книги / Устройство, эксплуатационно-техническое обслуживание и ремонт станционного оборудования радиорелейных линий связи

Затухание волны в круглом волноводе меньше, чем в прямоугольном, и, кроме того, в нем могут одновременно распространяться волны с взаимно пер­ пендикулярной поляризацией.

Это значит, что один такой волновод работает как два прямо­ угольных. Поэтому круглые волноводы чаще всего используют в фидерных трактах. Правда, их сечение должно быть строго круг­ лым, так как эллиптичность более 0,3 мм заметно ухудшает поля­ ризационную развязку (две одновременно распространяющиеся волны начинают влиять друг на друга, хотя у них и разная, отли­ чающаяся на 90°, поляризация). Кроме того, при такой эллиптич­ ности ухудшается согласоване между секциями волновода (дли­ на секции 4,5—5 м).

В настоящее время изготовляют биметаллические волноводы из стальных труб с толщиной стенок 3,5 мм с нанесенным на вну­ треннюю поверхность трубы медным слоем толщиной 0,3 мм. Эллиптичность такого волновода меньше 0,1 мм и он более устой­ чив к механическим воздействиям.

Круглые волноводы диаметром 70 и 46 мм применяют для ча­ стот ~ 4 и 6 ГГц соответственно; прямоугольные размером 58 X Х25 мм, 48X24, 40X20 мм — в зависимости от диапазона частот РРС. Эти волноводы собирают из отдельных секций и при длине тракта порядка 100 м число стыков между секциями достигает 20.

Электромагнитная волна, распространяющаяся при передаче от передатчика к антенне, а при ппиеме от антенны к приемнику, называется падающей волной.

Она передает энергию £ пад в нужном направлении, но так как от каждого стыка отражается небольшая часть этой энергии в виде отраженной волны £отр, стыки должны быть выполнены (по­ догнаны) очень тщательно. Разброс размеров поперечного сече­ ния стыков волноводных секций не должен превышать ±0,05 мм, а коэффициент отражения в месте стыка должен быть меньше 0,1 %.

Часть электромагнитной энерги отражается также от облу­ чателя антенны (обратно к передатчику при передаче) или от входа приемника (обратно к антенне при приеме). Всегда сущест­ вует отраженная волна, которая взаимодействует с падающей с образованием стоячей волны. Стоячую волну можно обнаружить с помощью специальных приборов, так как она имеет в определен­ ных точках волновода максимумы и минимумы Я и £ полей.

Наилучшие условия работы волновода — отсутствие стоячей волны. Это значит, что нет потерь на отражение.

Как известно, для уменьшения потерь энергии согласовывают выход передатчика и вход приемника с антенно-волноводным трактом и эффективность работы волновода оценивают коэффи­ циентами бегущей (КБВ) или стоячей (КСВ) волн. Затухание в волноводах, зависящее от их размеров и от рабочей частоты, обычно составляет 0,025—0,06 дБ/м.

В эллиптических волноводах не могут (как в круглых) одно-

152

л

Рис. 123. Устройство гибкого (а ) и жесткого (б) коаксиального кабелей и тип волны в них (в)

кабель. Он может быть жестким или гибким. Гибкий коаксиаль­ ный кабель (рис. 123, а) состоит из внутреннего медного провода /, полиэтиленовой изоляции 2, внешнего медного провода (оплет­ ка из тонких проводов) 3 и хлорвиниловой изоляции 4. Такой фидер применяют в метровом диапазоне длин волн.

В жестком кабеле (рис. 123,6) внутренняя / и внешняя 2 трубки выполнены из латуни (алюминия).

Внутренняя трубка фиксируется по центру внешней четверть­ волновыми металлическими изоляторами или диэлектрическими шайбами.

Коаксиальный фидер работает на любой частоте, так как в нем распространяется волна типа ТЕМ (рис. 123, в), затухание которой не зависит от размеров поперечного сечения фидера, увеличиваясь с ростом частоты.

Надо отметить, что затухание в фидере больше, чем в волно­ воде, так как здесь имеют место потери в центральном проводни­ ке и в изоляторе.

Открытый конец волновода или коаксиального кабеля излучает электромагнитную энергию. При этом значительная ее часть в виде отраженной волны идет обратно. Поэтому использовать их в качестве излучателя нецелесообразно, да и диаграмма направ­ ленности такого излучателя непригодна для РРЛ.

Если преобразовать конец волновода в рупор (рис. 124, а, б), то получится облучатель, используемый в зеркальных антеннах. Обычно рупор закрывают пластинкой из радиопрозрачного мате­ риала, защищая фидерный тракт от попадания влаги.

J 4 .5 6

Рис. 124. Устройство рупорных (а, б) и вибраторного (в) облучателей

Для превращения в облучатель конца коаксиального фидера применяют конструкцию, показанную на рис. 124, в. Полуволновой вибратор 5 излучает электромагнитную энергию, так как он соеди­ нен с внутренней 1 и внешней 2 трубками фидера. Рефлектор 6 отражает часть этой энергии (как и в антенне «волновой канал») в сторону главного направления излучения облучателя (в сторо­ ну зеркала). С помощью четвертьволнового симметрирующего стакана 4 симметрируют вибратор, так как он с фидером соединен несимметрично (фидер сам по себе несимметричен электрически). Радиопрозрачный кожух 3 обеспечивает герметизацию фидер­ ного тракта.

Попадание влаги в фидерный тракт нежелательно, поэтому кроме герметизации применяют систему осушки (СОВТ), которую подключают к тракту 8 через секции со штуцерами 3 (см. рис. 122). Для сушки воздух, находящийся в волноводах, продувают через слой химических веществ — дегидраторов — поглощающих пары воды. Обычно СОВТ включают один раз в сутки на 1 ч.

Особое место среди линий передачи высокочастотной энергии знаимают по­ лосковые линии, представляющие собой разновидность волноводов.

По конструкции полосковые линии подразделют на несиммет­ ричные и симметричные (рис. 125, а, б). Основой полосковой ли­ нии является диэлектрическая подложка /, на которой размещена проводящая полоска 2. Металлическую пластину 3 (у симметрич­ ной линии их две) при монтаже заземляют. При изготовлении та­ кой линии вначале на подложку напыляют тонкую (0,01 мм) плен­ ку хрома (ванадия или титана), которая хорошо сцепляется с ма­ териалом подложки, затем сверху наносят пленку меди или се­ ребра.

Электромагнитная энергия распространяется в пространстве между токопроводящей полоской и металлической пластиной, т. е. в диэлектрике. Структура электромагнитного поля в несим-

Рис. 125. Несимметричная (а) и симметричная (б) полосковые линии и структура электромагнитного поля в них {в, г) соответственно

метричной и симметричной полосковых линиях соответственно показана на рис. 125, в, г.

Достоинством полосковых линий является большая широкополосность, удобство сопряжения с активными элементами (полу­ проводниковыми приборами), что дает возможность выполнять СВЧ-узлы по единой технологии. Кроме того, они имеют малые размеры и массу. К недостаткам полосковых линий следует отнести низкую электрическую прочность, что позволяет применять их только в маломощных устройствах. Кроме того, в них значитель­ ны потери энергии, поэтому в качестве фидеров их использовать нельзя.

При толщине подложки меньше 1 мм линию называют микрополосковой (МПЛ). Металлические проводники в этом случае представляют собой тонкие пленки.

Полосковые линии применяют для передачи электромагнит­ ной энергии на небольшие расстояния (между контурами, внутри каскадов, между каскадами). На их основе выполняют ряд элемен­ тов фидерных трактов (ферритовые циркуляторы, фильтры, ре­ зонаторы, делители мощности, направленные ответвители и др.).

Для уменьшения потерь на излучения, влияния полосковой линии на другие устройства и элементы схемы, а также влияния этих устройств, элементов и соседних линий необходимо, чтобы ширина положки была втрое больше шири­ ны полоски. Кроме того, полосковую линию / можно заключать в экран 2 (рис. 126, а).

Одной из разновидностей полосковых линий является щеле­ вая линия (рис. 126, б). В такой линии на одной стороне подложки 1 размещены два ленточных проводника 2, и электромагнитная энергия концентрируется в районе щели 3 (рис. 126, в), причем силовые линии электрического поля Е направлены поперек щели, что очень удобно для подключения линии к активным электро­ радиоэлементам.

Волновое сопротивление полосковой линии зависит от шири­ ны полоски и толщины подложки. Оно изменяется в пределах 20—100 Ом. Чаще всего применяют линии с волновым сопротив­ лением 50 Ом. Затухание в них зависит от материала подложки

исоставляет 2—5 дБ/м.

Вкачестве материала подложки используют сапфир, кремний, арсенид галлия, поликор и др.

Рис. 126. Экранированная (а) и щелевая (б) полосковые линии, а также структура электромагнитного поля в щелевой линии (в)

Следует отметить, что полосковые линии имеют только верхнюю критическую частоту /кр. Ее значение зависит от толщины и от диэлектрической проницаемости материала подложки и может быть определено по приближенной формуле, ГГц:

f ,

кр

где h — толщина подложки, мм; е — ее диэлектрическая прони­ цаемость.

Так, для полосковой линии с подложкой из сапфира (еж 10) толщиной 2 мм критическая частота составляет около 12,5 ГГц. Нижний предел критической частоты у полосковых линий равен нулю, так как по такой линии может проходить даже постоянный ток.

§ 36. Колебательные системы СВЧ

Колебательные системы СВЧ применяют при усилении СВЧколебаний при создании этих колебаний, а также в антенно-фидер­ ных (антенно-волноводных) трактах в качестве резонаторов, фильтров и т. п.

Обычные колебательные системы в диапазоне СВЧ применять нельзя, так как на этих частотах значения емкостей и индуктив­ ностей настолько малы, что «паразитные» емкости и индуктивно­ сти транзисторов и других элементов устройств становятся больше соответствующих параметров колебательных контуров. Кроме того, на СВЧ резко уменьшается добротность Q обычного коле­ бательного контура.

На частотах свыше 300 МГц (А.<1 м) в качестве колебательных контуров применяют четвертьволновые и полуволновые замкнутые на конце длинные ли­ нии — отрезки коаксиальных кабелей и волноводов.

Разомкнутые на конце длинные линии в качестве колебатель­ ных контуров усилителей и генераторов не применяют, так как разомкнутый конец излучает электромагнитную энергию. Эти ли­ нии используют в качестве фильтров в АВТ и АФТ.

Процессы, происходящие в колебательных контурах, которые выполнены на длинных линиях, замкнутых на конце, поясним используя рис. 127 Вспомним, что в точке замыкания линии на­ пряжение всегда равно нулю, а значение тока может быть макси­ мальным. Из рис. 127, а видно, что в точке подключения генера­ тора Г к четвертьволновому отрезку длинной линии ток равен нулю, а напряжение максимально. Но ведь так ведет себя в режиме резонанса параллельный колебательный контур.

Следовательно, подключив к генератору (или к усилителю) отрезок четверть­ волновой линии, замкнутой на конце, фактически подключают параллельный колебательный контур.

Рис. 127. Напряжения и токи в четвертьволновом (а) и полуволновом (б) короткозамкнутых отрезках длинных линий

Из рис. 127,6 видно, что в точке подключения генератора к полуволновому отрезку замкнутой на конце длинной линии напря­ жение равно нулю, а ток достигает максимального значения. Так ведет себя в режиме резонанса последовательный колебательный контур.

Следовательно, подключив к генератору (или к усилителю) отрезок коротко­ замкнутой полуволновой линии, фактически подключают к нему последовательный колебательный контур.

Входное сопротивление ведет себя наоборот, т. е. у четверть­ волнового отрезка оно соответствует последовательному колеба­ тельному контуру, а у полуволнового — параллельному.

Конструкция колебательного контура, выполненного на отрез­ ке жесткого коаксиального кабеля длиной / (рис. 128), состоит из внешней трубки кабеля /, перемещающегося поршня 2, вну­ тренней трубки кабеля 3 и элементов генераторной лампы 4. Такой контур на нужную частоту настраивают перемещением поршня.

Колебательные контуры на волноводах называют объемными резонаторами. Они представляют собой небольшие полые метал­ лические объемы, размеры которых определяются рабочим диа­ пазоном частот. Во внутренней полости резонатора возбудаются (петлей связи) электромагнитные колебания. Конструктивно объемные резонаторы выполняют в виде полых цилиндров (рис. 129, а), тороидов (рис. 129,6) и т. п. и объединяют с элек­

тронными приборами. В ре­ зультате получается специ­ альное устройство, предназ­ наченное для генерации или усиления электромагнитных колебаний СВЧ.

Рис. 128. Колебательный контур, вы­ полненный на отрезке коаксиального кабеля

Рис. 129. Цилиндрические с разными типами электромагнитного поля (а ) и торои­ дальные (б) объемные резонаторы

§37. Элементы фидерных трактов

ВРРС одну и ту же антенну обычно применяют для приема и для передачи одновременно. Для разделения переданных сигналов и принятых используют не только разные частоты, но и различную поляризацию волн (вертикальную и горизонтальную).

Вантенно-волноводном тракте для разделения сигналов ис­ пользуют поляризационный селектор (см. 7 на рис. 122) или

ферритовый циркулятор.

Поляризационный селектор (ПС) представляет собой волноводный тройник, сочетающий отрезки волноводов круглого и прямоугольного сечений (рис. 130, а ) .

Для энергии, поступающей от антенны, вектор электрического поля Е\ должен быть параллельным пластине 4, тогда она отразит­ ся от нее и пойдет через щель с диафрагмой 1 по волноводу пря­ моугольного сечения к приемнику. Вектор Е\ будет перпендикуля­ рен широкой стенке волновода, что соответствует наилучшим условиям распространения волны £oi.

К антенне

К приемнику

К приемни

6)

Рис. 130. Поляризационный селектор (а) и ферритовый циркулятор (б), а также их условные графические обозначения (в, г) соответственно

Энергия, поступающая от передатчика, должна иметь вектор £2, перпендикулярный пластине 4. Тогда эта энергия беспрепят­ ственно пройдет к антенне, не ответвляясь к приемнику, так как вектор £ 2 не перпендикулярен ни широкой, ни узкой стенкам пря­ моугольного волновода и щель с диафрагмой не пропустит такую электромагнитную волну (ослабление ~40 дБ). Стержни 2, 3 предназначены для настройки селектора на оптимальный режим работы.

Ферритовый циркулятор (ФЦ) тоже представляет собой волноводный трой­ ник (рис. 130, б).

В таком устройстве под воздействием ферритового диска 2, находящегося в сильном магнитном поле постоянного магнита, электромагнитная волна как бы изменяет направление распростра­ нения. Развязка между направлениями (плечами) 1, 4, 5 цирку­ лятора 25—30 дБ, а потери в них не более 0,2 дБ.

Условные обозначения соответствеыно поляризационного се­ лектора и ферритового циркулятора приведены на рис. 130, в, г.

Принцип действия ферритового циркулятора основан, как ука­ зывалось ранее, на свойствах феррита, помещенного в магнитное поле. Если на феррит не действует магнитное поле, то он прак­ тически «радиопрозрачен» для электромагнитных колебаний СВЧ.

Правда, «прозрачность» эта у разных сортов феррита различная.

Если же феррит помещен в постоянное магнитное поле (поле подмагничивания), то он влияет на фазовую скорость проходящей электромагнитной волны. Так, волна #ю, поступающая на вход 1 циркулятора, преобразуется в области ферритового диска в две волны, которые обходят диск с двух сторон — одна волна идет по направлению часовой стрелки, а вторая — против часовой стрел­ ки. При этом под воздействием ферритового диска фазовая скорость одной из них уменьшается, а другой — увеличивается. Напряженность поля подмагничивания, параметры дйска и ма­ териала, а также размеры циркулятора подбирают так, чтобы обе волны подходили к волноводу 5 в фазе, а к волноводу 4 — в про­ тивофазе. В результате получается, что электромагнитная энер­ гия, поступающая на вход циркулятора /, проходит только на выход 5.

То же можно сказать и о случае, в котором электромагнитная энергия поступает на вход 4 — она пройдет на выход I. Таким об­ разом создается эффект изменения направления распространения электромагнитной волны.

Кроме циркуляторов, выполненных в виде волноводных трой­ ников, применяют и микрополосковые циркуляторы. Основой та­ кого циркулятора служит металлический диск (рис. 131), установ­ ленный на ферритовой подложке или между ними (при симметрич­ ной структуре линии). К диску подсоединяют полосковые провод­ ники 1. Все устройство находится в поле постоянного магнита, причем магнитные силовые линии должны быть направлены пер-

160