Управляющие и ферритовые устройства СВЧ. Механические коммутаторы, фазовращатели, аттенюаторы. Антенные переключатели на газовых разрядниках.

Управляющие устройства позволяют регулировать амплитуды и фазы сигналов СВЧ или изменять пути их прохождения в трак­тах. В механических управляющих устройствах изменение парамет­ров передачи сигналов происходит вследствие перемещения отдель­ных частей устройства. В электрических управляющих устройствах параметры тракта изменяются без каких-либо перемещений его частей под прямым воздействием электрических сигналов управле­ния.

В зависимости от выполняемых функций можно выделить сле­дующие управляющие устройства СВЧ.

Выключатели— четырехполюсники, обеспечивающие либо со­гласованную передачу сигнала со входа на выход (открытое со­стояние), либо отсутствие передачи сигнала (закрытое состояние или режим запирания). Режим запирания может быть реализован путем либо полного отражения сигнала, либо его поглощения.

Коммутаторы— многополюсники, имеющие один или несколько входов и ряд выходов. Сигналы, поданные на входы, поступают по одному или нескольким изменяемым при переключении каналам на выходы с минимальными потерями и при выполнении условий со­гласования.

Отражательные фазовращатели— двухполюсники с регулируе­мой фазой коэффициента отражения (плавно или ступеньками) при модуле коэффициента отражения, близком единице. В идеале отражательный фазовращатель представляет собой переменное ре­активное сопротивление и может быть реализован в виде коротко замкнутого или разомкнутого шлейфа переменной длины.

Проходные фазовращатели— согласованные четырехполюсники, в идеале реактивные, обладающие переменной фазой коэффициен­та передачи. Проходные фазовращатели бывают плавными (с не­прерывным изменением фазы) и ступенчатыми (дискретными), в которых фаза принимает ряд фиксированных значений, различающихся на постоянную величину ∆φ- дискрет фазы.

Аттенюаторы — четырехполюсники, обеспечивающие плавное или дискретное изменение вносимого ослабления от минимального значения L_min до максимального значения L_max.

Ограничители мощности – саморегулирующиеся согласованные четырехполюсники, пропускающие слабые сигналы почти без ослаб­ления и резко ограничивающие интенсивность сигналов, мощность которых превышает заданный пороговый уровень.

Механические коммутаторы, фазовращатели и аттенюаторы.В волноводных трактах часто применяют механические выклю­чатели и переключатели. В простейшем выключателе (рис. 1, левее) соединение между волноводами производится с помощью волно-водного канала в поворотном металлическом роторе. Для надежно-го электрического контакта на боковой поверхности ротора выпол­няют дроссельные канавки (типа обычного дроссельного фланца). При повороте ротора на 90° волноводы закорачиваются поверхно­стью ротора, а дроссельные канавки препятствуют просачиванию сигнала по зазору между ротором и корпусом. В более сложном переключателе (рис. 1, правее) ротор содержит три волноводных кана­ла, допускающих четыре типа соединений между че­тырьмя входами.

В механических фазовра­щателях проходного типа из­менение электрической длины отрезков линии передачи можно осуществлять, регулируя их геометрическую длину или изменяя коэффициент фазы. Рассмот­рим принцип действия механического фазовращателя, известного под названием “тромбон”. Этот фазовращатель для жесткого ко­аксиального тракта показан на рис.а. Для обеспечения согласо­вания точки скользящих контактов во внутреннем и внешнем проводниках коаксиального волновода разнесены по длине линии, так что на всех стыкуемых между собой отрезках линии передачи со­храняется одинаковое отношение диаметров внешнего и внутрен­него проводников, т.е. обеспечивается постоянное волновое сопро­тивление.

Волноводные фазовращатели с изменением коэффициента фазы волны Н₁₀ прямоугольного волновода показаны на рис.б.

В кон­струкции на рис.а диэлектрическую пластину погружают параллельно силовым линиям Е в прямоугольный волновод через неизлучающую щель в середине широкой стенки, что приводит к замедлению волны и увеличению запаздывания на выходе фазовра­щателя. Скосы на краях диэлектрической пластины играют роль плавных переходов, обеспечивающих согласование фазовращателя. В конструкции на рис.б диэлектрическая пластина перемещается от края к центру волновода держателем, пропущенным через отвер­стие в боковой стенке волновода. При продвижении пластины в об­ласть большей концентрации поля Е увеличиваются замедление волны в волноводе и запаздывание, вносимое фазовращателем. Края пластины скошены для уменьшения отражений. В конструк­ции на рис.в волновод выполнен из упругого металла и в се­редине широких стенок прорезаны неизлучающие продольные щели. Под действием внешнего усилия , приложенного к узким стенкам волновода, ширина волновода изменяется, что приводит к изме­нению критической длины волны и фазовой скорости волны Н₁₀.

Для создания переменных аттенюаторов обычно используют яв­ление экспоненциального ослабления волн в запредельных волно­водах. На рис. показаны схемы коаксиальных аттенюаторов на основе отрезка круглого волновода переменной длины и малого диаметра, в котором волны всех типов являются нераспространяющимися. В схеме рис.а в запредельном круглом волноводе воз­буждается волна типа E₀₁ с помощью емкостного зонда, а в схеме рис.б – волна типа H₁₀ с помощью петли связи. Ослабленные колебания этих волн принимаются на другом конце круглого волно­вода емкостным зондом или петлей связи, соединенными с коакси­альным волноводом. Ослабление аттенюаторов (дБ) на запредельных волноводах прямо пропорционально длине отрезка запредельного волновода и поэтому может быть изменено в широких преде­лах. Аттенюаторы по схемам рис.а,б не согласованы, ослабле­ние в них обусловлено отражениями от входов.

Для согласования входов в схемы запредельных аттенюаторов вводят поглощающие элементы. На рис.в показан согласован­ный аттенюатор на запредельном волноводе с поглощающими ре­зисторами. Центральный проводник входного коаксиального вол­новода, замкнутого на согласованную нагрузку R₁, возбуждает в круглом волноводе бокового ответвления затухающую волну типа Н₁₁ принимаемую на другом конце волновода индуктивным зон­дом. В цепь зонда включена поглощающая вставка R₂, обеспечи­вающая согласование на выходе аттенюатора. Изменение ослабле­ния происходит при изменении длины круглого волновода с помо­щью скользящего соединения во внешнем проводнике выходного коаксиального волновода.

В волноводных трактах применяют также волноводные атте­нюаторы с поглощающими пластинками. По конструкции такие ат­тенюаторы аналогичны волноводным фазовращателям, показанным на рис. выше, но вместо диэлектрических пластин в них применяют пластины из поглощающего материала.

Антенные переключатели на газовых разрядниках.Антенные переключатели применяют в импульсных РЛС при ис­пользовании общей антенны для передачи мощного импульса и для приема отраженных от целей сигналов. На время излучения им­пульса приемник должен быть отключен от тракта и защищен от действия мощного сигнала. В паузах между импульсами к антенне должен быть подключен приемник, а передатчик должен быть изо­лирован от тракта, чтобы не было ослабления принимаемых сигна­лов.

На рис. обозначения: 1 — резонансные “окна”; 2 — конусные электроды; 3 — индуктивная диа­фрагма; 4 — электрод поджига.

В большинстве антенных переключателей используют специаль­ные электровакуумные приборы – газовые разрядники. Резонан­сный волноводный газовый разрядник представляет собой герметичный от­резок прямоугольного волновода, заполненный смесью паров воды с аргоном или водородом при низком давлении (10²—10⁴ Па). На входе и выходе разрядника установлены резонансные диафрагмы, герметизированные пластинками из стекла или керамики (“окна”). Внутри разрядника на средней линии широкой стенки волновода на расстоянии λ_в/4 один от другого и от окон свя­зи располагаются конусные разрядные электроды, представляющие собой при отсутствии разряда емкостные штыри. Разрядные элект­роды совмещают с согласующими индуктивными диафрагмами, до­полняющими схемы замещения электродов до параллельных резо­нансных контуров. Для слабых проходящих сигналов разрядник представляет собой полосовой фильтр с четвертьволновыми связя­ми, имеющий относительную полосу пропускания 5—10%. Переклю­чение разрядника на отражение сигнала происходит автоматически под действием мощного сигнала передатчика.