Файл: Негурей, А. В. Конструкции и техника СВЧ учебное пособие.pdf

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

А. В. НЕГУРЕИ^ А. А. ХАРИТОНОВ

КОНСТРУКЦИИ

И ТЕХНИКА СВЧ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Под редакцией доцента кандидата технических наук

А. В. НЕГУ РЕЯ

ЛЕНИНГРАД

1974

W 'J3 № 3

Одобрено к печати Методической комиссией

радиотехнического факультета

Рассмотрены вопросы теории и методы проектирования объемных резонаторов и частотных фильтров диапазона СВЧ.. Приведены примеры конструктивного расчета конкретных устройств, что может б^ть использовано при курсовом и дипломном проектировании.

© Ленинградский институт авиационного приборостроения (ЛИАП)„

1974

Глава первая

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ РЕЗОНАТОРОВ

§ 1. Колебательные системы низких частот. Контуры переходного типа

В диапазоне' метровых и более длинных радиоволн для создания устройств, обладающих резонансными свойствами, применяются колебательные контуры, состоящие из элемен­ тов с сосредоточенными параметрами, т. е. из катушек индук­ тивности и конденсаторов. Однако с укорочением длины волны у таких резонансных контуров появляются существен­ ные недостатки (например, уменьшение добротности), огра­ ничивающие или вообще исключающие их применение.

Как известно, добротностью колебательной системы как энергетической характеристикой принято называть величину

которая на резонансной частоте и>о пропорциональна энергии W, запасенной в системе, и обратно пропорциональна энергии

в основном, вызывается следующими причинами:

1) уменьшением эффективного сечения проводников и со­ ответствующим увеличением их активного сопротивления в результате усиливающегося действия поверхностного эф­ фекта;

2)ростом диэлектрических потерь в каркасах катушек, изоляции проводов, диэлектрике конденсаторов и т. п.;

3)ростом потерь в магнитных материалах;

4)возрастающим действием антенного эффекта, т. е. из­ лучением энергии контуром, геометрические размеры кото­

3

рого становятся соизмеримыми, а не пренебрежимо малыми по отношению к длине электромагнитной волны.

Укорочение длины волны приводит в итоге к вырождению конструкции контура, катушка индуктивности которого стано­ вится одним витком круглого или ленточного провода, а кон­ денсатор может вообще отсутствовать. Необходимая емкость в этом случае создается «паразитными» емкостями схемы, межэлектродными емкостями ламп и т. п.

В диапазоне метровых волн, и особенно в коротковолно­ вой его части, колебательные контуры с сосредоточенными параметрами применяются в относительно маломощных це­ пях (до Ю-т-20 Вт) и тогда, когда от контура не требуется высокой стабильности характеристик и добротности. Значи­ тельно лучшими характеристиками обладают так называемые контуры переходного типа [1], которые применимы в диапа­ зоне дециметровых волн. Контуры переходного типа по кон­

4

струкции отличаются от обычных низкочастотных контуров тем, что емкость в них создается элемента.ми с сосредоточен­ ными параметрами-конденсаторами, образованными элемен­ тами конструкции, а индуктивность является распределенной индуктивностью ленточных проводников, не образующих витков, как это имеет место в «обычном» контуре. Контуры переходного типа широкодиапазонны и по конструкции раз­ деляются на контактные и бесконтактные. Примеры конструк­ ций контуров и их эквивалентные электрические схемы при­ ведены на рис. 1.

Контактные контуры перестраиваются за счет изменения емкости переменного конденсатора и шунтирования части проводника с распределенной индуктивностью. Бесконтакт­ ные контуры перестраиваются также за счет изменения емко­ сти переменного конденсатора, однако изменение индуктив­ ности достигается размагничивающим действием ротора, играющего роль -немапнитного сердечника. Добротность кон­ тактных контуров определяется активным сопротивлением дуги, которое относительно мало, переходным сопротивле­ нием контакта гк= (0,01 -ь0,001) Ом и сопротивлением излу­ чения. Более стабильные и добротные бесконтактные кон­ туры применяются в гетеродинах, смесителях и т. п. Сравни­ тельная" характеристика контуров переходного типа приво­ дится ниже [1].

В коротковолновой части дециметрового диапазона и тем более в диапазоне сантиметровых волн контуры упомянутых типов имеют неудовлетворительные характеристик и кон­ структивно трудно выполнимы.

5.

§ 2. Колебательные системы СВЧ, их классификация

Колебательные системы в диапазоне СВЧ реализуются на устройствах с распределенными параметрами. Они разнооб­ разны по конструкции и чрезвычайно широко распространены в СВЧ технике. Примером могут служить такие СВЧ устойства, как входные цепи приемников, колебательные системы генераторов, усилителей, умножителей частоты, фильтры, волномеры, устройства для стабилизации частоты, устройства для исследования радиофизических свойств газов, твердых и жидких веществ и пр.

Классифицировать СВЧ колебательные системы по конст­ руктивному признаку можно, взяв за основу классификации отношение главных геометрических размеров этих систем к длине электромагнитной волны К0 (рис. 2). Каждая из по­ лученных таким образом групп имеет вполне определенные конструктивные признаки, а также отличается своими харак­ терными типами полей, что, в свою очередь, во многом опре­ деляет методику расчета и конструирования колебательных систем.

К первой группе относятся колебательные системы, про­ дольные размеры которых сравнимы с длиной электромагнит­ ной волны, а поперечные размеры значительно меньше дли­ ны волны а0. Принцип действия этих систем основан на резо­ нансных свойствах короткозамкнутых и разомкнутых отрез­ ков линий передач, работающих на волне типа ТЕМ. Таким образом, к первой группе относятся двухпроводные, коакси­ альные и полосковые колебательные системы. Они приме­ няются в метровом, дециметровом п отчасти в сантиметро­ вом диапазонах волн, что определяется частотными свойст­ вами самих линий передачи.

Ко второй группе относятся колебательные системы, про­ дольные и поперечные размеры которых сравнимы с длиной волны. Конструктивно они представляют из себя некоторый объем, ограниченный проводящей поверхностью определенной формы. Такие колебательные системы называются полыми, или объемными резонаторами. В частном случае форма объемных резонаторов может соответствовать форме замкну­ тых отрезков волноводной линии передачи. Системы второй

6

группе относятся диэлектрические резонаторы — диэлектриче­ ские тела различной формы, внутри которых возбуждаются ~СВЧ колебания. Объем таких резонаторов не ограничи-

Рис. 2. Классификация СВЧ колебательных систем.

вается проводящей пове(рх1Ностью, как это было у полых объемных .резонаторов.

Ктретьей группе относятся СВЧ колебательные системы

сгеометрическими размерами, значительно превышающими длину волны. Это открытые резонаторы оптического типа,

7

образованные системой отражателей, конструкция и формакоторых может быть многообразна. Основным типомволны для таких резонаторов Является волиа ТЕМ, аналогичная волне, распространяющейся в свободном пространстве. При­ меняются открытые резонаторы в миллиметровом и субмил­ лиметровом диапазонах, значительно реже в коротковолно­ вой части сантиметрового диапазона.

§3. Колебательные системы на отрезках длинных линий

Вконструкциях колебательных систем диапазона метро­ вых и дециметровых волн широко используются отрезки ли­ ний передачи: двухпроводной, коаксиальной и полосковой. Эти системы относятся к первой -группе (рис. 2) и приме­

няются в СВЧ генераторах, усилителях, умножителях ча-

стоты и других устройствах. На рис. 3 и 4 показаны примеры конструктивных решений колебательных систем на двухпро­ водной и коаксиальной линиях, работающих совместно- с электронными лампами. В приведенных примерах колеба­ тельная система образуется не только отрезком короткозамк­ нутой линии, т. е. элементом с распределенными парамет­ рами, но и конструктивным конденсатором сетка-анод лампы с сосредоточенной емкостью Сса (рис. 4).

Теоретически входное сопротивление короткозамкнутых или разомкнутых отрезков линий чисто реактивно и, как сле­ дует из теории длинных линий, для короткозамкнутого от­

8

Условие резонанса параллельного контура состоит в ра­ венстве индуктивного и емкостного сопротивлений на резо­ нансной частоте. Для контура с короткозамкнутой линией и сосредоточенной емкостью на входе (Сса) это условие запи­ сывается в виде [2]

постоянная линии; /0, >,о и ©о — длина линии, длина волны и круговая частота, соответствуюшие резонансу контура.

Значения юв[рад/1с], Сса[Ф] и Z0{Om] могут быть доста­ точно большими так, что при п —О геометрическая длина линии /0[м] будет малой и практически невыполнимой кон­

9