Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч - страница 29

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 

Секторний рупор утворює віялоподібну діаграму спрямованості. Рупор, який розходиться в магнітній пло­щині (H -рупор), має менше побічного випромінювання, ніж рупор, який розходиться в електричній площині (E-рупор), тому H -рупор переважає.

Якщо необхідно одержати максимальний КСД від ру­пора даної довжини l, то використовують пірамідальні ру­пори. У випадку пірамідального рупора КСД пропорцій­ний КСД двох секторних рупорів відповідного розкриття.Коефіцієнт спрямованої дії оптимальних E - і H -рупорів можна розрахувати за формулою

КСДе = КСДн = 4p 0,64S / V де S = am х bm - площа розкриття рупора.
аб f

Рисунок 4.29 - Рупорні антени:

а - секторний E -рупор; б - секторний H -рупор

 

Основним недоліком рупорної антени є її громіздкість. Рупорні антени використовують у дециметровому і санти­метровому діапазонах хвиль для формування відносно ши­роких ДС (приблизно в0x = в0 =10-20°) при невеликих

КСД (не більше 20 дБ). Крім того, їх застосовують як еле­менти антенних решіток, а також як опромінювані дзер­кальних і лінзових антен.

6 Дзеркальні антени. За дзеркальні антени використо­вують металеві поверхні спеціальної форми: параболічні, сферичні, плоскі та кутові дзеркала. Найпоширеніші пара­болічні дзеркальні антени (рис. 4.30). Параболічні відбива­чі можуть виконуватися у вигляді параболоїда: частини циліндра із параболічним поперечним перерізом; сектора, вирізаного із параболоїда, та ін. На практиці, із деяким на­ближенням, вважається, що параболічне дзеркало перетво­рить сферичний хвильовий фронт опромінювача в плоский(плоску хвилю). Форму дзеркала характеризують відно­шенням радіуса розкриття параболоїда R0 до фокусної від­стані f ( R0/2f ). Якщо R0/2f <1, то дзеркало називаєть­ся довгофокусним (дрібним), якщо R0 /2f >1 - короткофо­кусним (глибоким).


Дзеркальна антена (див. рис. 4.30) складається із сла-боспрямованої антени (опромінювана) 1 і металевого дзер­кала 2. Джерело збудження дзеркала антени поміщається у фокус. При падінні електромагнітної хвилі на металеву по­верхню дзеркала на останньому виникають поверхневі струми, які створюють вторинне електромагнітне поле. Це поле створює електромагнітну хвилю із плоским фронтом у розкритті.

Для параболічного дзеркала можна керувати діаграмою спрямованості за допомогою зміщення опромінювача в на­прямку, перпендикулярному до осі дзеркала. Діаграму спрямованості антени формує дзеркало. Діаграма спрямо­ваності опромінювача не повинна бути занадто широкою, тому що при цьому частина енергії буде випромінюватисяза межі дзеркала. Із цією метою в опромінювач ставиться рефлектор 3, який виключає випромінювання енергії у бік, протилежний дзеркалу.

Для параболічної антени максимальний коефіцієнт ви­користання поверхні Кв досягає (0,5-0,6). Якщо при зада­ній формі дзеркала розширювати ДС опромінювача, то опромінення дзеркала стає більш рівномірним, Кв росте,

що веде до збільшення КСД. Однак разом із цим збільшу­ється частка енергії, що проходить повз дзеркало, а це, у свою чергу, зменшує Кв і КСД. У зв'язку із цим існує умо­ва оптимального опромінення дзеркала. Очевидно, що при заданій діаграмі спрямованості опромінювача існує опти­мальна величина R0/2f, яка визначає максимальний ре­зультуючий Кв і максимальний КСД.

Дзеркальні антени широко застосовуються у всіх обла­стях радіотехніки через простоту конструкції, великий ко­ефіцієнт підсилення, широку смугу пропускання і т.д.

Конструкції дзеркальних антен створюються в діапа­зонах від десятків метрів до міліметрів.

7 Діелектрична стрижнева антена (рис. 4.31) являє собою конусний діелектричний стрижень (відрізок діелек­тричного хвилеводу), який випромінює електромагнітні хвилі в напрямку поздовжньої осі z . При конструюванні антени за допомогою переходу в ній прагнуть збудити хвилю нижчого типу HE11. Ця хвиля не має критичної час­тоти, тобто може поширюватися вздовж діелектричного стрижня на всіх частотах і при будь-якому діаметрі стриж­ня. Зменшуючи діаметр стрижня, наближають фазову швидкість хвилі діелектричного хвилеводу до швидкості T -хвилі у повітрі. Рівність цих швидкостей забезпечує від­сутність відбиття (повне випромінювання енергії). Воно настає при діаметрі кінця антени dmm , що дорівнює
Рисунок 4.31 - Діелектрична стрижнева антена: 1 - корпусний діелектричний стрижень; 2 - перехід

 

Для одержання гарної форми ДС важливо, щоб уздовж стрижня не поширювалися вищі типи хвиль. Для досяг­нення цієї мети максимальний діаметр стрижня dmax пови­нен задовольняти рівність

d =

max   І 7

Ve -1

Довжина діелектричної антени зазвичай не перевищує значення (6-7) 10, при цьому ширина головної пелюстки

ДС дорівнює (24-25), а КСД (15-20) дБ. Діелектричні анте­ни найчастіше застосовуються як опромінювачі лінз і дзеркал, а також як випромінюючі елементи антенних ре­шіток. Більш докладну інформацію про антени можна одержати із джерел [14, 18].4.7 Короткі відомості про пристрої НВЧ для форму­вання електромагнітних полів і вимірювання їх пара­метрів

До таких пристроїв належать: електронні прилади НВЧ, каналізуючі пристрої (див. п. 4.1-4.4), об'ємні резона­тори (див. п. 4.5), пристрої, які приймають і випромінюють хвилі (див. п. 4.6), атенюатори, вентилі, фазообертачі, спрямовані відгалужувачі, детекторні секції, трійники, уз­годжені навантаження, відрізки хвилеводів спеціальної форми, вимірювальні лінії і хвилеміри, вимірювальні пере­творювачі, напівпровідникові НВЧ-діоди, терморезистори, болометри. Більшість із цих пристроїв побудовані на базі описаних вище хвилеводів і резонаторів.

Електронні прилади НВЧ [18, 26] у радіоапаратурі виконують функції генераторів, підсилювачів, детекторів, множників частоти, змішувачів НВЧ-сигналів та ін. При значному збільшенні частоти електромагнітних коливань електричні параметри і характеристики звичайних елект­ронних приладів (діодів, тріодів, пентодів, транзисторів) суттєво погіршуються, що обмежує застосування цих при­ладів у високочастотній області. Основні причини цих по­гіршень такі:

-    інерція електронів, яка визначає їх кінцевий час про­льоту, що і ускладнює керування електронним потоком у приладі;

-    паразитні ємності та індуктивності елементів кон­струкцій, які впливають на вхідні, прохідні та вихідні опо­ри, а у підсумку на максимальну частоту і смугу робочих частот приладу;

-    збільшення втрат енергії в елементах конструкцій за рахунок скін-ефекту і випромінювання, які зменшують ко­ефіцієнт підсилення і ККД приладу.

Долаючи труднощі, що виникають, розвиток електро­вакуумних приладів відбувався в основному у напрямкурозроблення нових принципів і конструкцій ламп, які ви­ключали причини частотних обмежень, наявних у звичай­них лампах. Так були розроблені специфічні для діапазону НВЧ-прилади, які використовують ефекти кінцевого часу прольоту електронів для безпосереднього передавання енергії електронного потоку електромагнітному полю ко­ливальної системи. Серед них - лампи біжучої хвилі (ЛБХ), лампи зворотної хвилі (ЛЗВ), клістрони, магнетро­ни та ін. Електровакуумні прилади НВЧ поділяються на дві основні групи, які відрізняються напрямом і призначенням постійного магнітного поля. До першої групи так званих приладів О-типу відносять лампи, у яких електрони руха­ються вздовж статичного електричного поля, магнітне по­ле або не використовується зовсім, або застосовується тільки для фокусування електронного потоку і принципо­вого значення для процесу енергообміну не має. Друга група ламп називається приладами М-типу та відрізняється тим, що електрони рухаються у взаємно перпендикулярних (схрещених) постійних електричних і магнітних полях по складних траєкторіях.

Нові дослідження в галузі фізики напівпровідників і розвиток технології сприяли створенню НВЧ-транзисторів, діодів Ганна, варакторних діодів, p - і - n -діодів і лавино-пролітних діодів [14], що дозволило створити в діапазоні НВЧ ряд конструкцій транзисторних підсилювачів і гене­раторів, перетворювачів частоти, перемикачів, генераторів і підсилювачів, які використовують ефект негативного опору, та ін.

Атенюатор (ослаблювач) використовується для дис­кретного або плавного регулювання амплітуди НВЧ-сигналів шляхом зміни розмірів поперечного перерізу хви­леводу, введення вставок, у яких загасають НВЧ-коливання, або за рахунок використання поляризаційних особливостей НВЧ-коливань.Вентиль пропускає НВЧ-енергію тільки в одному на­прямку, тобто тільки падаючу хвилю, яка необхідна для роботи НВЧ-тракту в режимі біжучої хвилі та усунення впливу навантаження на джерело коливань. Вентилі буду­ються на основі хвилеводів із розміщенням у їхньому об'ємі феритових пластин, які перебувають у зовнішньому магнітному полі.

Фазообертач дозволяє змінити фазу НВЧ-коливань на фіксоване значення дискретно або плавно і являє собою відрізок лінії передачі регульованої довжини або зі зміню­ваними електричними параметрами середовища (\1 або e ), це дозволяє регулювати електричну довжину відрізка і приводить до додаткового набігу фази, яка залежить від ві­дношення електричної довжини відрізка до довжини хвилі.

Спрямований відгалужувач має один вхід і два вихо­ди, на які передає у потрібний хвилевід НВЧ-тракту тільки певну частину падаючої або відбитої хвилі. Він може бути використаний як дільник потужності в певній пропорції, а також для додавання або віднімання сигналів.

Детекторна секція (амплітудний детектор, випрям­ляч) перетворює НВЧ-коливання в сигнали постійного струму або в сигнали, пропорційні лінії, яка огинає НВЧ-коливання. Вона виконується на базі НВЧ випрямного пристрою з напівпровідниковим діодом. Для збільшення значень вихідних сигналів детекторна секція зазвичай міс­тить резонаторну частину, яка настроюється спеціальним поршнем у режимі резонансу на робочу частоту. В апара­турі із аналоговою обробкою сигналу до детекторної секції підключається чутливий мікроамперметр, підсилювач або прилад, який реєструє сигнал.

Змішувальна секція подібна до детекторної, але має два входи, до яких підводять НВЧ-коливання двох різних частот. У результаті їх накладення і випрямлення на виході змішувальної секції виділяється складова коливань різницічастот, яка на багато менша за частоти НВЧ-коливань, і обробка сигналів, на якій проводиться набагато простіше.


Трійники мають три або більше хвилевідних відгалу­жень і використовуються для поділу потоку НВЧ-енергії або, навпаки, - для підсумовування (віднімання) НВЧ-коливань. В апаратурі радіохвильового контролю викорис­товують E -трійник (рис. 4.33 а), H -трійник (рис. 4.33 б) і подвійний трійник. Розглянемо характерні випадки засто­сування трійників в апаратурі (стрілками на рис. 4.33 пока­заний напрямок вектора напруженості електричного поля).

а б Рисунок 4.33 - Хвилевідні НВЧ-трійники: а - E -трійник; б - H -трійник

 

Нехай у трійнику (рис. 4.33 а) до відгалуження 3 під­ходить НВЧ-енергія генератора. Тоді на відгалуженнях 1 і 2 у поперечному перерізі, рівновіддалених від центра трій­ника, амплітуди напруженості електричного поля будуть однакові, а фази - однакові для H -трійника (рис. 4.33 б) і мають зсув на 180° для E -трійника (рис. 4.33 а). У цьому випадку НВЧ енергія буде поділена порівну між двома хвилеводами. Якщо ж, навпаки, два потоки НВЧ-енергії підводять до відгалужень 1 і 2, то у відрізках хвилеводу 3 і 4 НВЧ-коливання будуть складатися із урахуванням їх фа­зи. Зокрема, рівні за величиною потоки енергії з однакови­ми фазами коливань приведуть до подвоєння енергії коли­вань у відгалуженні 4 H -трійника і до відсутності коли­вань у відгалуженні 3 E -трійника. Коли НВЧ-коливання у відгалуженнях 1 і 2 будуть протифазні, ефект проходження НВЧ-енергії буде зворотним - відсутність коливань у від­галуженні 4 для H -трійника і подвоєння енергії у відгалу­женні 3 для E -трійника.

Подвійний трійник має особливості одночасно E - і H -трійників і, крім того, дозволяє вести обробку сигналів у діапазоні НВЧ.

Узгоджені навантаження призначені для підключен­ня до НВЧ-тракту для того, щоб поглинути падаючу хвилю і усунути, тим самим, відбиття НВЧ-коливань. Вони вико­нуються у вигляді замкненого відрізка лінії передачі, який має активний опір, що дорівнює опору лінії (ZH = Zn), це

досягається розміщенням наприкінці лінії передачі погли­наючого клина, узгодженого із падаючою хвилею.

Вимірювальні лінії являють собою відрізок хвилеводу (див. рис. 4.11) із прорізом для введення зонда детекторної резонаторної секції. У проріз відрізка вводиться зонд, який практично не вносить змін у лінію і може переміщатись вздовж осі z , це дозволяє розмістити його в місці, де дося­гається необхідне співвідношення між падаючою і відби­тою хвилями та відповідно утворюються певні значення НВЧ-коливань (максимальне, мінімальне та середнє). Ви­мірювальна лінія має точне градуювання і дозволяє вимі­рювати багато величин, які характеризують НВЧ-коливання: коефіцієнт біжучої хвилі (КБХ), хвильовий опір, амплітудний розподіл полів уздовж руху хвилі.

Хвилеміри - пристрої для визначення частоти f або довжини Л хвилі НВЧ-коливань (у найпростішому випад­ку - це короткозамкнена вимірювальна лінія (резонатор) із каліброваними розмірами елементів). Наприклад, для пря­мокутного хвилеводу при збудженні у ньому хвилі типу H10 довжина хвилі дорівнює

Л=

де l - довжина хвилі у вакуумі; e - відносна діелектрич­на проникність речовини, яка заповнює хвилевід; a - роз­мір широкої стінки хвилеводу.

Визначаючи резонансні поглинання енергії із основно­го тракту, хвилеміром можна вимірювати f та Л .

Вимірювальні перетворювачі (первинні вимірювальні перетворювачі, датчики) виконують перетворення компо­нентів НВЧ-випромінювань і полів в електричні сигнали, зручні для подальшої обробки. За первинні вимірювальні перетворювачі застосовують: напівпровідникові і термо­електричні прилади. Напівпровідникові прилади (НВЧ-діоди і транзистори) побудовані на базі p-n-переходу та за рахунок його нелінійних властивостей дають можливість перетворити НВЧ-коливання в сигнали постійного струму, відеосигнали або сигнали більш низької частоти (перетво­рення частоти). При випрямленні НВЧ-коливань одержу­ють відеосигнали або сигнали низької частоти (який оги­нає НВЧ-коливання) і постійну складову випрямленого струму, яка використовується для безпосередньої індикації сигналів магнітоелектричними мікроамперметрами. Коли напівпровідникові діоди використовуються як змішувачі для перетворення частоти, лінії, огинаючи НВЧ-коливання, та їх фаза переноситься на знижену несучу (різницеву) ча­стоту, обробка сигналу якої виконується радіоелектронною технікою, що має кращі технічні та метрологічні показни­ки. Найбільше застосування у вимірювальній апаратурі одержали НВЧ-діоди. Термоелектричні прилади (терморе-зистори, термістори і болометри) використовують тепловудію НВЧ-енергії, тому їх виготовляють із матеріалів, які добре перетворять теплові зміни в електричні сигнали.

Напівпровідниковий НВЧ-діод - це точковий діод, спе­ціально призначений для застосування у НВЧ-діапазоні. Його конструкція найчастіше виконується у вигляді коак­сіальних форм із товстими і короткими елементами - ви­водами, зручними для монтажу і електричного з'єднання з каналізуючими НВЧ-пристроями (хвилеводами, коаксіаль­ними лініями). Враховуючи те що НВЧ-діод і елементи се­кції (зазвичай параметри НВЧ-діодів задають разом із хви-левідною секцією) мають паразитні індуктивності і ємнос­ті, які обмежують його можливості, для кожного діода ви­значають робочий діапазон довжин хвиль і найбільше зна­чення коефіцієнта біжучої хвилі, яке можна одержати при його використанні.

Напівпровідникові НВЧ-діоди часто випускають пара­ми із більш близькими параметрами, що дозволяє одержа­ти найкращі метрологічні характеристики при встановлен­ні в балансові або мостові ланцюги. Для підвищення чут­ливості апаратури і узгодження вимірювального ланцюга із НВЧ-трактом діоди зазвичай підключають до петлі зв'яз­ку, встановленої в резонаторі, що підстроюється. Напів­провідникові діоди порівняно із іншими первинними вимі­рювальними перетворювачами НВЧ-енергії відрізняє ви­сока швидкодія, більша чутливість і простота використан­ня. Їхній недолік - невисокі метрологічні характеристики та погана перевантажувальна здатність.

Терморезистор - нелінійний напівпровідниковий ре­зистор, опір якого сильно залежить від температури. Тер-морезистори виконуються із напівпровідникового матеріа­лу складного складу. Для роботи у НВЧ-діапазоні застосо­вують вимірювальні терморезистори (термістори), які до­зволяють проводити вимірювання потужності від одиниць мікровата до декількох міліват. Властивості терморезисто­ра описують дві характеристики: температурна R(T) та вольтамперна   U (I)   характеристики.   Оскільки НВЧ-

енергія в терморезисторі перетвориться в теплову, термо­резистор характеризують температурним коефіцієнтом і сталою часу, яка порівняно із діодами виявляється біль­шою і обмежує сферу їх застосування.

Болометри - спеціально виконані резистори із провід­никового або напівпровідникового матеріалу, призначені для виявлення і вимірювання надзвичайно малих потоків потужності. Порівняно із іншими терморезисторами боло­метри відрізняє більш висока стабільність характеристик (металеві болометри), але разом із тим - знижені темпера­турні коефіцієнти. Їх так само, як НВЧ-діоди, виготовля­ють парами, причому розміщують поряд і один із них ек­ранують від випромінювання. Болометри часто застосову­ють із охолодженням до низьких температур з метою збільшення їх чутливості і зниження похибки вимірювань.

Індикатори НВЧ-випромінювання перетворюють роз­поділ густини НВЧ-енергії у видиме зображення. Індикація інтенсивності НВЧ-випромінювання найчастіше полягає у тому, що речовина індикатора нагрівається падаючою на нього НВЧ-енергією.

Більш повну інформацію про пристрої НВЧ можна одержати з літературних джерел [14, 18-21].

4.8 Особливості квазіоптичних пристроїв мілімет­рового і субміліметрового діапазонів хвиль

Сучасний розвиток фізики, астрономії, біології та хімії привів до різкого збільшення досліджень електромагнітних коливань міліметрових і субміліметрових (МСМ) хвиль. Стимулювання розробок у цих діапазонах диктується та­кож внутрішньою потребою власне радіофізики і електро­ніки, особливо таких її розділів, як зв'язок, локація, спект­роскопія.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56 


Похожие статьи

Г С Воробйова - Теорія електромагнітного поля та основи техніки нвч