г), требующих, однако, тщательного экспериментального подбора формы проводников в сочетании с дополнительной наст­ройкой качества согласования с помощью индуктивной диафрагмы.

Рис. 11 Коаксиально-волноводные переходы:

а — зондовый; б — с коаксиальным шлейфом; в — с поперечным

стержнем; г—пуговичный

 

Применение коаксиально-волноводных переходов для возбуждения волны Е₁₀ в круглом волноводе показано на рис. 12 на примере вращающёгося сочленения.

Рис. 12 Волноводное вращаю­щееся сочленение с волной типа Е ₀₁

Короткие отрезки коаксиального волновода с Т-волной обеспечивают фильтра­цию волн высших типов и устраняют возможность возбуждения в круглом волноводе паразитной аксиально-несимметричной волны Н₁₁ (эта волна более низкого типа, чем волна E₀₁). Соединение вращающихся частей круглого волно­вода осуществляют с помощью коаксиального дросселя длиной lо/2, аналогичного дросселям вращающегося коаксиального сочле­нения на рис. 7.10.

Возбуждение волны низшего типа Н₁₁в круглом волноводе возможно с помощью плавного перехода от прямоугольного вол­новода с постепенной деформацией формы поперечного сечения от прямоугольной к круглой (рис. 13, а).

Рис. 13 Соосные переходы от прямо­угольного волновода с волной Н₀₁ к круг­лому      волноводу с волной Н ₁₁

Если длина такого пере­хода превышает длину волны, то отражения в широкой полосе частот оказываются незначительными. В более компактном узко­полосном переходе, показанном на рис. 13, б, сочленение соосных прямоугольного и круглого волноводов осуществляется через согласующую четвертьволновую вставку с овальной формой попе­речного сечения.

Возбуждение волны Н₁₁ в круглом волноводе может также про­изводиться через отверстие в его боковой стенке от прямоуголь­ного волновода. Если широкие стенки прямоугольного волновода ориентированы параллельно оси круглого волновода (рис. 14, а), то в круглом волноводе возбуждаются волны Н₁₁, распространяю­щиеся в обе стороны от ответвления с одинаковыми фазами. При поперечном расположении возбуждающей щели в круглом волноводе (рис. 14, 6) волны, возбуждающиеся справа и слева от нее, противофазны. Если требуется обеспечить передачу волны Н₁₁ в одном направлении, то один из концов круглого волно­вода закорачивают, причем в случае разветвления, показанного на рис. 14, а, расстояние между центром щели и короткозамыкателем должно быть близким к lв/4, а в случае, показанном на рис. 14, б,— близким к lо/2.

Рис. 14 Тройниковые разветвления прямоугольного и круглого волноводов

  Рассмотрим теперь некоторые компактные способы возбуждения осесимметричной волны Е₀₁ в круглом волноводе от прямоугольного волновода с волной Н ₁₀, не использующие промежуточных коаксиально-волноводных переходов.

Рис. 15 Способы возбуждения волны Е ₀₁ в круглом волноводе

В устройстве, показанном на рис. 15, а, прямоугольный волновод соединяется с круглым через поперечное отверстие. Для лучшего возбуждения волны Е₀₁круглый волновод с одной сто­роны закорачивается на расстоянии lв _Е01/2 от возбуждающего отверстия. Для подавления паразитной волны низшего типа Н₁₁, которая также возбуждается отверстием, в короткозамкнутом отрезке круглого волновода располагают тонкоеметаллическое кольцо. Периметр кольца выбирают близким к lо, чтобы волна Н₁₁ возбуждала в нем резонансные колебания с однойвариацией тока по периметру. Это резонансное кольцо действуетна волну Н₁₁ подобно короткозамыкателю. Располагая кольцо на расстоянии lв _Н11/4 от центра щели, удается эффективно подавить колебания волны Н₁₁ в круглом волноводе. На волну типа Е₀₁, силовые линии поля Е которой перпендикулярны проводнику кольца, резонансное кольцо практически не влияет;

Другой возбудитель волны Е₀₁ в круглом волноводе с высокой степенью подавления паразитной волны Н₁₁ показан на рис. 15,б. Прямоугольный волновод сочленяется с круглым так же, как в предыдущей конструкции с коротким замыканием одной полови­ны круглого волновода непосредственно у места сочленения. Кроме того, в круглом волноводе помещено резонансное кольцо, закора­чивающее его для волны Н₁₁. Волна Н₁₁, просочившаяся через резонансное кольцо, испытывает поглощение, возбуждая через продольные щели в стенках круглого волновода коаксиальный резонатор с колебаниями типа Н₀₁.

В пучности поля Е этого резо­натора помещено кольцо из поглотителя, в котором и происходит выделение энергии волны Н₁₁. Волна Е₀₁ не имеет поперечных токов на стенках круглого волновода и поэтому не возбуждает продольные щели и резонатор с поглотителем.

Особенно трудной задачей является конструирование возбуди­телей волны Н₀₁ в круглом волноводе. Здесь главное требование состоит в обеспечении высокой степени чистоты возбуждения вол­ны Н₀₁при глубоком подавлении целого ряда низших и высших типов волн, способных к распространению в круглом волноводе большого диаметра.

Рис. 16 Плавный переход для возбуждения волны Н ₀₁ в круглом волноводе

На рис. 16 показана одна из возможных конструкций перехода от прямоугольного волновода с волной Н₁₀ к круглому волноводу с волной Н₀₁ основанная на принципе плав­ной деформации формы поперечного сечения волновода и струк­туры электрического поля. Волноводный Е - тройник и две продоль­ные скрутки на углы в 90° в противоположных направлениях об­разуют систему двух прямоугольных волноводов, соединенных узки­ми стенками и содержащих поля равной амплитуды с противо­положными фазами. Затем эта система плавно преобразуется к двум секторным волноводам с общим ребром. Постепенное увели­чение угла раскрыва секторных волноводов образует круглый волновод с продольной металлической перегородкой. Обрыв этой перегородки не изменяет структуры электромагнитного поля, и на выходе перехода получается круглый волновод с волной H₀₁. Для обеспечения надлежащей чистоты возбуждения волны H₀₁ этот переход должен иметь достаточно большую длину.

Определенные трудности, связанные с достижением хорошего качества согласо­вания в широкой полосе частот, возникают также при выполнении переходов от полосковых линий передачи к коаксиальным и прямоугольным волноводам.

Коаксиально-полосковые переходы в зависимости от взаимного расположения соединяемых проводников могут быть соосными или перпендикулярными (рис. 17).

Рис. 17 Коаксиально-полосковые переходы

 Для уменьшения иррегулярности в области сочленения диаметр внешнего проводника коаксиального волновода должен быть близким к расстоянию между внешними пла­стинами симметричной полосковой линии или к удвоенной толщине основания несимметричной полосковой линии. Для улучшения сог­ласования в соосном перехо­де делают скосы на конце полоскового проводника (рис. 17, а). Согласование перпендикулярного коаксиально-полоскового перехода (рис. 17, б) осуществляют подбором диаметра соединительного штыря, проходящего через диэлектрическое основание, а также подбором размеров коаксиальной диафрагмы на выходе из коаксиального волновода и короткого разомкнутого шлейфа из отрезка полоскового проводника. Часто коаксиально-полосковые пе­реходы совмещают с коаксиальными соединителями.

Устройства для возбуждения полосковой линии передачи от прямоугольного волновода с волной Н₁₀ называются волноводно-полосковыми переходами. Соединение полосковой линии с прямоугольным волноводом может быть выполнено через плавный или ступенчатый переход на П-образном волно­воде (рис. 18, а).

 

Рис. 18 Волноводно-полосковые переходы

В такой конструкции перехода обеспечивается широкополосное согласование прямоугольного волновода с полосковой линией передачи я устраняется паразитное излучение из открытого конца волновода.

Волноводно-полосковый переход другого типа, в котором ис­пользуется часть волновода в качестве корпуса для полоскового узла, показан на рис. 18, б. Этот переход выполнен на диэлек­трической пластине, установленной продольно в средней плоско­сти прямоугольного волновода, параллельно силовым линиям поля Е. С двух сторон диэлектрической пластины напечатаны про­водники, имеющие контакт один с верхней, а другой с нижней стенками волновода, и образующие плавный переход к симмет­ричной полосковой линии. Далее на той же диэлектрической пла­стине располагается несимметричная полосковая линия, возбуж­даемая от ленточной линии через симметрирующее устройство в виде двух четвертьволновых щелей в экране. Экран несимметрич­ной полосковой линии замыкает широкие стенки прямоугольного волновода, что препятствует проникновению волны Н₁₀ в область волновода с полосковым узлом.

Библиографический список

 

1) Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А.. Устройства СВЧ.- М: Высшая школа, 1981

2) С.А. Баранов, М.П. Наймушин. Исследование полоснопропускающих волноводных фильтров СВЧ и методов узкополосного согласования в волноводных трактах; - Методические указания к лабораторной работе по курсу «Антенны и устройства СВЧ».- Свердловск 1987