Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

В эту формулу, кроме раямеров поперечного сечения

волновода с ножом а', Ь, с и g (рис. 8-14), входит ве-

личина емкости неоднородности С

, отнесенная к ео/2.

Для ее определения служит график, показанный на

рис.

8-14. Вместо вычисления по формуле (8-33) мож-

?Г,

?И

% 2?

* 20

I—

, -

—-с—*-

J ,

-* а' *-

-О

5,5

5,2

1,8

ч,Ч

0,0

3,8

3 2

2,8

2,4

2,0

',£

1,2

0,8

0,4

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,5 0,7 0,8 0,9 1,0

Рис 8-14 Зависимость емкости неоднородности

от размеров поперечного сечения П-образного

волновода

но пользоваться графиком рис. 8-14 и номограммой

(рис.

8-15). Длина волны в волноводе с ножом опреде-

ляется по обычной формуле:

(8-34)

Отношение ХД'кр может быть определено также по

графикам, приведенным на рис. 8-16 и относящимся

к П-обраяпому волноводу [Л. 8]. По оси ординат на

24*

371

графиках отложено отношение критической длины вол-

ны прямоугольного волновода

(А,

1ф

= 2а')

критической

длине волны П-образного волновода (А/

1>р

). Для

тех

случаев, когда размеры П-образного волновода отли-

чаются

от

размеров, для которых вычислены графики

рис.

8-16, надо провести интерполяцию.

УШ('-т)

12-

»-=

(0-|

„

•И

Отношение ширины

волновода к

ширине

выступа (a

/cj

1 2 3

5 6

7 В 910

' Uilililihlilili;

;

Отношение

ширины волновода

высоте

(а'/ Ь)

Рис

8-15

Номограмма для определения критической длины волны

П-волновода

Коэффициент распространения

прямоугольном

волноводе

поперечными ребрами

на

нижней стенке

(рис.

4-32) можно приближенно определить, считая,

что период структуры

мал

по

сравнению

длиной

волны [ЛО. 28]:

= YBI/I+(J4)\

(8-35)

где

= а//г — относительный показатель вертикального

ослабления поля (поле ослабевает

уда-

лением

от

ребер по закону е~

ад

);

—

коэффициент распространения

прямо-

угольном волноводе

гладкими стенками.

372

Входящая в эту формулу величина сю находится из

трансцендентного уравнения

A-KD

th (a

kb)=

С„

(8-36)

где

= Z

yCp

//p

—

относительный импеданц ребристой

структуры;

"•кр

:2а;

2ycp = '-g-Petg(M)-

(8-37)

'.о

о,Б

0,1

0,2

>»?/К

-Ч-о

1YVY

юо^-

^•20^

^50^

ро-<

*к,

— 42

'.о

<7,ff

о, г

Л«р /

л*1

-Г = 0;25

1UYX

WtP"

"^<£0_

•\\^

s?~-

-а'

хД5

cs<

0,2 0,1 0 6 08 10

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

О, В

0,6

0,1

0Л

Ан/7/

К*!

^т-0,5

100^

lff<

fro

°-

1,0

0,8

Ъкр / л«

If-0,76

№Г"

«io^-

>-^7

$=0

^r^z

0,2 01 06 0,8 1,0 0 0,2 0,1 0,6 0,8 1,0

РИС.

8-16. Зависимости критической длины волны П-волновода от

размеров его поперечного сечения.

Результаты решения трансцендентного уравнения

(8-36) для нескольких заданных отношений высоты вол-

новода t к длине волны показаны на рис. 8-17.

373

При введении поперечных ребер в волновод ме-

няется не только фазовая скорость, по и картина рас-

пределения поля. Поле концентрируется вблизи ребри-

стой поверхности. Это вызывает изменение связи излу-

чателей с волноводом. Для того чтобы учесть влияние

этого явления на характеристики антенны, необходимо

О I ? i I 5

Рис 8-17 Зависимость относите пыюго

показателя вертикального ослабления по

ля от размеров волновода и ребрист он

структуры, t — высота волновода.

произвести контрольные расчеты, хотя бы для двух по-

ложений ребер, например для

h =

MaKC

h =

. При

этом для определения связи излучателей с волноводом

надо пользоваться формулами, приведенными в § 4-6.

Применяются фазовращатели, представляющие со-

бой прямоугольный волновод с перемещающейся ди-

электрической пластиной. В измерительных приборах

применяется перемещение пластины параллельно узким

стенкам волновода. Другой фазовращатель этого типа

[Л.

9] показан на рис. 8-18. Он даег линейную зависи-

мость сдвига фазы от перемещения диэлектрической

пластины.

Фазовращатель представляет собой прямоугольный

волновод 1, согнутый под прямым углом; на сгибе

имеется скос 2, в котором прорезано отверстие 3 для

ввода в волновод диэлектрической пластины 4. Для

уменьшения отражений пластина заканчивается кли-

ном 5; штыри 6 сл'ужат для устранения боковых от-

клонений пластины.

374

а„

h[a

l,8j] [/ (1/Кр)

]{

t/l 0,2

1^-

0,4,

"о к

0,6-

—

Изменение электрической длины фазовращателя мо-

жет быть рассчитано по графику, приведенному на

рис.

8-19. График относится к волноводу шириной

а = 0,75Л.

' . . ' I , ,^3

Рис. 8-18. Фазовращатель с диэлектрической nj]a-

стшгой в прямоугольном волноводе.

Фазовый сдвиг, даваемый фазовращателем, равен:

A^=(

)

(8-38)

где ув

—

коэффициент распространения в волноводе

без пластины;

—

длина диэлектрической пластины.

Во всех рассмотренных нами фазовращателях для

изменения фазового сдвига используется поступатель-

ное движение той или иной их части. Это создает це-

лый ряд неудобств как конструктивного, так: и прин-

ципиального характера. Поэтому появился ряд фазо-

вращателей, в которых используется врагцательное

движение. Простейший из них состоит из отрезка пря-

моугольного волновода с вращающейся продольной

диэлектрической пластиной.

Более совершенны фазовращатели, использующие

свойства волн круговой поляризации. Одиц из них

[Л.

10] представляет собой два волновода со спираль-

ными возбудителями при одинаковом направлении на-

375

мотки, электрически связанные друг

другом

(рис.

8-20). При повороте одной из спиралей вокруг

своей оси на угол ср фаза создаваемого ею поля вра-

щающейся поляриза-

ции изменяется на та-

кой же угол. Можно от

одного механизма вра-

щать обе спирали, но в

разные стороны. Тогда

фазовый сдвиг будет в

2 раза больше угла <р

поворота каждой спи-

рали.

Весьма совершен-

ным является другой

фазовращатель, ис-

пользующий волны

круговой поляризации

[Л.

И].

Он состоит из трех

основных частей: двух

крайних — неподвиж-

ных и средней — вра-

щающейся (рис. 8-21);

все они являются пре-

образователями поля-

ризации. Рассмотрим

действие фазовращателя, предполагая, что высоко-

частотная энергия проходит слева направо. Между пря-

моугольным и круглым волноводами имеется плавный

переход (не показанный

на рисунке), который по-

0.7*5

Рис.

8-19. Замедление в прямоуголь-

ном волноводе с различными диэлек-

трическими пластинамч.

Ш^ШШ^й

s-zzj

Рис 8-20 Фазовращатель, исполь-

зующий волны круговой поляри-

зации.

степенно преобразует

волну #ю в прямоуголь-

ном волноводе в волну

Н\\ в круглом волноводе.

В первой части фазовра-

щателя установлена пло-

ская диэлектрическая пластина под углом 45° к вектору Е

волны Я

, полученной после перехода. В результате

в этой части фазовращателя независимо распростра-

няются две волны Яц: одна имеет поляризацию, парал-

лельную пластине, у другой вектор Е направлен пер-

пендикулярно ей (рис. 8-21). Каждая волна распростра-

няется со своей фазовой скоростью. Объясняется это

376

тем,

что

поле первой волны сосредоточено

основном

том

месте,

где

установлена пластина. Здесь диэлек-

трик оказывает заметное замедляющее действие. Поле

второй волны значительно меньше связано

пластиной;

в этом случае наличие диэлектрика слабо сказывается

на фазовой скорости. Длина левой неподвижной части

фазовращателя выбрана такой, чтобы

на ее

выходе

Рис.

8-21. Схема фазовращателя'поворотного типа.

/—правое вращение; 2—левое вращение; 3—относительный фазо-

вый сдвиг 4ф1

—

; 4~то же

Дф

—

;

5 — то

же

Дф

-г-,

между полями рассмотренных двух волн

получился

фазовый сдвиг, равный 90°.

результате

на

выходе пер-

вой неподвижной части волновода имеется волна

#п

с круговой поляризацией правого вращения.

Эта

волна

переходит

среднюю вращающуюся часть фазовраща-

теля. Здесь также установлена плоская пластина,

но

вдвое большей длины.

этой части опять независимо

распространяются

те же две

линейно поляризованные

волны

Яп, но так как

длина пластины вдвое больше,

чем

первой секции,

то они

получают относительный

сдвиг

фаз,

равный

180°. В

результате

на

выходе под-

вижной секции сдвиг

фаз

между полями рассмотренных

волн

#п

оказывается равным

—90°,

что

дает волну

Нц

с круговой поляризацией левого вращения.

Действие фазовращателя основано

на том, что фа-

за этой волны зависит

от

угла поворота средней секции.

За нулевую фазу примем фазу волны

на

выходе

в том

случае, когда положение всех пластин совпадает

377

(Ф

я/4).

Если же средняя секция повернется против

часовой стрелки на уюл ср, ю фа-ы ноля составляющих

линейно поляризованных волн Яц па входе средней

секции изменится тоже на угол <р. Это повлечет измене-

ние фазы поля на выходе средней секции тоже на

угол 'ф.

град

1,5

1,0

0,5

1,0

?рад

Р,0

Аф

%—-'' х.

^— фл

•а.

180 270

а)

%0 град

—-

Тманс •

1,3

1,1

' 6

1,5

! 0

0,5

Рис

ксв^

\*s

"--*-• _] ^ I

13Ггц

- - •*__. ~_

i>—"

•S f

г)

Ггц

22 Рабочие характеристики фазо-

вращателя

а — отклонение Аф от номинальною значения

фазы il>, б

—•

максимальный разброс фаз

^макс

д; в — максимальный коэффи

Циент стоячей волны (KCB) при изменении фа-

зы в полном диапазоне, г — вносимые поте-

ри,

<Эб, / — максимальные вносимые потери

при изменении фазы в полном диапазоне;

2 — диапазон изменения вносимых потерь при

изменении фачы от 0 до ЧСзО"

С выхода средней секции волна Яц с круговой по-

ляризацией левого вращения попадает во вторую не-

подвижную секцию фазовращателя. Последняя анало-

гична первой неподвижной секции. Отличие заклю-

чается в том, что диэлектрическая пластина в ней

обеспечивает передачу и прием волн круговой поляри-

зации левого вращения. На выходе этой секции состав-

ляющие волны Яц оказываются в фазе и образуют

линейно поляризованную волну с вертикально распо-

ложенным вектором Е. Фаза этой волны также зависит

378

от взаимного положения диэлектрических пластин

в средней и в правой секциях. За нулевую фазу примем

опять фазу волны в том случае, когда положение пла-

стин совпадает

(Ф

я/4).

Если средняя секция повер-

нется против часовой стрелки на угол

ср, а фаза поля

на ее выходе не изменится, то фаза поля на выходе пра-

вой неподвижной секции изменится тоже на <р. Однако

при повороте средней секции на угол <р фаза поля на ее

выходе тоже изменяется на ср за счет взаимодействия

с левой неподвижной секцией. В результате поворот

средней секции на угол гр изменяет фазу поля на вы-

ходе фазовращателя на вдвое больший угол (2ф).

При вращении средней секции по часовой стрелке

изменение происходит в сторону отставания: фазовый

сдвиг, вносимый фазовращателем, увеличивается.

В случае вращения средней секции против часовой

стрелки вносимый фазовый сдвиг уменьшается, т. е. из-

менение фазы происходит в сторону опережения. За по-

ловину оборота средней секции фаза изменяется на 1л.

Графики, характеризующие свойства подобного фа-

зовращателя, выполненного с полиэтиленовыми встав-

ками {Л. 12], приведены на рис. 8-22. Они показывают,

что этот фазовращатель обладает большой точностью и

стабильностью характеристик в значительном частот-

ном диапазоне.

Элементы рассмотренного фазовращателя могут

быть выполнены на волноводах с продольными метал-

лическими вставками [Л. 13], при этом за счет некото-

рого увеличения длины и сужения рабочего диапазона

могут быть уменьшены вносимые им потери и увеличе-

на пропускаемая мощность.

Электрические фазовращатели СВЧ можно разбить

на три большие группы.

В первую группу входят устройства, в которых ис-

пользуется зависимость Б

ИЛИ

Ц,

той или иной среды от

электрического или магнитного полей, а также от дру-

гих электрических параметров. К таким средам отно-

сятся:

1) сегнетоэлектрические вещества (изменяется Б);

2) газоразрядная плазма (изменяется е);

3) высокочастотные ферриты (изменяется р.).

Во вторую группу входят устройства, в которых ис-

пользуются сосредоточенные емкости и индуктивности,

изменяемые с помощью электрического управ пения.

В качестве управляемых емкостей применяются емкост-

379

ные диоды, а в качестве управлямых индуктивностей

—

катушки с насыщением.

В третью группу входят электронные приборы

(ЛБВ и ЛОВ) с бегущей волной. Фазовая скорость в по-

следних изменяется в довочьно широких пределах пу-

тем управления электронным пучком.

К настоящему времени в антенной практике приме-

няются главным образом ферритовые фазовращатели

и фазовращатели на емкостных диодах. Поэтому ниже

рассматриваются фазовращатели только этих двух ти-

пов.

Ферритовые фазовращатели основаны на использо-

вании зависимости магнитной проницаемости высоко-

частотных ферритов от подмагничивающего поля. Фер-

ритовый стержень или пластина помещается в волно-

вод того или иного сечения. При этом в зависимости

от типа волны, от расположения феррита, от направле-

ния постоянного магнитного поля будут иметь место

обратимые и необратимые эффекты [ЛО. 16]. В частно-

сти,

наблюдается изменение набега фазы на единицу

длины волновода при изменении подмагничивающего

поля. Рассмотрим несколько типов волноводных ферри-

товых фазовращателей.

Фазовращатель на прямоугольном волноводе, управ-

ляемый продольным полем (рис. 8-23), представляет со-

бой прямоугольный волновод, по оси которого располо-

жен ферритовый стержень круглого или прямоугольно-

Рис 8-23 Ферриговый фазовращатель

с прямоугольным волноводом, управ

ляемый продольным магнитным по-

лем.

380