Аттенюаторы и нагрузки. Волноводные аттенюаторы и нагрузки

Наибольшее распространение получили поверхностные Поглощающие Волноводные аттенюаторы, которые представляют собой отрезок волновода с помещенной в него пластиной, выполненной из поглощающего материала или диэлектрика, на который нанесен тонкий поглощающий слой. 

Поверхностные аттенюаторы широко используются как в качестве фиксированных, так и в качестве переменных. Конструктивно поверхностные аттенюаторы подразделяются на три типа:

аттенюаторы ножевого типа;

аттенюаторы с пластиной (или пластинами), перемещающейся от узкой стенки к центру волновода;

аттенюаторы поляризационного типа.

Аттенюаторы ножевого типа представляют собой отрезок волновода, в который через продольную щель и середине широкой стенки вводится поглощающая пластина со скосами для согласования (рис. 5.2, а). Поскольку в волноводе распространяется волна типа Н₁₀, то поперечные токи в середине широкой стенки отсутствуют и, следовательно, продольная щель, прорезанная точно в середине широкой стенки, не будет излучать и влиять на структуру поля внутри волновода. При максимальном погружении пластины в волновод затухание, вносимое аттенюатором, будет максимальным. Начальное ослабление таких аттенюаторов порядка 0,3-0,5 дб, максимальное ослаблениепорядка 20-40 дб, К_бвпорядка0,85-0,95. Поверхностное сопротивление поглощающихпластин150-400 ом/см².

В сантиметровом диапазоне волн наиболее широко в качестве поглощающих покрытий диэлектрических пластин используются углеродистые покрытия, в миллиметровом — нихромовые. Максимальная входная мощность такихаттенюаторовпорядка 0, 1 вт.

Рис5.2. Переменный аттенюатор ножевого типа: а – схема: б – градуированная кривая: в – кулачок.

Для аттенюаторов с невысокой точностью и сравнительно небольшимдопустимым К_бн диэлектрическую пластину, служащую основанием для поглощающего покрытия, можно изготовлять из гетинакса или другого диэлектрика, обладающего средними качествами в отношении стабильности параметров в зависимости от температуры, влажности и времени. У точных аттенюаторов пластина должна изготовляться из таких диэлектриков, как кварц, слюда, керамика.

При проектировании аттенюаторов на большие значения входных мощностей поглощающая пластина изготовляется целиком из поглощающих материалов. Например, аттенюаторы с поглощающей пластиной, изготовляемой из армированного СКБ-90, выдерживают мощности до 3 вт.

До настоящего времени не существует точных методов расчета размеров поглощающих пластин. Длина ее со скосами для согласования лежит в пределах (3,5-6) l₀, где l₀ — средняя длина волны рабочего диапазона.

Для линеаризации кривой зависимости ослабления от глубины погружения поглощающей пластины применяются кулачки со специальным профилем, позволяющие вводить поглощающую пластину по определенному закону. Расчет профиля кулачка производится на основании графика зависимости ослабления поглощающей пластины от глубины погружения ее С_дб=f(l). Этот график строится на основании экспериментальных данных. Ниже будет рассмотрен один из способов расчета профиля кулачка для кривой С_дб=f(l), показанной на рис. 5.2,б.

Весь диапазон ослаблений аттенюатора разбивается на n одинаковых частей и по кривой С_дб=f(l) находятся величины l₁, l₂, l₃, и т. д. Затем вычерчивается окружность радиусом r, который определяет начальное положение поглощающей пластины (нулевое затухание), рис. 5,2, в. Окружность делится на (n+1) частей. Через полученные деления на окружности и центр проводятся прямые. На первой прямой откладывается расстояние r+l₁ на 2-й — r+l₂ и т. д. Точки А₁, А₂, А₃, и т. д. определяют профиль кулачка.

Основными недостатками аттенюаторов ножевого типа являются значительная зависимость ослабления от частоты и невысокая точность. Обычно они используются в качестве развязывающих. Аттенюаторы ножевого типа могут быть созданы во всем практически применяемом диапазоне, включая миллиметровый.

Аттенюаторы с пластиной, перемещающейся от узкой стенки к центру волновода, представляют собой отрезок волновода, в который помещается поглощающая пластина параллельно узкой стенке (рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 5,5, а). Пластина крепится на диэлектрическом стержне, позволяющем передвигать ее от узкой стенки к центру волновода. При помещении поглощающей пластины в центр волновода, то есть в максимум напряженности электрического поля, ослабление аттенюатора будет максимальным. Для согласования пластины с волноводом на ней сделаны скосы.

Рис. 5.5. Переменные аттенюаторы с поглощающими пластинами, перемещающимися от узкой стенки к центру волновода: а - с одной пластиной; б - с двумя пластинами.

Помимо аттенюаторов с одной поглощающей пластиной, нашли применение аттенюаторы с двумя пластинами, одновременно вдвигаемыми в волновод (рис. 5.5, б). Они позволяют получить большее ослабление и менее критичны к частоте. Диапазон частот их порядка 50%, а у аттенюаторов с одной пластиной порядка 30%. Пределы ослабления таких аттенюаторов порядка 0,3-40 дб, К_бв»0,85-0,95.

Выбор материала для пластин, покрытий их производится из тех же соображений, что и для аттенюаторов ножевого типа. Поглощающее покрытие обычно наносится на одну сторону диэлектрической пластины. Для уменьшения начального затухания пластина устанавливается поглощающим слоем в сторону ближайшей узкой стенки. Если пластина будет целиком покрыта поглощающим слоем или выполнена целиком из поглощающего материала, то начальное затухание таких аттенюаторов получается порядка нескольких децибел.

При определенных высотах пластин наступает резонанс, существенно ухудшающий характеристики аттенюатора. Обычно высота пластин выбирается порядка

l_l=(0,85 - 0,87)b,(5.7)

где b — размер узкой стенки волновода. 

Длина пластины выбирается обычно в пределах

1=(2 - 5)l_в,(5.8)

где l_в — длина волны в волноводе. 

Максимальное затухание аттенюаторов с пластинами такой длины лежит в пределах 20—40 дб. Толщина пластин берется порядка 0,5-З мм. Длина скосов пластины для обеспечения хорошего согласования берется приблизительно равной длине волны. Для линеаризации градуировочной кривой ослабления применяются кулачки, расчет профиля которых приведен в предыдущем разделе.

Рис. 5.6. Поляризационный аттенюатор: а — схема аттенюатора; б—векторные диаграммы

Аттенюаторы рассматриваемого типа обладают приблизительно теми же недостатками, что и аттенюаторы ножевого типа. Диапазон использования их несколько уже, чем аттенюаторов ножевого типа. Рассматриваемое аттенюаторы не используются в миллиметровом диапазоне из-за малых размеров применяемых волноводов.

Аттенюаторы поляризационного типа конструктивно состоят из трех полноводных секций — I, II, III (рис. 5.6, а), в которые помещены диэлектрические пластины, покрытые поглощающим слоем и разделяющие секции волноводов на 2 равные части. В крайних секциях (I, III) поглощающие пластины расположены в одной плоскости. Средняя секция II представляет собой отрезок круглого волновода и может вращаться вокруг продольной оси вместе с поглощающей пластиной. Крайние секции — I и III представляют собой переходы от прямоугольного к круглому волноводу. С помощью этих переходов происходит трансформация волны типа Н₁₀ для прямоугольного волновода в волну типа Н₁₁ для круглого волновода и наоборот. Поглощающие пластины в крайних секциях расположены так, что линии электрического поля распространяющейся волны нормальны плоскости поглощающих пластин. Если поглощающую пластину средней секции расположить в плоскости крайних пластин (q°==0°), то в этом случае волна будет проходить через аттенюатор без ослабления. При повороте средней секции на некоторый угол q° электрическая составляющая электромагнитной волны может быть разложена на две составляющие: параллельную  и перпендикулярную  к плоскости поглощающей пластины (рис. 5.6, б):

(5.9)

.

Электрическая составляющая, параллельная пластине II секции — , поглотитсяпластиной,а нанормальнуюсоставляющую пластина не будет оказывать влияния. Составляющая на входе секции III будет находиться под углом (90°—q°) к поглощающей пластине секции III. Ее в свою очередь можно разложить на две составляющие: параллельную и перпендикулярную к поглощающей пластине секции III.

,

.(5.10)

Нормальная составляющая — без ослабления пройдет через секцию III, а составляющая полностью поглотится.

Таким образом, коэффициент передачи по напряженности будет равен

k =cos²q,(5.11)

по мощности — k² = cos⁴q.(5.12)

Ослабление аттенюатора в децибелах будет

С == -40 lg cos qдб.(5.13)

Полученное выражение показывает, что при отсутствии отражений от концов пластин и в случае бесконечно большой поглощающей способности пластин ослабление аттенюатора зависит только от угла поворота пластины средней секции и не зависит от частоты. Частотный диапазон таких аттенюаторов ограничивается волноводом. Аттенюаторы поляризационного типа в основном применяются в качестве прецизионных.Обычно начальное ослабление таких аттенюаторов порядка 1—2 дб, максимальное ослабление порядка 40—60 дб, К_бв»0,87-0,9, допустимая мощность рассеяния до 1 вт.

Выбор диаметра круглого волновода производится из условия существования только волны основного типа Н₁₁ и отсутствия волн высших типов ( в первую очередь волн Е₀₁ и Н₂₁}. Наличие волн высших типов приводит к появлению значительных ошибок. При этом наибольшее влияние на точность работы аттенюатора окажет волна типа Н₂₁, поскольку волна Е₀₁ поглотится пластиной. Это становится понятным при рассмотрении структуры поля этих волн. Следовательно, условие существования в круглом волноводе только волны основного типа запишется

                                                           (5.15),

где l_крН21 — критическая длина волны типа Н₂₁, 

l_крН11 — критическая длина волны типа Н₁₁,

l — рабочая длина волны. 

Или, подставляя значения критических длин волн,

2,057r<l< 3,412r,

где r — радиус круглого волновода.

Отсюда, условие для выбора радиуса круглого волновода запишется:

.(5.16)

Наиболее технологической конструкция будет в том случае, если диаметр круглого волновода равен диагонали прямоугольного волновода. При этом условие (5.16) соблюдается.

Длина пластины средней секции выбирается исходя из величины требуемого максимального ослабления. Так, например, для получения ослабления в 45 дб в аттенюаторах с нихромовым покрытием поглощающих пластин длина средней секции берется порядка

l=(3-5,5)l_макс.(5.17)

В качестве основы поглощающих пластин обычно берется слюда, обладающая малой толщиной и стабильной формой. Поглощающим покрытием обычно служит нихром или платина.

Длина переходов от прямоугольного волновода к круглому выбирается в пределах

l_пер=(2-4)l_макс,(5.18)

здесь l_макс —максимальная длина волны рабочего диапазона в волноводе.

Достоинствами поляризационных аттенюаторов являются:

широкополосность (зависимость ослабления от частоты практически отсутствует);

возможность градуировки расчетным путем;

отсутствие зависимости ослабления от изменения (в некоторых пределах) поверхностного сопротивления поглощающих пластин.

К недостаткам относятся различные конструктивные и технологические трудности. Погрешность, обусловленная разрешающей способностью механизма перемещения, растет с увеличением угла q, то есть с увеличением вводимого ослабления. Так, например, если допустимая погрешность составляет 0,1 дб при ослаблении 45 дб, то разрешающая способность механизма перемещения должна быть равна 5 угловым минутам. Таким образом, к конструкции прецизионных аттенюаторов должны предъявляться высокие требования.