наружный проводник выполнен из плетеных медных проводов, а изоляция - из полиэтилена или фторопласта (коаксиальные кабели).

В кабелях Теряется больше энергии, чем в линиях, показанных на рис. 9.3, однако они просты в изготовлении и удобны при монтаже, так как допускают изгибы. Конструкция коаксиального кабеля показана на рис. 9.4. Волновое сопротивление коаксиальной линии может быть найдено по формуле

138 D

Рис. 9.5. Волноводы: прямоугольный; б - круглый

(9.2)

Dud обозначены на рис. 9.3.

. Потери в коаксиальной линии определяются в основном потерями в меди и диэлектрике и зависят от свойств материала и геометрических размеров линии: чем больше диаметр линии, тем меньше потери.

Волноводы. На волнах корсж 10 см в качестве линий для передачи высокочастотной энергии широко применяют волноводы, представляющие собой полые трубы прямоугольного, круглого или других сечений (рис. 9.5).

В волноводах могут распространяться. поперечные электрические волны типа ТЕ или поперечные магнитные волны типа ТМ. Каждый из указанных видов волн разделяется на типы, отличающиеся друг от друга структурой поля. Для каждого типа волн существуют вполне определенные отношения между длиной волны и размерами волновода, при соблюдении которых волна будет распространяться с малым затуханием по волноводу.

Таким образом, размеры волновода определяются не только длиной, но и типом распространяющейся по нему волны.

Волну, при использовании которой размеры волновода получаются минимальными (при заданной длине волны X), называют волной низшего типа.

Рассмотрим основные преимущества волноводов по сравнению с коаксиальными линиями. Прежде всего сравним потери в коаксиальных линиях и волноводах. Как указывалось, потери в коаксиальных линиях слагаются из потерь в меди и в диэлектрике. В этих линиях электромагнитное поле заключено внутри наружного проводника и поэтому потери на излучение практически отсутствуют. Так как в волноводах нет центрального провода и, следовательно, нет изоляционных деталей для его крепления внутри оболочки, то диэлектрические потери, которые на очень высоких частотах весьма значительны, в волноводах практически Отсутствуют.

В материале волновода потери значительно меньше, чем в коаксиальной линии тех же размеров при той же частоте, так как в волноводе от-

сутствует центральный провод, в котором сосредоточены основные потери.

Волноводы обладают и другими преимуществами по сравнению с коаксиальной линией. Волноводы пропускают ббльшую мошность, чем концентрические линии таких же размеров: чтобы увеличить передаваемую мощность, надо повысить напряже-

Рис. 9.6. Основные способы возбуждения

электромагнитного поля в волноводе: с - электрическая связь; б - магнитная связь

ние, а последнее может вызвать пробой изоляции. Как видно из рис. 9.3 и 9.5, воздушный промежуток, пробивное напряжение которого определяет пропускаемую мощность, в волноводе круглого или прямоугольного сечения, работающем на волне низшего типа, будет больше, чем в коаксиальной линии.

Несмотря на большие преимущества волноводов перед коаксиальными линиями, последние не могут быть использованы на низких частотах, так как требуюгциеся для этого размеры волноводов оказываются слишком большими.

Чтобы передать энергию высокой частоты по волноводу, необходимо на одном конце его установить специальное устройство для ввода электромагнитной энергии, а на другом - для ее вывода.

Два основных способа возбуждения и приема энергии электромагнитного поля показаны на рис. 9.6. В первом случае в волноводе возникают и распространяются элект15ические волны, а во втором - магнитные. Чтобы К.п.д. волновода был достаточно велик, необходимо обеспечить распространение по волноводу волны только одного, обычно низшего, типа. Для этого выбирают соответствующие размеры волновода

Для прямоугольного волновода, работающего на волне типа ТЕ)о, необходимо выполнить следующие соотношения:

kll<a<X, (9.3)

Ь<Х/2, (9.4)

где X - длина волны.

Остальные обозначения показаны на рис. 9.5.

Обычно выбирают a=0,7>i. При уменьшении размера стенки Ъ снижается предельное значение мощности, которую можно передавать по волноводу, и возрастают потери. Обычно выбирают 6= (0,3-т-0,35)Я.. Если передаваемая по волноводу мощность невелика, а потери не имеют значения, то используют узкие волноводы, имеющие размер = (0,1-н ,15)Х.

Для круглого волновода, работающего на волне типа ТМ диаметр выбирают из следующего условия:

0,77>. < £)< 0,97Х. (9.5)

Обычно выбирают Z)=0,9X.

Если в круглом волноводе должна распространяться волна типа ТЕц, то

0,59?i < D<0,77k . (9.6)

В реальном волноводе переносимая мощность убывает вдоль его оси по закону

Р=Рое-2Р^, (9.7)

где Р - мощность в любой точке волновода с координатой z; Ро - подведенная к волноводу мощность; р - постоянная затухания.

Из этой формулы следует, что чем длиннее волновод, тем большая мощность теряется в нем.

Для волны ТЕ) о в прямоугольном волноводе

р = 0,064

(9.8)

где Р - постоянная затухания, нп/м; А - безразмерный коэффициент, который зависит Ът размеров волновода и длины волны; о - удельная проводимость металлических стенок волновода, (Ом м) b - размер узкой стенки, м.

Из формулы (9.8) следует, что потери в волноводе можно уменьшить, применяя материал с большой проводимостью и увеличивая размер b в пределах ограничений, налагаемых формулой (9.4).

Затухание у Латунных волноводов примерно вдвое больше, чем у медных. Однако латунь хорошо обрабатывается, поэтому на практике наиболее часто используют латунные волноводы из сплавов Л96, Л62.

Если необходимо уменьшить массу волноводов, можно трубы изготовить из алюмршия марок АО и АОО.

Рис. 9.7. Способы соединения волноводов: о - контактный; б, е - дроссельный -.1,2 - волноводные трубы; J - гладкий фланец; 4 - Дроссельный фланец; S, б - контактные фланцы; 7 - накидная гайка; 8 - болт; 9 - уплотнитель-

ное резиновое кольцо

Рис. 9.8. Вращающийся переход:

/ - первый волновод; 2 - второй волновод

С целью повышения проводимости латунные волноводы покрывают слоем серебра тол-шиной 10 мкм.

При уменьшении длины волны >t уменьшается толшина поверхностного слоя 5, по которому проходят токи. На волнах короче 10 см значение 5 составляет десятые доли микрона. Поэтому при изготовлении волноводов большое значение имеет чистота обработки стенок и защита их от коррозии. Плохая обработка поверхности стенок увеличивает длину пути тока и затухание энергии в волноводе, а также снижает максимальную мощность, которую можно передавать по волноводу без опасности пробоя.

Для защиты посеребренной поверхности волновода от потускнения и коррозии ее покрывают лаком или слоем родия толщиной 0,1-0,2 мкм.

Обычно из соображений удобства монтажа и ремонта волноводы делят на секции. Секции соединяются между собой с помощью фланцев. На рис. 9.7, а показана конструкция контактного фланца. Чтобы отражения в месте соединения двух волноводов были малы, необходимо обеспечить соприкосновение двух фланцев по всей окружности, что требует тщательной притирки контактных поверхностей. Однако при эксплуатации в сложных климатических условиях может произойти окисление материала покрытия фланцев, что приведет к увеличению переходного сопротивления и затухания в волноводе. Поэтому широкое распространение получили дроссельные фланцы, пример вьшолнения которых показан на рис. 9.7, б, в. Диаметр канавки Z) и ее глубину h выбирают так, чтобы точка соприкосновения В двух фланцев находилась в узле тока, а входное сопротивление между точками С и D было минимальным.

Фланцы изготавливают из латуни и припаивают к волноводным трубам серебряными припоями, например ПСр-45. После припайки или приварки фланец вместе с волноводом покрывают слоем серебра. Чтобы исключить возможность смещения двух волноводов, в фланцах делают направляющие шпильки. Фланцы стягивают с помощью болтов, как показано на рис. 9.7, а, б, или накидными гайками (рис. 9.7, в). Чтобы затруднить попадание влаги в волновод, между фланцами устанавливают резиновые прокладки.

Дроссельное соединение в круглых волноводах может быть использовано в тех случаях, когда одна часть волновода должна вращаться. Между фланцами дросселя оставляют зазор, что позволяет вращать одну часть волновода и передавать энергию от его неподвижной части к вращающейся (рис. 9.8).

Для удобства монтажа отрезки волноводов часто вьшолняют в виде уголков, изогнутых секций или скруток, как показано на рис. 9.9. В тех случаях, когда требования, предъявляемые к коэффициенту стоячей волны, ниже, могут быть использованы гибкие волноводы, устройство которых показано на рис. 9.10.

В некоторых случаях, например в ко.нструкциях антенных переключателей, мостов и др., бывает необходимо перейти от коаксиальной линии

Рис. 9.9. Элементы волноводного тракта:

а - уголковый изгиб; б - двойной уголковый изгиб; в - закругленный переход; г - отрезок скрученного волновода

Рис. 9.10. Секция гофрированного гибкого волновода

К волноводу. Этот переход может быть осуществлен, как показано на рис. 9.11.

Переход от прямоугольного волновода к круглому и наоборот может быть выполней, как показано на рис. 9.12.

Необходимо иметь в виду, что волноводы имеют большие габариты и их использование затрудняет миниатюризацию аппаратуры. Поэтому применение волноводов стремятся ограничить теми случаями, когда приходится передавать большую мощность или предъявляются жесткие требования к паразитному излучению в окружающее пространство.

Во многих случаях при передаче энергии волноводы могут быть заменены более простыми устройствами - полосковыми линиями.

Полосковые линии (ПЛ). Конструкция двух наиболее широко применяемых разновидностей ПЛ показана на рис. 9.13. Несимметричная линия (рис. 9.13, а) состоит из диэлектрического основания 2, на одной стороне которого расположена узкая металлизированная полоска 1, на другой - металлический экран 3. Симметричная линия (рис. 9.13,6) имеет два экрана 3, между которыми расположена узкая металлизиро-

1=-л

Рис. 9.11. Основные методы связи коаксиальной линии с волноводом: с - электрическая связь; б - магнитная связь; / - волновод; 2 - наружный провод коаксиальной линии; 3 - внутренний провод коаксиальной линии

Рис. 9.12. Переход от прямоугольного волновода круглому

Рис. 9.13. Полосковые линии

ванная полоска 7. Остальное пространство между экранами заполнено диэлектриком.

В ГШ металлизированная полоска 1 выполняет ту же роль, что и центральный провод в высокочастотном кабеле, а экран 3 - ту же роль, что и экран в кабеле. Как будет показано далее, ПЛ могут иметь малые габариты. Все это делает их незаменимыми для использования в малогабаритной аппаратуре.

Наряду с преимуществами полосковые линии имеют и недостатки. Потери в полосковой линии всегда больше, чем потери в волноводе. Эти потери слагаются из потерь в металле, в диэлектрике и на излучение. Так как полосковая линия не является полностью экранированной, то она имеет увеличенные потери на излучение.

Несимметричная линия по сравнению с с мметричной имеет повышенные потери, так как обладает худшей экранировкой.

Однако если диэлектрическая проницаемость подложки, на которой вьшолнена ПЛ, велика, то линии электрического поля концентрируются в основном между проводником 1 и экраном 3 и потери на излучение относительно невелики.

Рациональным выбором размеров элементов линии и расстояний между ПЛ и другими элементами, расположенными рядом, можно свести к минимуму как излучение несимметричной ПЛ, так и паразитивные связи, вызванные этим излучением. Кроме того, следует учитывать, что симметричная ПЛ только тогда имеет существенно меньшие потери на излучение, когда обеспечивается высокая симметрия центрального проводника 1 относительно экранов 3, что значительно усложняет технологию изготовления ПЛ. Конструкция несимметричной линии хорошо согласуется с конструкцией печатных плат и пленочных проводников и элементов, которые рассмотрены далее. Поэтому В аппаратуре чаще применяют несимметричные линии.

Основными параметрами ПЛ являются волновое сопротивление, длина волны в линии и погонное сопротивление линии. Длина волны в линии

где Хо - длина волны в свободном пространстве, м; 8эфф - эффективная проницаемость диэлектрика, на котором изготовлена линия:

?.о = 310 , (9-10)

где / - частота, Гц.

Эффективная проницаемость диэлектрика отличается от значений, которые указываются в справочниках для используемого материала, так как часть линий поля в ПЛ проходит не через диэлектрик, а через воздух.

Для расчета е^фф можно воспользоваться следующей формулой:

где 8 - диэлектрическая проницаемость материала; b и h - показаны на рис. 9.13.

Волновое сопротивление линии Z зависит от геометрических размеров линии Ьи h, а также от эффективной диэлектрической проницаемости подложки 8эфф . Зависимость между указанными параметрами и Z приведена на графике рис. 9.14. Воспользовавшись этим графиком и

Z,Pm

0,2 0,3 D,it 0,5 0,6 Dfi 1,0 l,h 2 3 VSBSWbfh

Рис. 9.14. Зависимость волнового сопротивления ПЛ от ее размеров

формулой (9.11), можно выбрать размеры b vi h такими, чтобы обеспечить заданное значение волнового сопротивления. Пусть необходимо выполнить ПЛ, имеющую Z=50 Ом на подложке из поликора, имеющего диэлектрическую проницаемость е=9,8. При b/h = 1,25 и е=9,8

9,8 + 1 9,8 - 1 1

еэфф = --+ ~- /Т+10Т7Т5- =

Из графика рис. 9.14 находим, что при значении еэфф =6,6;k = b/h=l,25; Z-50 Ом. Если толщина подложки h=l мм, то b=hk=l,25 мм. Из того же графика видно, что при изменении k=b/h от 1,25 до 1,5 Z меняется на -10%, а при изменении от 1,25 до 1,0 Z изменяется на -1-10%.

Аналогично можно найти из графика, как влияет изменение эффективной проницаемости Еэфф на величину Z. Пользуясь этими данными, а также данными о стабильности е, которые можно найти в соответствующих справочниках, выбирают такие допуски наЬк h, которые обеспечат получение Z с требуемой точностью.

Чтобы потери в металле ПЛ были малы, необходимо сделать толщину проводника больше, чем глубина проникновения тока в цровод-ник. Глубину слоя металла, по которому проходят токи, можно вычислить для меди по следующей формуле:

А = 0,39 (9.12)

где А выражена в мкм; Я, - длина волны, см.

Глубина проникновения тока уменьшается при уменьшении длины волны (повышении частоты). Поэтому на более низких частотах толщина проводника должна быть больше.

Так, может быть рекомендована следующая минимальная толщина проводников:при частоте2 ГГц d=l2 мкм; при 2 ГГц </< 8 ГГц d=6 мкм; при />8 ГГц d=4 мкм.

Потери в металле сильно зависят от шероховатостей поверхности подложки: чем больше шероховатость, тем больше потери. С увеличением частоты уменьшается глубина проникновения тока, которая может оказаться соизмеримой с значением микронеровностей поверхности подложки. При этом потери в металле сильно увеличиваются и могут возрасти на десятки процентов по сравнению с потерями при идеально гладких подложках. Поэтому поверхности подложек тщательно обра-батьшают, обеспечивая значение неровностей порядка сотых долей микрометра.

Потери в диэлектрике зависят от свойств материала подложки и от длины волны. Эти потери, выражаемые в дБ/м, можно рассчитать по следующей формуле:

ал = (27,3/i tg5)/?i, (9.13)

где е - диэлектрическая проницаемость материала подложки; tg 5 - тангенс угла потерь материала подложки; %-длина волны, м.

Допустимая плотность тока J в проводниках ПЛ зависит от теплопроводности материала подложки. Например, при подложке из ситалла [коэффициенттеплопроводности 1,04-1,3 Вт/(м-град)] / < 30 А/мм; при подложке из поликора [коэффициент теплопроводности 25-37 Вт/ (м град)] J< 200 А/мм.

Мощность, которую можно передавать через ПЛ, значительно меньше мощности, которую передают посредством коаксиальных кабелей или волноводов. Ограничение мощности связано с опасностью пробоя диэлектрика при больших напряжениях между проводником и экраном, а также с опасностью перегрева диэлектрика и проводника из-за потерь в диэлектрике и металле проводника. Пробой ограничивает импульсную мощность, а перегрев - среднюю мощность, передаваемую через линию.

Для увеличения передаваемой мощности следует применять подложки с хорошей теплопроводностью и увеличивать габариты ПЛ. Несмотря на эти недостатки, ПЛ широко применяют в приемных устройствах, в измерительной технике и в маломощных передающих устройствах.

Как видно из графика рис. 9.14, при заданном волновом сопротивлении Z отношение bih тем меньше, чем больше диэлектрическая проницаемость материала. Поэтому применение подложек с большим значением е позволяет уменьшать размеры линии. Чем меньше размеры линии, тем с меньшей абсолютной погрешностью должен выдерживаться каждый размер для того, чтобы получить волновое сопротивление Z с заданной точностью.

Если потери в линии не имеют существенного значения, то уменьшение размеров линии ограничивается требованиями к точности выполнения волнового сопротивления.

При проектировании устройств на полосковых линиях часто бывает нужно выполнять такие линии с изгибами. В общем случае при наличии изгибов нарушается однородность линии и, как следствие, возрастает коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН), что ухудшает к.п.д. линии. На рис. 9.13, в-д показано несколько возможных вариантов выполнения изгиба. Плавный изгиб дает КСВН порядка 1,2; изгиб с углом а = 10-е-30° не дает заметных отражений. Если нужно сделать изгиб под углом 90°, то уголок полосковой линии нужно срезать так, как показано на рис. 9.13. При этом значительно улучшается КСВН по сравнению с КСВН для конфигурации угла, показанной на рис. 9.13, Э пунктиром.

§ 9.3. ОБЪЕМНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

На очень высоких частотах ввиду резкого возрастания потерь невозможно применять обычные колебательные контуры с сосредоточенными параметрами. Поэтому на СВЧ и более высоких частотах используют обьемные резонаторы.

Обьемный резонатор представляет собой полость, окруженную проводящими металлическими стенками, которая может быть выполнена в виде волновода прямоугольного или круглого сечения, в виде кольца и т. д. (рис. 9.15). Поле в обьемном резонаторе замкнуто внутри проводника, и излучение энергии в окружающее пространство исключается.

Как правило, объемный резонатор не содержит внутри себя изоляционных материалов, поэтому потери в диэлектрике ничтожно малы и сводятся к потерям в воздухе.

Основную часть потерь в обьемном резонаторе составляют потери в поверхностном слое металла, из которого выполнены стенки резона-

тора. Для снижения этих потерь внутренние поверхности резонатора покрывают слоем серебра, имеющего высокую электропроводность. Поэтому объемный резонатор имеет малые суммарные потери и, следовательно, высокую добротность и большое резонансное сопротивление на СВЧ.

Чтобы в таком устройстве возникли резонансные явления, необходимо соответствующим образом выбирать размеры объемного резонатора, зависящие от его конфигурации (прямоугольной, цилиндрической и т. д.), а также от типа возбуждаемой в нем волны. Резонаторы часто выполняют в виде отрезков волноводов прямоугольного или круглого сечения, замкнутых с двух сторон.

Длина объемного резонатора, выполненного в виде отрезка прямоугольного волновода (рис. 9.15, а) и

Рис. 9.15. Объемные резонаторы: а - прямоугольный; б - цилиндрический; в - кольцевой; t - резонатор; 2 - петля связи; 3 - штырь

работающего на волне основного типа ТЕ, о,:

2 Vl-W(2 )P

(9.14)

Размеры а и определяют по формулам (9.3) и (9.4). Размеры цилиндрического резонатора (рис. 9.15, б), работающего на волне типа £010, можно определить по следующим формулам:

D= 0,1661, (9.15)

L<0,8?L. (9.16)

Наиболее распространены объемные резонаторы с переменной частотой. Если собственную частоту резонатора необходимо изменять в небольших пределах (5-10%), то используют подстроечные элементы в виде пробки, вращающейся лопасти или металлического штыря (рис. 9.16). В некоторых случаях подстройку производят перемещением в полости резонатора диэлектрических штырей или колец.

При необходимости изменить частоту резонатора в широких пределах (в 2-3 раза) нужно значительно изменить объем рабочей части резонатора, для чего используют короткозамыкающие поршни в виде дисков. Рис. 9.16. Настройка

Поршни с трущимися контактами (рис. 9.17, о) Р онатора штарем:

позволяют перестраивать резонатор в широком диапа-, Т-гайка