Согласующие устройства в линиях передачи СВЧ

Рассмотрим согласующие устройства в линиях передачи СВЧ, наиболее распространенные на практике.

В волноводных, коаксиальных и полосковых трактах СВЧ применяются следующие типы согласующих устройств: четвертьволновые трансформаторы; последовательные и параллельные шлейфы; ступенчатые и плавные переходы.

Кроме того, в волноводных трактах в качестве согласующих устройств используются диафрагмы и реактивные штыри. На рис. 4.13 представлены варианты волноводного исполнения четвертьволновых трансформаторов. При переходе от волновода, заполненного диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью , к пустому волноводу может быть использован трансформатор, показанный на рис. 4.13,а. Трансформатор длиной  частично заполнен диэлектриком и имеет волновое сопротивление, равное среднему геометрическому волновых сопротивлений соединяемых волноводов:

На рис. 4.13,б,в представлены четвертьволновые трансформаторы, предназначенные для согласования перехода прямоугольных волноводов с различными волновыми сопротивлениями. В частности, для волноводов с различными размерами узких стенок размер  определяется из условия , а для волноводов с различными размерами широких стенок согласование обеспечивается при .

Варианты коаксиального выполнения четвертьволновых трансформаторов показаны на рис. 4.13. Диаметры проводов коаксиала-трансформатора определяются из условия согласования .

На рис. 4.14 показана топология четвертьволнового трансформатора в полосковом исполнении.

Для целей согласования в трактах СВЧ используются короткозамкнутые реактивные шлейфы. Варианты исполнения шлейфов показаны на рис. 4.15.

Короткое замыкание в волноводных (рис. 4.15,а,б) и коаксиальных (рис. 4.15,в) шлейфах достигается размещением в них проводящих поршней, размеры поперечного сечения которых обеспечивают короткое замыкание стенок волновода и свободное перемещение поршня вдоль волновода (на рисунках поршни не показаны). На рис. 4.15,г-е показана топология полосковых шлейфов. Параллельный разомкнутый шлейф (рис. 4.15,г) имеет емкостный характер входного сопротивления: , при . Параллельный короткозамкнутый шлейф (рис. 4.1 5,д) имеет индуктивный характер входного сопротивления  при . Короткое замыкание достигается соединением металлической перемычкой через отверстие в подложке полоски и металлического экрана. Последовательный полосковый шлейф и его эквивалентная схема показаны на рис. 4.15,е,ж. Параметры эквивалентной схемы определяются из соотношений

С использованием таких шлейфов могут быть построены шлейфовые согласующие устройства. Для примера на рис. 4.16 показана топология трехшлейфового полоскового согласующего устройства.

Четвертьволновые трансформаторы и шлейфы являются узкополосными согласующими устройствами. К широкополосным согласующим устройствам относятся ступенчатые и плавные переходы. На рис. 4.17 показаны варианты исполнения таких устройств на основе прямоугольных волноводов, коаксиалов и полосковых линий.

Диафрагмы и реактивные штыри, применяемые для согласования в волноводных трактах, также являются узкополосными устройствами.

Диафрагмой называется тонкая металлическая перегородка, частично закрывающая поперечное сечение волновода. Различают диафрагмы емкостные, индуктивные и резонансные. Их вид и эквивалентные схемы представлены на рис 4.18. Нормированные значения проводимости емкостной и индуктивной диафрагм определяются приближенными соотношениями ,

Резонансная диафрагма образуется наложением емкостной и индуктивной диафрагм. Резонансная частота диафрагмы определяется приближенным соотношением  где с= 3 10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

Недостаток емкостной и резонансной диафрагм состоит в том, что они значительно снижают электрическую прочность тракта.

На практике находят применение сложные многощелевые диафрагмы. Они имеют многоконтурную эквивалентную

схему. Подбирая размеры и количество щелей, удается создать требуемую частотную характеристику диафрагмы. Пример такой диафрагмы представлен на рис. 4.19.

Реактивный штырь представляет собой металлический цилиндр небольшого диаметра, размещаемый в поперечном сечении волновода параллельно или перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В зависимости от расположения штыря в поперечном сечении волновода и его размеров на эквивалентной схеме он может быть представлен индуктивностью или емкостью. На рис. 4.20 представлены реактивные штыри в волноводе и их эквивалентные схемы. Значения номиналов элементов эквивалентных схем штырей определяются по формулам, имеющимся в справочной литературе. При неглубоком погружении штыря в волновод параллельно силовым линиям электрического поля он эквивалентен емкости (рис. 4.20,6). Такие штыри используются в перестраиваемом согласующем устройстве, эквивалентном трехшлейфовому согласователю (рис. 4.21). Недостаток емкостных штырей состоит в том, что они снижают электрическую прочность тракта.

//л5 ВГ ПрСВЧУ