книги / Основы радиотехники и антенны. Антенны
.pdfЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ФИДЕРНОГО ТРАКТА
51. Конструкции элементов согласования линий передачи
К согласующим устройствам антенно-фидерных устройств от носятся оконечные нагрузочные резисторы, перестраиваемые и неперестраиваемые схемы согласования.
Оконечные нагрузочные резисторы. Эти резисторы включаются в конце фидера для полного поглощения поступающей к ним мощ ности. При измерениях и испытаниях аппаратуры они часто служат эквивалентом антенны. Нагрузочные резисторы должны отвечать двум требованиям: 1) иметь чисто активный характер и величину, необходимую для полного поглощения мощности; 2) допускать рас сеяние на них заданной мощности.
Оконечные резисторы могут быть поверхностными или объем ными. В поверхностных резисторах сопротивлением обладает погло щающая энергию графитовая смесь, которая наносится на керами ческое основание. На рис. 7.1, а поверхностный резистор 1 соеди няется через экран 2 с наружным проводом 3, а другим концом 4 — с внутренним проводом коаксиальной линии. Профиль экрана изменятеся по экспоненциальному закону для полного согласования сопротивлений. В волноводных линиях поверхностные нагрузоч ные резисторы имеют вид тонких пластинок, параллельных электри ческим силовым линиям в конце волновода.
Материалом для объемных нагрузочных резисторов служат сухая древесина, смесь кремния с графитом и др. Ими заполняется пространство между проводами коаксиальной линии или между стенками волновода (рис. 7.1, б). Для того чтобы избежать отраже ния от нагрузки фидера (объемного резистора), ей придают клино образную форму. Стандартные эквиваленты антенн оформляются в виде отдельной секции коаксиальной линии или волновода.
Перестраиваемые согласующие устройства. При выполнении согласующих устройств в виде короткозамкнутых шлейфов основ ную трудность представляет получение надежного контакта в ко-
9В* |
251 |
роткозамыкающих мостиках (поршнях) (рис. 7.2). Мостик вдоль ли нии перемещается при помощи прикрепленной к нему тяги и микро метрического винта. По мере эксплуатации сопротивление пружин ного контакта между мостиком и линией увеличивается. В связи с этим короткозамыкающие поршни снабжают высокочастотным дросселем (рис. 7.3, а), который представляет собой сочетание двух четвертьволновых линий с волновыми сопротивлениями ZBX и ZB2 из которых.
Zul= 1 3 8 1 g - ^ - > Z B2 = 138 lg так как D1> D 2.
Рис. 7.1. Оконечные нагрузочные сопротивления для коак сиальной линии (а) и для волновода (б).
Рассматривая сопротивление контакта RK в точке Ь Как на грузку четвертьволновой линии bd, определяем ее входное сопро тивление в сечении d:
R вxdZR2В1К
Это сопротивление является нагрузкой второй четвертьволно вой линии df. Следовательно, входное сопротивление в сечении / равно
R и х / ~
Замыкающий л 1
мостик. К- 77 -*+<- 77 -
15— : |
gsgiuag—л — г |
Lzzs |
ш Л |
|
6) |
Рис. 7.3. Настройка коаксиальной линии при помощи поршня с высокочастотным дросселем.
253
Так как Z B2<^ZB1, то R BXy<^ RK- Аналогично уменьшается сопротивление между поршнем и внешним проводом коаксиальной линии. Очевидно, что в данном случае длину короткозамкнутого шлейфа следует отсчитывать от сечения fg.
В конструкции, изображенной на рис. 7.3, б, высокочастотный дроссель представляет собой полуволновую линию Ьса, которая замкнута накоротко в а и имеет два четвертьволновых участка Ьс и са. Поэтому независимо от качества контакта с между поршнем и внешним проводом коаксиальной линии в сечении b обеспечивает ся короткое замыкание. Кроме того, несовершенство контакта в точ
ке с не имеет существенного значения |
потому, что в этой точке на- |
||
|
1 |
1 Х^ |
|
•( |
* |
ц- |
д |
i f |
|||
L |
_ _ |
|
|
а)
Рис. 7.4. Короткозамыкающие поршни прямоугольного
(а) и круглого (б) волноводов.
ходится узел тока. Вторая полуволновая линия dfe предназначена для короткого замыкания поршня с внутренним проводом коаксиаль
ной линии.
Изложенные принципы полностью распространяются на кон структивное оформление короткозамыкающих поршней в волноводе
(рис. 7.4).
Неперестраиваемые согласующие устройства. К этой группе относятся трансформаторы сопротивлений (рис. 7.5, 7.6).
В четвертьволновом трансформаторе (рис. 7.5, а), чтобы полу чить требуемое волновое сопротивление согласующего участка ли нии, увеличивают или уменьшают диаметр внутреннего или внеш него провода этого участка. Такой трансформатор является узко полосным согласующим устройством. Наибольшей широкополосностыо отличается линия, параметры которой плавно изменяются по экспоненциальному или линейному закону (рис. 7.5, б). Про межуточное положение по ширине полосы пропускания занимает трансформатор, состоящий из нескольких четвертьволновых участ ков (рис. 7.5, в), волновые сопротивления которых находятся в опре деленной зависимости (см. § 15).
») |
в) |
Рис. 7.5. Трансформаторы сопротивлений в коак |
Рис. 7.6. 'Трансформаторы сопротивлений в |
сиальных линиях. |
волноводах. |
При согласовании волноводов (рис. 7.6) следует иметь в виду, что трансформировать сопротивления целесообразно, подбирая раз мер b поперечного сечения волновода, поскольку от него не зависит критическая длина волны. Для волны Я10 волновое сопротивление
(149)
Рис. 7.7. Внешний вид (а), эквивалентная схема (б) втулочного трансформатора типа 52И-2 для согла сования волноводов.
В трансформаторах сопротивлений, приведенных на рис. 7.6, волновое сопротивление изменяется за счет размера поперечного сечения волновода, который в формуле (149) обозначен через Ь.
В лабораторных условиях применяются втулочные трансформаторы полных сопротивлений типа 52И-2 (рис. 7.7, а). Они содержат две кварце вые втулки. В процессе согласования линии расстояние между втулками изменяют вращением винта /, а вращением головки винта 2 обе втулки од новременно перемещают вдоль волновода. Согласующее устройство оформле но в виде волноводной секции. Фланец 3 секции подключается к генератору, а фланец 4 — к нагрузке.
Каждая втулка представляет собой четвертьволновый трансформатор сопротивлений. Ширину втулки 1Х (рис. 7,7, б) выбирают с учетом волновод ной длины волны XD и относительной диэлектрической постоянной кварца
t |
*= 3,8, т. е. 1Х= ^в/4)^В олновое сопротивление волновода в месте распо |
ложения втулок ZBCменьше волнового сопротивления волновода на участках |
|
с |
воздушным наполнением Zh в ]/е раз. |
Если расстояние между втулками L = 0 то они образуют сплошную полуволновую линию, имеющую в начале и в конце одинаковое по величине
сопротивление. То же самое получается при L = k j 2; сопротивление из d — d! трансформируется в меньшее сопротивление в с — d , последнее без
изменения переносится в Ь — Ь' и трансформируется обратно в а — а' |
до та |
||
кого же сопротивления, какое существует в d — d' |
Наибольший коэффициент |
||
трансформации получается при /2 = |
Если |
волноводная линия |
согла |
сована, то входное сопротивление трансформатора в а — а' равно ZB |
и так |
||
как все три участка согласующего устройства четвертьволновые, то сопро тивление в сечении Ъ — V равно ZB2C/ZB в сечении с — d равно ZB2:ZB2/ZB=
= Z B3/ZBC |
в сечении |
d — d' равно |
Z2C Z ' 3/Z2 |
. Следовательно, |
таким |
спо |
|
собом можно |
трансформировать сопротивление |
|
'3 |
|
|||
нагрузки ZBC/Z B в сопро- |
|||||||
тивление |
/ |
т. е. |
коэффициент |
трансформации достигает |
'4 |
'4 |
|
ZB |
ZB /ZBC= |
||||||
=)4: Z'\ = е2» 15. Это обычно достаточно для согласования сопро
тивлений, так как /?св несогласованных волноводных линий редко превы шает 15.
52. Сочленения отрезков линии передачи
Линии передачи УКВ, соединяющие передатчик и приемник с антенной, разделяются на участки, одна часть которых закреп лена неподвижно, а другая вращается вместе с антенной. В связи с этим представляют интерес конструкции неподвижных и вращаю щихся сочленений.
К такого рода сочленениям предъявляются общие требования:
—потери энергии в сочленении должны быть минимальными;
—однородность линии передачи не должна нарушаться в ме сте сочленения;
—конструкция сочленения должна быть рассчитана на быст рый монтаж и демонтаж отдельных секций линии передачи;
—срок службы сочленения должен быть по возможности большим;
—полоса пропускания линии передачи не должна ограничи ваться сочленением его отрезков.
Рассмотрим некоторые конструкции сочленений жестких ко аксиальных линий и волноводов.
Сочленения коаксиальных линий. В неподвижном сочленении коаксиальных линий (рис. 7.8) контакт между внутренними про водами 1 создается при помощи наконечника 2, который вставляет ся в гнездо 3, принадлежащее другой секции; между внешними проводами линии 4 соединение осуществляется посредством ко нусной цанги 5 и конусной втулки 6, охватывающей в замкнутом разъеме цангу. Для улучшения контактов в наконечнике 2 и цанге 5 сделаны продольные прорези. Взаимное положение внутренних и внешних проводов сочленения фиксируется опорными изоля ционными шайбами 7 Разъем стягивается накидной гайкой 3, которая навинчивается на резьбу 9.
Вращающиеся сочленения коаксиальных линий разделяются на контактные и емкостные. Для получения пружинистого контакта в сочленениях первой группы на концах внутреннего и внешнего проводов неподвижной или вращающейся секции делают продоль ные прорези. По мере эксплуатации трущиеся поверхности изнаши ваются, вследствие чего качество контакта ухудшается.
9
Рис. 7.8. Неподвижное сочленение коаксиальных линий.
На рис. 7.9 показана конструкция, в которой этот недостаток устраняется высокочастотным дросселем, состоящим из двух до полнительных короткозамкнутых линий се и db длиной Л/2, распо ложенных в месте сочленения внутреннего 1 и внешнего 2 проводов. В проводе 1 короткозамкнутый конец линии обозначен Ь, а в про воде 2 — с.
Рис. 7.9. Вращающееся сочленение контактного типа для коаксиальных линий.
Так как входное сопротивление короткозамкнутой полувол новой линии равно нулю, то независимо от качества трущихся кон тактов в g и / разрыв цепи между отрезками коаксиальной линии на участках e,d отсутствует. Существенное значение имеет то обстоя тельство, что место расположения прямого контакта (gf ) удалено на А /4 от короткозамкнутого конца соответствующей дроссельной канавки, благодаря чему в точках контакта находится узел тока.
Чтобы сохранить согласование в полосе частот, волновое сопро тивление вспомогательной линии на участке eg следует устанавли вать большим, чем на участке ge. Такое соотношение волновых сопротивлений способствует взаимной компенсации отражений, возникающих при частотах, отличающихся от средней частоты по
лосы пропускания. В связи с этим ширина зазора на участке gc больше, чем на участке ge.
Во вращающемся сочленении емкостного типа элементом свя зи между секциями линии является емкость, создаваемая зазором в месте сочленения соответствующих проводов линии.
Рис. 7.10. Фланцевое соединение прямоугольных волно водов.
Преимущество емкостного сочленения перед контактным за ключается в отсутствии прямого контакта между сочленяемыми отрезками линий. С другой стороны, емкостное сочленение ограни чивает полосу пропускания и в отличие от контактного не допуска ет герметизации линии передачи.
Сочленения* волноводов. Сочленения однотипных волноводов разделяют на фланцевые и дроссельно-фланцевые.
А - А
Рис. 7.11 . Неподвижное дроссельно-фланцевое соединение волноводов.
В первой конструкции (рис. 7.10) соединяемые отрезки волно водов плотно прижимаются друг к другу при помощи плоских фланцев, стягиваемых винтами или струбцинами. Поверхности флан цев и отверстия в них должны быть точно подогнаны для получения надежного контакта и однородности внутренней поверхности вол новодов в месте сочленения. Несовершенство контакта между фланцами вызывает потери энергии и создает опасность пробоя.
Более простым по конструкции и более надежным в эксплуа тации является дроссельно-фланцевое соединение 2 (рис. 7.11).
Отличительной особенностью такого способа соединения неподвиж ных отрезков волновода 1 является наличие полуволнового короткозамкнутого шлейфа abc, образованного кольцевой канавкой ab глубиной А/4 и зазором между фланцами Ьс, длина которого равна А/4. Так как входное сопротивление шлейфа в с равно нулю, то передача энергии от одной секции к другой происходит без сколь ко-нибудь значительных потерь. Вместе с тем в Ь находится узел тока и поэтому качество гальванического контакта фланцев не имеет значения.
Следует заметить, что расстояние в четверть волны между внутренней поверхностью прямоугольного волновода и кольцевой канавкой выдерживается только по отношению к середине широкой стороны поперечного сечения волновода. Однако это не вызывает
Рис. 7.12. Вращающееся дроссельно-фланцевое соедине ние волноводов.
больших потерь, так как напряженность электрического поля в пря моугольном волноводе уменьшается от середины к краям широкой стороны его поперечного сечения.
Во вращающемся сочленении волноводов (рис. 7.12) дросель, имеющийся на одном или обоих фланцах, можно представить как совокупность короткозамкнутой четвертьволновой линии в виде канавки во фланце аЪ, которая в Ь имеет бесконечно большое вход, ное сопротивление, и разомкнутой четвертьволновой линии 6с, которая это сопротивление из b трансформирует в короткое замы-
кание |
в с. Расстояние между фланцами d не должно превышать |
АЛО. |
Это важно не только с точки зрения уменьшения потерь, |
но и |
для обеспечения широкой полосы пропускания, так как от |
расстояния между фланцами и ширины канавки зависит волновое сопротивление отдельных участков высокочастотного дросселя.
При наличии разнородных элементов в линии передачи возника ет необходимость в их сочленении. Например, большинство радио локационных антенн рассчитано на вращение по азимуту, а иногда и на перемещение по углу места. В таких условиях часть линии передачи неподвижна, а часть — вращается. Если этой линией служит прямоугольный волновод с волной Я 1() то сочленять не
260