Антенны и устройства СВЧ

Автор: Д. М. Сазонов
Издательство: Высшая школа
Год издания: 1988
Язык: русский
Страниц: 432

 

 

Краткое содержание

Предисловие

Введение

Часть 1. Устройства СВЧ

Глава 1. Линии передачи в радиосистемах и устройствах

Тип волны, структура электромагнитного поля и критическая частота. Эти характеристики определяются исходя из указанных размеров поперечного сечения путем решения граничных задач электродинамики. Как правило, линии передачи используются в режиме волны основного типа (основной волны), имеющей наи­меньшую критическую частоту. Однако в некоторых примене­ниях преимущество отдается волнам высших типов с критической частотой, превышающей частоту основной волны.

Различают следующие типы волн:

а)  поперечные электромагнитные волны—Т-волны, не содержа­щие продольных составляющих электромагнитного поля. Они су­ществуют только в линиях передачи, имеющих не менее двух изо­лированных проводников, причем критическая частота для Т-волн равна нулю;

б)  электрические волны — Е-волны, не имеющие продольной со­ставляющей магнитного поля;

в)  магнитные волны — Н-волны, не имеющие продольной со­ставляющей электрического поля;

г)  гибридные волны типа НЕ или ЕН,

Как Н-, так и Е-волны характерны для волноводов с однород­ным диэлектрическим заполнением. Критические частоты Н- и Е- волн отличны от нуля и зависят от формы и размеров поперечно­го сечения, а также от параметров заполняющего диэлектрика. Для волноводов с правильной формой поперечного сечения (прямоуголь­ник, круг и др.) существуют точные формулы расчета критической частоты или критической длины волны.

Для гибридных волн характерно наличие продольных состав­ляющих как магнитного, так и электрического полей. Гибридные волны, как правило, существуют в линиях передачи с неоднород­ным диэлектрическим заполнением. Критические частоты гибридных волн сложным образом зависят от формы и размеров поперечного сечения, от параметров заполняющих диэлектрических сред. Соот­ветствующие алгоритмы расчета оказываются громоздкими, и по­этому характеристики гибридных волн обычно определяют с по­мощью ЭВМ. Для некоторых типов гибридных волн критические частоты могут асимптотически стремиться к нулю.

Дисперсионная характеристика. Дисперсией называется зависи­мость фазовой скорости волны в линии передачи от частоты, а дис­персионная характеристика представляет собой конкретный вид этой зависимости, задаваемый формулой или графиком.

Глава 2. Элементы траков для различных диапазонов длин волн

Способы выполнения нагрузок зависят от типа линии передачи, диапазона частот и уровня мощности. Различают сосредоточенные и распределенные нагрузки, причем последние путем увеличения размеров могут быть выполнены на большую мощность.

В коаксиальном тракте простейшей нагрузкой является сосре­доточенный резистор с сопротивлением, равным волновому сопро­тивлению линии. Однако на сантиметровых волнах размеры резис­тора становятся соизмеримыми с длиной волны, входное сопротив­ление оказывается частотно-зависимым и качество согласования ухудшается. Для снижения коэффициента отражения и расшире­ния рабочей полосы частот коаксиальные нагрузки сантиметрового диапазона длин волн часто выполняют в виде, отрезков нерегуляр­ных линий передачи с потерями. Поглощающие элементы в таких нагрузках могут быть объемными или в виде тонких поглощаю­щих пленок. Коаксиальная нагрузка с объемным поглощающим элементом в виде конуса. Хорошее качество согласования в этой конструкции достигается при длине поглощаю­щего элемента.

Более распространены коаксиальные нагрузки с поглощающи­ми элементами в виде керамических цилиндров, покрытых металло­оксидными или углеродистыми проводящими пленками. Толщину пленки выбирают малой по сравнению с глубиной проникновения поля, поэтому поверхностное сопротивление пленки почти не зави­сит от частоты. Чтобы входные сопротивления коаксиальных на­грузок с цилиндрическими поглощающими элементами были чисто активными и почти не менялись в нужной полосе частот, такие на­грузки снабжают нерегулярными металлическими экранами со спе­циально подобранными профилями и размерами.

Длина уступа внешнего про­водника должна быть несколько меньше длины пленочного погло­тителя. Наиболее широкополосные коаксиальные нагрузки имеют внешний экран воронкообразной формы.

Согласованные нагрузки для полосковых линий передачи пред­ставляют собой тонкопленочные полоски из резистивных материа­лов, нанесенные на плату и закороченные с одного конца на экран полосковой линии. Толщину полоски подбирают в несколько раз меньше глубины проникновения поля, а длина ее может быть малой по сравнению с длиной волны. Однако из-за небольшой пло­щади теплоотвода сосредоточенные нагрузки выдерживают лишь небольшую мощность. Для увеличения рассеиваемой мощности на­грузки выполняют в виде протяженных отрезков регуляр­ных или нерегулярных линий передачи с потерями. При этом не­обходим специальный подбор формы поглощающей поверхности. В узлах СВЧ на полосковых линиях применяют также навесные нагрузки в виде керамических пластинок или стержней с нанесен­ным пленочным поглощающим покрытием. Ка полосковых платах при выполнении нагрузок и в других случаях часто возникают тех­нологические трудности с осуществлением короткого замыкания полосковых проводников на экраны. При узкой полосе частот (5— 8 %) эти трудности преодолевают, применяя четвертьволновые разомкнутые шлейфы, обладающие близким нулю входным сопро­тивлением.

Волноводные согласованные нагрузки выполняют в виде погло­щающих вставок переменного профиля в отрезке короткозамкну­того волновода. В маломощных нагрузках вставки имеют вид тон­ких диэлектрических пластин, покрытых графитовыми или метал­лическими пленками. Объемные поглощающие вставки с большой мощностью рассеяния выполняют из композитных материалов на основе порошков графита, карбониль­ного железа или карбида кремния. Для уменьшения отражений по­глощающим вставкам придают вид клиньев или пирамид.

Глава 3. Многополюсники СВЧ

При анализе разветвленных трактов СВЧ фундаментальное значение имеет понятие «многополюсник СВЧ». Под многополюс­ником СВЧ понимают любую комбинацию проводников, диэлект­риков и других элементов СВЧ, имеющую несколько входов в виде поперечных сечений линий передачи с заданными типами волн в каждой линии. Сечения входов многополюсника называют плоско­стями отсчета фаз. Положения плоскостей отсчета выбирают таким образом, чтобы нераспространяющиеся волны высших типов, при­надлежащие внутреннему электромагнитному полю многополюсни­ка, в сечениях входов были пренебрежимо малы. Это исключает возможность обмена энергией между многополюсником и осталь­ной частью тракта иным путем, кроме переноса электромагнитных мощностей волнами заданного типа в каждой линии передачи.

Каждому входу многополюсника СВЧ приписывают некую фик­тивную пару полюсов в подводящей линии передачи, хотя для мно­гих типов линий (например, волноводов или поверхностных волн) эти полюсы не могут быть выделены в явном виде. Поэтому, когда используют термин «полюсник СВЧ», подразумевают устрой­ство с N подводящими линиями передачи или, более строго, с типами волн во всех входных линиях передачи.

Основное внимание в данной книге уделяется пассивным линей­ным многополюсникам. Свойство пассивности означает отсутствие усиления или генерации мощности СВЧ внутри многополюсника и выражается в виде неравенства — мощность по­терь внутри многополюсника при любых возбуждениях его входов. Свойство линейности означает независимость внешних характери­стик многополюсника от уровня мощности СВЧ. Однако этот уро­вень должен оставаться в определенных границах, например не превышать предела электрической прочности диэлектриков. Элект­рические колебания в линейных многополюсниках описываются ли­нейными дифференциальными уравнениями, а для рассмотрения стационарных режимов достаточно математического аппарата ли­нейной алгебры.

Теория цепей СВЧ рассматривает преимущественно внешние характеристики многополюсника, устанавливающие связи между электрическими режимами его входов. Закономерности структуры и поведения внутреннего электромагнитного поля и ее изменения в многополюснике изучаются в теории цепей СВЧ в меньшей сте­пени, так как относятся к области прикладной электродинамики.

Глава 4. Составные многополюсные устройства СВЧ

Универсальным методом расчета устройств СВЧ является раз­биение— декомпозиция сложного устройства на ряд более простых устройств, характеризуемых соответствующими матрицами пара­метров, что допускает их независимый анализ. Эти простые уст­ройства называют базовыми элементами. Если характеристики ба­зовых элементов предварительно изучены и установлены номина­лы параметров, определяющих матрицу каждого базового элемента, то анализ электрических характеристик сложной системы СВЧ сво­дится к проводимому по специальным алгоритмам расчету матриц параметров для объединения двух базовых элементов и более.

Для расчета низкочастотных электрических цепей достаточен набор базовых элементов из резистора (поглотителя мощности), конденсатора (накопителя энергии электрического поля), индук­тивной катушки (накопителя энергии магнитного поля). На сверх­высоких частотах свойства накопления и поглощения электромаг­нитной энергии присущи любому элементу объема анализируемого устройства и выделение базовых элементов становится не столь однозначным.

Традиционный подход к декомпозиции устройств СВЧ предус­матривает замену каждого выделенного базового элемента неко­торой схемой замещения, состоящей из сосредоточенных элементов и из отрезков линии передачи. Электродинамические расчеты базовых элементов проводят заблаговременно, а резуль­таты представляют в виде приближенных формул и таблиц, опре­деляющих связь номиналов в схеме замещения с геометрическими размерами базового элемента, длиной волны и параметрами магнитодиэлектриков. Преимуществами такого подхода являются уни­версальность, схожесть с теорией низкочастотных цепей, а также наглядность представлений о функционировании сложных устройств СВЧ, достигаемая за счет разумной идеализации схем замещения. Недостатками традиционного подхода являются потеря точности при использовании упрощенных схем замещения и трудности в ко­личественной оценке погрешностей расчета.

Эти недостатки успешно преодолеваются при формальном элек­тродинамическом подходе, ориентированном на применение мощ­ных ЭВМ. Здесь осуществляется декомпозиция устройства СВЧ на ряд базовых Элементов в виде геометрических конфигураций, допускающих аналитическое или численное определение матрицы параметров путем решения уравнений Максвелла при заданных граничных условиях. Последующее нахождение матрицы парамет­ров сложного устройства осуществляется по точно таким же алго­ритмам объединения многополюсников, как и при традиционном подходе на основе схем замещения. Электродинамический подход в принципе позволяет выполнять расчеты с любой требуемой точ­ностью, однако при этом теряется наглядность анализа и происхо­дит сужение класса устройств, рассчитываемых по конкретной вы­числительной программе.

Между традиционным и электродинамическим подходами нет глубоких принципиальных различий, и поэтому в основу последу­ющего изложения методов анализа на основе принципа декомпози­ции положен традиционный подход на основе схем замещения ба­зовых элементов. При этом следует различать два уровня декомпозиции: 1) представление укрупненных базовых элементов СВЧ в виде схем замещения из отрезков линий передачи и элемен­тов; 2) разбиение тракта СВЧ на укрупненные базовые элементы и использование алгоритмов объединения многополюсни­ков.

Глава 5. Фильтры и согласующие цепи СВЧ

Близкими к фильтрам по структуре и принципам построения яв­ляются широкополосно-согласующие цепи. Эти цепи также принад­лежат к классу реактивных четырехполюсников и обеспечивают максимально высокий КБВ в тракте в заданной полосе частот либо максимальную полосу согласования при заданном КБВ. Различают широкополосно-согласующие цепи для частотно-независимых ак­тивных нагрузок и для частотно-зависимых комплексных нагрузок» В последнем случае расчет элементов согласующей схемы оказы­вается особенно трудным.

Четырехполюсные фильтры СВЧ с различным расположением полос пропускания и запирания используются в свою очередь в ка­честве «строительных элементов» для образования мультиплексо­ров — более сложных многополюсных систем частотного уплотне­ния нескольких каналов в общем тракте. Широкополосно-согласующие цепи и фильтры помимо использования в трактах СВЧ при­меняют также для образования межкаскадных связей в радиопри­емных и радиопередающих устройствах.

Фильтры СВЧ обычно имеют вид каскадного соединения ряда, звеньев. Звеньями фильтров могут быть резонаторы, шлейфы, от­резки связанных линий передачи и др. Определить требуемые па­раметры реальных звеньев фильтров по заданной частотной харак­теристике достаточно трудно. Удобнее начать расчет фильтра с вы­бора прототипа, т. е. некоторой упрощенной схемы замещения, элементы которой могут лишь приближенно соответствовать Пред­полагаемой конструкции фильтра. Прототип должен допускать ана­литический расчет номиналов входящих в него элементов по выб­ранной частотной характеристике ослабления, где неко­торая нормализованная частота, относящаяся к прототипу. Наибо­лее распространенными являются прототипы в виде четырехполюс­ников из сосредоточенных элементов   (индуктивностей и ем­костей).

Глава 6. Управляющие и ферритовые устройства СВЧ

Часть 2. Антенны

Глава 7. Электромагнитное поле и характеристика антенн

Глава 8. Антенны в режиме радиоприема

Глава 9. Выбраторные и щелевые антенны

Глава 10. Слабонаправленные и частотно-независимые антенны

Глава 11. Линейные антенны и решетки

Глава 12. Излучающие раскрывы и решетки

Глава 13. Вопросы синтеза линейных антенных систем

Глава 14. Апертурные антенны

Глава 15. Антенные решетки

Заключение

Приложение

Список литературы

Предметный указатель