8 Элементы линий передач

8.1 Классификация элементов

Реальные линии передач (тракты) содержат отрезки регулярных линий и ряд элементов, предназначенных для соединений участков линий, согласования, регулирования амплитуды и фазы волн и др. Эти элементы иногда называют неоднородностями линий передач. Элементы линий могут быть классифицированы по ряду признаков. Например, по использованию в линиях передач определенного типа (прямоугольный волновод, полосковая линия и др). Еще один возможный тип деления – на конструктивные и функциональные элементы. Примеры конструктивных элементов: разъёмы, фланцы, элементы крепления внутреннего проводника коаксиальной линии, изгибы, повороты и др. К функциональным элементам можно отнести фазовращатели, аттенюаторы, оконечные нагрузки, вращающиеся соединения, частотные фильтры, делители мощности и др.

В этом разделе мы рассмотрим простейшие элементы коаксиальных и волноводных трактов, переходы между линиями и трансформаторы типов колебаний.

8.2 Элементы коаксиальных трактов

Самым распространенным и употребительным типом элементов, как жестких линий, так и кабелей, являются разъёмы. На рисунке 8.1 показана конструкция типового разъёма для соединения отрезков кабелей.

Контакт между внутренними проводниками разъёма осуществляется с помощью штыря 1, который вставляется в пружинящее гнездо 2, укрепленного на внутреннем проводнике ответного отрезка линии. Внешние проводники соединяются посредством конусной втулки 3 и разрезной конусной цанги 4. Герметизация разъёма обеспечивается резиновыми прокладками. Диаметры отдельных частей разъёма подбираются из условия согласования. КСВ хорошего разъёма должен находиться в пределах 1,02-1,03.

Необходимыми и распространенными элементами коаксиальных линий являются элементы фиксации внутреннего проводника линии в центральном положении. Если уровень передаваемой вдоль линии мощности невелик, то для крепления внутреннего проводника используются диэлектрические шайбы. Простая диэлектрическая шайба показана на рисунке 8.2 а.

Рисунок 8.1 – Коаксиальный разъем:

1 – штырь; 2 – гнездо; 3 – конусная втулка; 4 – конусная цанга; 5, 6 – диэлектрические шайбы; 7 – внутренний проводник; 8 – внешний проводник

Рисунок 8.2 – Диэлектрические шайбы для коаксиального волновода

Простая диэлектрическая шайба, включенная в линию без изменения диаметра проводников, имеет схему замещения в виде отрезка линии передачи с эквивалентной длиной и пониженным волновым сопротивлением , где – относительная диэлектрическая проницаемость материала шайбы. На низких частотах при простые шайбы слабо влияют на параметры тракта, однако при возрастании частоты электрическая длина шайбы увеличивается и возникает заметное отражение и возрастает коэффициент затухания. Для уменьшения отражений можно уменьшить диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии на участке, занятой шайбой, и тем самым сохранить постоянную величину волнового сопротивления. Это приводит к конструкции так называемой утопленной шайбы (рисунок 8.2 б), которая с целью обеспечения сборки тракта может быть разрезана пополам по диаметру.

При применении диэлектрических шайб наблюдается снижение электрической прочности тракта из-за появления условий пробоя по поверхности шайбы и в результате роста напряженности поля в зазоре между шайбой и центральным проводником коаксиальной линии.

На сантиметровых волнах и в трактах с повышенной мощностью вместо диэлектрических шайб применяются металлические изоляторы – жесткие параллельно включенные короткозамкнутые шлейфы длиной , поддерживающие внутренний проводник коаксиальной линии в центральном положении (рисунок 8.3 а).

Рисунок 8.3 – Металлические изоляторы для коаксиального тракта

Металлические изоляторы не нарушают согласование тракта на рабочей длине волны , не снижают электрической прочности и вносят очень малые дополнительные отражения. Однако простой изолятор по схеме рисунка 8.3 а является узкополосным, так как с изменением частоты изменяется электрическая длина шлейфа и в тракт вносится рассогласование.

В так называемом широкополосном металлическом изоляторе (рисунок 8.3 б) по обе стороны коротко-замыкающего шлейфа включаются добавочные четвертьволновые трансформаторы с пониженным волновым сопротивлением . При этом возникает три источника отражений в сечениях 1, 2 и 3. Величина волнового сопротивления трансформатора может быть выбрана таким образом, что изолятор оказывается хорошо согласованным в полосе частот. Рабочая полоса частот широкополосного металлического изолятора достигает 80% от центральной частоты при уровне КСВ 1,1.

Металлический изолятор может быть объединен с поворотом тракта на (рисунок 8.4).

Изолятор с поворотом согласуется дополнительной проточкой на внутреннем проводнике линии. Подбор положения и размеров проточки, а так же правильный выбор длины четвертьволнового шлейфа позволяет сохранить хорошее согласование в широкой полосе частот.

Рисунок 8.4 – Поворот линии передачи с компенсацией отражений

Распространенными элементами трактов являются согласованные нагрузки, предназначенные для поглощения передаваемой по линии СВЧ-мощности. Согласованные нагрузки применяют так же в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей и приемной антенной аппаратуры.

Основной электрической характеристикой согласованной нагрузки является коэффициент отражения. Практически реализованные нагрузки имеют модуль коэффициента отражения менее 0,01 в полосе частот 20-30%.

В коаксиальном тракте простейшей нагрузкой является резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии передачи. Однако на сантиметровых волнах коэффициент отражения становится частотно зависимым и качество согласования ухудшается. Для снижения отражений и расширения рабочей полосы частот коаксиальные нагрузки часто выполняют в виде отрезков нерегулярной линии передачи с потерями. Поглощающие элементы в таких нагрузках могут быть объёмными или в виде тонких поглощающих пленок. Такие плёнки наносятся на внутренний проводник линии, где плотность потока мощности максимальна.