λвср=2·λв1·λв2/(λв1+λв2),
λвср=2·60,4·28,1/(60,4+28,1)=38,38 (мм).
3. Определим расстояние между центрами отверстий связи:
l=λвср/4, (8.10)
l=38,38/4=9,6 (мм).
4. По рассчитанной минимальной собственной направленности НО определяется количество отверстий связи:
N≥-Dmin/(20·lg(cos(2·π·l/ λвраб))+1, (8.11)
N≥-80/(20·lg(cos(2·π·9,6/32))+1=6 шт.
5. Далее определяется коэффициент передачи в прямом направлении:
K∑+=10-C/20, (8.12)
K∑+=10-20/20=0,1.
Коэффициент передачи для первого отверстия:
K1= K∑+/2N-1, (8.13)
K1=0,1/26-1=3,125·10-3.
Коэффициент передачи остальных отверстий:
Ki=(N-1)!·K1/((i-1)! ·(N-i)!), (8.14)
K2=(6-1)!·3,125·10-3/((2-1)! ·(6-2)!)=1,563·10-2,
K3=(6-1)!· 3,125·10-3/((3-1)! ·(6-3)!)=3,125·10-2,
K4=(6-1)!· 3,125·10-3/((4-1)! ·(6-4)!)=3,125·10-2,
K5=(6-1)!·3,125·10-3/((5-1)! ·(6-5)!)=1,563·10-2.
Таким образом, наибольшее значение Kmax=3,125·10-2.
6. Диаметры отверстий определяются из формулы:
K±=(π∙d3λв/12a3b) ∙Фм, (8.15)
где Фм = [1+Pm∙th(2∙t∙qm/d)]-1-[1+Pm∙cth(2∙t∙qm/d)]-1/, (8.16)
где Pm=1,729,
qm=0,92.
Таким образом, диаметры отверстий равны:
d1 = d6 = 3,30 мм,
d2 = d5 = 4,40 мм,
d3 = d4 = 6,30 мм.
8.4 Резонансный вентиль
радиоволновой диэлектрический волноводный
В прямоугольном волноводе, работающем на волне Н10, существуют две продольные плоскости х = const (рис. 8.4.1), параллельные узкой стенке волновода, где магнитное поле имеет круговую поляризацию. Эти плоскости находятся на расстоянии от узких стенок волновода.
Направление вращения вектора Н в каждом из указанных продольных сечений взаимно противоположно и зависит от направления движения волны по волноводу. Поместим в волноводе в одной из двух указанных плоскостей ферритовую пластинку, намагниченную перпендикулярно широкой стенке волновода (рис. 8.6). Если напряжённость постоянного магнитного поля выбрать равной или близкой к величине Нрез, то феррит поглощает мощность волны, создающей правополяризованное высокочастотное магнитное поле. Волна, распространяющаяся вдоль волновода в противоположном направлении (прямая волна, рис. 8.8), испытывает малое затухание. Серийно выпускаемые ферритовые вентили обеспечивают в полосе частот 10…15 % f0 затухание в прямом направлении не более 0,5 дБ, затухание в обратном направлении 20 дБ и имеют Kcт = 1,08…1,1 ( Kcт – коэффициент стоячей волны).
Рисунок 8.6 – Рассмотрение областей с круговой поляризацией магнитного поля волныН10 в различных сечениях прямоугольного волновода
Рисунок 8.7 – Эскиз конструкции резонансного вентиля
Рисунок 8.8 – Вентиль со смещением поля:
а – эскиз конструкции; б – распределение напряжённости электрического поля
8.5 Модулирующий отражатель
Модулирующий отражатель представляет собой прямоугольный волновод с поперечными размерами (а=23 мм и b=10 мм), открытый конец которого плотно примыкает к исследуемому диэлектрическому образцу. Фазовая модуляция отраженной электромагнитной волны осуществляется с помощью металлической диафрагмы и модулирующего диода (p-i-n диода), встроенных в волновод. Другой конец волновода согласован на нагрузку (поглотитель).
8.5.1 Переключательный диод
Переключательный полупроводниковый диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
Принцип действия переключательного диода основан на большом различии полного сопротивления СВЧ сигналу при прямом постоянном токе через диод и при обратном постоянном напряжении на диоде. Именно поэтому СВЧ тракт (волноводная, коаксиальная или полосковая линия), следующий за переключательным устройством с диодом, может быть либо открыт, либо закрыт для СВЧ сигнала. Например, в радиолокационных станциях с фазированными решетками, содержащими тысячи идентичных антенных элементов, переключательные диоды должны обеспечить подачу мощного СВЧ импульса на каждый элемент в определенные моменты времени. При этом мощные импульсы передатчика не должны попадать в канал чувствительного приемника.
Отсюда ясны основные требования к переключательным СВЧ диодам. Они должны с минимальными потерями пропускать СВЧ мощность в состоянии пропускания и не пропускать — в состоянии запирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большим пробивным напряжением, малой собственной емкостью и достаточно большой скоростью переключения.
Обобщенным параметром переключательного диода является критическая частота fкp, которая характеризует эффективность переключательного диода и определяется по формуле:
(8.17)
где Сстр — емкость структуры; rпр — прямое сопротивление потерь (активная составляющая полного сопротивления диода) при определенном прямом токе смещения; rобр — обратное сопротивление потерь при определенном обратном напряжении смещения.
Для увеличения допустимой мощности рассеяния диода необходимо увеличивать площадь выпрямляющего электрического перехода, что влечет за собой увеличение барьерной емкости. Поэтому большинство переключательных СВЧ диодов имеет p-i-n-структуру, толщина p-n-перехода которой существенно увеличена из-за наличия между р- и n- областями слоя высокоомного полупроводника с собственной электропроводностью (рис. 8.9).
Практически p-i-n-структуру для переключательных СВЧ диодов формируют на исходном кристалле кремния с проводимостью, близкой к собственной, т. е. либо с небольшой концентрацией акцепторов (π-слой), либо с небольшой концентраций доноров (ν-слой). Энергетическая диаграмма, распределение примесей, плотность объемного заряда и электрического поля в p-i-n- и p-π-n-структурах показаны на рисунке 8.9. Методы формирования этих структур различны: вплавление и диффузия примесей, эпитаксиальное наращивание, ионное легирование.
Рисунок 8.9 – Диод с p-i-n-структурой (a), энергетическая диаграмма (б), распределение примесей (в), плотность объемного заряда (г) и напряженности электрического поля (д)
Диоды с p-i-n-структурой отличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависит от напряжения (особенно при больших концентрациях примесей в р- и n-областях). Практическая независимость емкости структуры от напряжения оказывается важным свойством переключательных диодов, так как изменение емкости с напряжением может вызвать дополнительные частотные искажения полезного сигнала.
Пробивное напряжение диодов с p-i-n-структурой достигает нескольких сотен вольт, что существенно превышает пробивное напряжение диодов с обычным р-п-переходом и с таким же уровнем легирования прилегающих областей.
Для переключательных СВЧ диодов некоторых марок (2А523А-4 и др.) максимально допустимая мощность, которую может рассеять диод в непрерывном режиме, равна 20 Вт. Такие диоды представляют собой бескорпусные приборы с жесткими выводами - кристаллодержателями - и защитным покрытием. Диаметр их 2 мм, длина 3,6 мм.
Переключательный СВЧ диод может работать при последовательном и при параллельном включении с линией передачи. В параллельной схеме при прямом смещении диод имеет небольшое сопротивление, шунтирующее линию, и большая часть СВЧ мощности отражается обратно. Таким образом, при параллельной схеме для переключения СВЧ тракта используют разницу в отражении, а не в поглощении. В самом диоде при этом поглощается незначительная часть падающей на него СВЧ мощности, что позволяет относительно маломощному прибору управлять десятками и сотнями киловатт импульсной СВЧ мощности.
Недостатком переключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой является инерционность процесса рассасывания носителей заряда (электронов и дырок) из i-слоя при переключении диода c прямого направления на обратное, так как толщина i-слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена.
Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шотки, изготовленных на основе арсенида галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ диодов с p-i-n-структурой.
8.5.2 Диафрагмы в прямоугольном волноводе
Диафрагмами называют тонкие металлические перегородки, частично перекрывающие поперечное сечение волновода. В прямоугольном волноводе наиболее употребительны симметричная индуктивная, симметричная емкостная и резонансная диафрагмы, показанные на рисунке 8.10.
а)
б)
В)
Рисунке 8.10 – Диафрагмы в прямоугольном волноводе
В индуктивной диафрагме (рис. 8.5.2, а) поперечные токи на широких стенках волновода частично замыкаются через пластины, соединяющие эти стенки. В магнитном поле токов, текущих по пластинкам диафрагмы, запасается магнитная энергия. Схема замещения индуктивной диафрагмы представляет собой индуктивность, включенную параллельно в линию передачи. Нормированную реактивную проводимость индуктивной диафрагмы bL определяют по приближенной формуле:
bL≈- (λв/а)ctg2(πdL/2а), (8.18)
где λв – длина волны в волноводе;
а – размер широкой стенки волновода;
dL – ширина зазора диафрагмы.
Емкостная диафрагма (рисунок 8.10, б) уменьшает зазор между широкими стенками волновода, между кромками диафрагмы концентрируется поле Е и создается некоторый запас электрической энергия. Поэтому схемой замещения емкостной диафрагмы является емкость, включенная параллельно в линию передачи. Нормированная реактивная проводимость емкостной диафрагмы bс определяется по приближенной формуле:
bС≈- (4b/λв)ln cosec(πdC/2b), (8.19)
где b – размер широкой стенки волновода;
dC – ширина зазора диафрагмы.
Емкостная диафрагма сильно снижает электрическую прочность волновода.
Резонансная диафрагма (резонансное окно) - металлическая пластинка с отверстием прямоугольной или овальной формы (рисунок 8.10, в), содержащая в себе элементы индуктивной и емкостной диафрагм. Размеры отверстия резонансной диафрагмы могут быть выбраны так, чтобы на заданной резонансной частоте диафрагма не оказывала влияния на распространение волны Н10 в волноводе, т. е. имела нулевую проводимость. Схема замещения резонансной диафрагмы имеет вид параллельного резонансного контура, включенного в линию передачи параллельно. Приближенно резонансную частоту резонансной диафрагмы определяют из условия равенства волновых сопротивлений линии передачи, эквивалентной волноводу, и отверстия диафрагмы на основании формулы (8.20):
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
