AFU_Lektsii

Рис.1.34. ФВ на основе двухшлейфного НО (а)

иего эквивалентная схема (б)

Впрямое и рабочее плечо моста включены ООФВ. Матрица рассеяния трехдецибельного НО запишется в виде

Если в плечо 1 подан входной сигнал а1, плечо 2 нагружено на согласованную нагрузку (a2 = 0), а к плечам 3 и 4 подключены идентичные ООФВ с коэффициентами

одноступенчатого проходного ФВ на гибридных устройствах равен фазовому сдвигу, создаваемому входящим в его состав ООФВ.

Характеристики ФВ в большей мере определяются характеристиками моста, поэтому в зависимости от требований, предъявляемых к ФВ, применяются различные восьмиполюсники, обеспечивающие трехдецибельное деление мощности.

Таким образом, основным элементом одноступенчатого проходного ФВ, обеспечивающего фазовый сдвиг в соответствии с формулами, является ООФВ. Поскольку его параметры и характеристики определены, то основной задачей анализа и синтеза проходного ФВ является анализ и синтез ООФВ. В частности, задача проектирования ФВ на гибридных устройствах распадается на две: проектирование ООФВ и проектирование гибридного устройства.

В нижней части СВЧ диапазона применяются схемы проходных ФВ, в которых отсутствуют ООФВ (рис.1.35).

41

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Рис.1.35. Петлевой ФВ (а) и ФВ на переключаемых отрезках (б)

На рис.1.35,а изображен петлевой ФВ, у которого расстояние между концами петли длиной Q1 много меньше длины волны, так что можно считать, что диод D1

непосредственно соединяет концы петли. К середине петли через диод D2 подключен короткозамкнутый параллельный шлейф длиной Q 2 с волновым сопротивлением r2 .

Когда диоды закрыты, сигнал проходит по петле. При r1 = r0 ФВ согласован по входу, а

длина петли Q1 обеспечивает фазовый набег Dj = Q1 .

Если диоды открыты, то фазовый набег будет равен 0 в случае, когда реактивное сопротивление, вносимое петлей, тоже будет равно 0. Это же условие обеспечивает согласование ФВ по входу. Выполнение его обеспечивается равенством

ctg(Q1 / 2) × ctgQ2 = 2r2 / r0 .

ФВ, приведенный на рис.1.35,б, носит название ФВ на переключаемых линиях. Этот ФВ привлекает простотой своей конструкции. Действительно, когда открыта одна пара диодов (D1 и D2) и закрыта другая (D3 и D4), электромагнитная волна распространяется по линии длиной Q1 . При изменении смещения на всех четырех диодах на противоположное электромагнитная волна распространяется по линии длиной Q2 , так что фазовый сдвиг

Dj = Q2 - Q1.

Для этой схемы принципиально использование четырех диодов. Это объясняется тем, что на входе и выходе фактически применяются двухканальные коммутаторы, которые обеспечивают коммутацию каналов, связанных между собой попарно отрезками длиной Θ1 и Θ2. Использование четырех диодов в одном разряде ФВ вместо двух, как во всех остальных описанных схемах, является основным недостатком ФВ на переключаемых линиях.

Поскольку схемы а и б используются на сравнительно низких частотах (f < 3 ГГц), собственная реактивность диодов не сказывается на их работе и они в первом

42

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

приближении могут быть описаны как ключи с активным сопротивлением r << 1 и R >> 1 в двух состояниях.

1.8. Ферритовые устройства СВЧ

Феррит - магнитодиэлектрический материал (ε = 5 ÷ 16; tgδ = = 10–2 ÷ 10–3) с кристаллической структурой, обладающей гиромагнитными свойствами, обусловленными особым поведением электронов в атомах кристаллической решетки. Различают три разновидности кристаллических структур ферритов: структура шпинели (MeIIO∙Fe2O3, где MeII - ион двухвалентного металла (Ni, Mn, Cu, Co и т.д.)), структура граната (3Y2O3∙5Fe2O3 - железоиттриевый гранат) и гексагональная структура. Феррит может быть поликристаллический и монокристаллический. Производство поликристаллического феррита осуществляется по технологии, характерной для керамики: смесь оксидов с пластификатором формуют в полуфабрикаты, которые затем обжигают при t = 1000 - 1400 ˚С. Монокристаллический феррит выращивается по технологии, сходной с технологией изготовления полупроводниковых материалов. Наиболее часто применяются ферриты в виде стержней круглой или прямоугольной формы, дисков и шариков d ~ 1 мм.

В ферритовых устройствах СВЧ используются гиромагнитные свойства, проявляющиеся при одновременном воздействии на ферритовый образец постоянного и высокочастотного магнитных полей. При таком воздействии связь высокочастотного

вектора напряженности магнитного поля H вч и магнитной индукции Bвч приобретает

сложный характер, описываемый тензором магнитной проницаемости m . Если

компоненты тензора μ = μ'+ jμ'' и k = k'+ jk'' являются комплексными величинами, и их

зависимость от напряжения подмагничивающего поля (или от частоты гиромагнитного резонанса f0 ) имеет резонансный характер, как показано на рис.1.36.

его магнитных и механических моментов. Остроту резонанса принято характеризовать шириной линии гиромагнитного резонанса Η , представляющей ширину кривой m''(Η 0 )

по уровню 0,5 от максимума. В зависимости от марки феррита Η может изменяться в широких пределах.

43

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

приемопередающих модулях АФАР, параметрических усилителях, схемах сложения мощностей генераторов и т.д.

Рис.1.37. Ферритовые устройства и их матрицы рассеяния: а - вентиль; б - гиратор; в - циркулятор

Во вторую группу ферритовых устройств включены управляющие устройства: фазовращатели, выключатели, коммутаторы, перестраиваемые фильтры. Изменение характеристик устройств этой группы осуществляется регулированием или переключением тока в управляющих обмотках.

Основные достоинства ферритовых устройств - возможность работы с большими мощностями и нечувствительность к кратковременным перегрузкам. Недостатки - зависимость характеристик ферритовых образцов от температуры, трудности получения высокого быстродействия из-за инерционности управления магнитными системами и относительно высокие массогабаритные характеристики.

1.8.1. Устройства на эффекте Фарадея

Эффектом Фарадея называется явление поворота плоскости поляризации линейнополяризованной волны при ее распространении в гиротропной среде. Эффект Фарадея наблюдается при совпадении направления распространения волны с направлением поля подмагничивания.

Известно, что линейно-поляризованная волна может быть представлена суммой двух волн круговой поляризации с противоположными направлениями вращения. Для каждой из этих волн феррит представляет изотропную среду с магнитной проницаемостью μ+ или μ − . В подмагниченном феррите волны с круговой поляризацией имеют различные коэффициенты фазы β+ = ωεμ+ и β− = ωεμ− , причем μ+ < μ− и β+ < β−

.

45

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

При прохождении участка феррита длиной l фазовые набеги волн с круговыми поляризациями β+l и β−l различны, вследствие чего линейно-поляризованный вектор напряженности суммарного поля на выходе участка феррита оказывается повернутым на угол θ = (β− − β+ )l / 2 . Важно заметить, что угол поворота плоскости поляризации θ не зависит от направления распространения волны (по вектору или против него) и именно этим объясняется невзаимность эффекта Фарадея. Этот эффект успешно используется в вентилях и циркуляторах на основе круглого или квадратного волновода, пропускающего волны с любой поляризацией.

Вентиль на эффекте Фарадея, представленный на рис.1.38, состоит из отрезка круглого волновода с ферритовым стержнем 1, расположенным по оси, и внешнего соленоида 4, создающего продольное поле подмагничивания. С обеих сторон круглый волновод оканчивается плавными переходами 2 к прямоугольному волноводу. Внутри перехода параллельно широким стенкам волноводов установлены поглощающие пластины 3. Выход II волновода повернут относительно входа на 45˚. Диаметр и длина ферритового стержня выбраны так, что плоскость поляризации после прохождения образца феррита поворачивается на 45˚ и прошедшая волна без потерь попадает в выходной волновод, узкие стенки которого параллельны вектору E . Отраженная волна после прохождения ферритового образца поворачивает плоскость поляризации еще на 45˚

ина выходе участка с ферритом вектор E оказывается параллельным широким стенкам волновода на входе и поглощающей пластине 3. На вход I отраженная волна не проходит,

ився переносимая ею мощность рассеивается в поглощающей пластине. Таким образом, устройство в идеале обладает свойствами вентиля.

4

Рис.1.38. Ферритовый вентиль на эффекте Фарадея

Волноводный Y-циркулятор выполнен на основе Н-плоскостного тройника, в центре которого помещают поперечно-намагниченный ферритовый цилиндр 1 с диэлектрической втулкой 2. Поле подмагничивания создается внешними дисковыми постоянными магнитами 4 (рис.1.39).

46

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2.АНТЕННЫ

2.1.Классификация антенных систем

Практически используемые антенны ранее было принято разделять по диапазону волн, направленности действия (остронаправленные, слабонаправленные, ненаправленные), частотным свойствам (резонансные, широкополосные, диапазонные, частотно-независимые). Такая классификация является достаточно односторонней и может быть дополнена. В существующей классификации деление происходит по отдельным чисто антенным характеристикам или конструктивным возможностям реализации заданных требований в рабочем диапазоне и не затрагивает функциональных возможностей антенны. Превращение антенн из устройств в системы с отмеченной выше спецификой позволяет изменить подход к их делению. Представляется целесообразным подойти к развитию антенн как некоторой радиосистемы и рассмотреть различные существующие, разрабатываемые и предлагаемые антенны с единых позиций происходящих в них процессов. Критерием развития и соответствующего деления антенн можно считать происходящие изменения в антенном тракте полей (токов) по амплитуде, фазе, частоте при изменении их во времени, т.е. в качестве критерия принять обработку сигнала в антенне.

Такая классификация антенн приведена на рис.2.1, причем обработка сигнала может происходить на частоте принимаемого (излучаемого) сигнала, на более высоких или более низких (промежуточных) частотах. Данная классификация допускает одновременное применение двух или нескольких способов обработки сигнала в одной антенне. Так, существуют моноимпульсные АФАР с фазовым сканированием и адаптацией. Возможны приемные цифровые многолучевые антенны с коммутацией сканирования.

Подобное деление антенн оказывается удобным теоретически по следующим соображениям. Общую задачу их построения можно разделить на внешнюю и внутреннюю. Внешняя задача может в большинстве случаев решаться по заданным требованиям без учета способа обработки сигнала c применением общих методов анализа для различного класса

48

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com