Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

на рис. 8-48. Максимальный коэффициент излучения свя-

зан с к. п. д. соотношением

а'макс

0,5т1-

(8-58)

При бесконечном возрастании х величина к. п. д. стре-

мится к пределу, который определяется только значе-

нием коммутационного параметра V:

акс.ма

[(

с-

(2 + у + 2/п

17)2

. (8-59)

Балансный переключатель может работать и с одним

диодом; для этого вместо второго диода надо поставить

постоянное сопротивление, величина которого опреде-

ляется соотношением [Л. 22]:

r =

0,5r

(2+V). (8-60)

Предельные параметры такого переключателя можно

определить по приведенным выше формулам и графи-

кам, считая, что коммутационный параметр V уменьшен

в 2 раза.

Коммутационные фазовращатели, с помощью которых

можно менять фазу возбуждения излучателя на

Дф

= 2я/М, где М>2, по способу изменения фазы можно

разбить на три группы. Первая и вторая из них анало-

гичны соответствующим группам балансных переключа-

телей; к третьей группе относятся фазовращатели, по-

строенные по комбинированным схемам.

К первой группе относятся фазовращатели, исполь-

зующие волноводные разветвления на М каналов

(рис.

8-35,а), а также фазовращатели, получающие пи-

тание от разных сечений одного питающего волновода

(рис.

8-49,а). Сюда же принадлежат и фазовращатели,

излучающий волновод которых разделен на М отдель-

ных каналов, имеющих различные электрические длины

(рис.

8-49,6). Каналы в этих устройствах переключаются

с помощью М-диодов.

Ко второй группе относятся фазовращатели с одним

излучающим волноводом, который возбуждается с раз-

личной фазой в зависимости от включенного элемента

связи. Фазовращатель на четыре положения (рис.

8-50,а)

состоит из излучающего волновода /, связанного с пи-

тающим волноводом б с помощью петель связи и отрез-

ков коаксиальной линии 2, 3, 4 и 5, в которые включены

коммутирующие диоды.

411

Наиболее простые фазовраща1ели третьей группы

представляют собой комбинацию балансной схемы с пе-

реключателем фазы на 90° (рис.

8-50,в)

или комбинацию

двух балансных схем (рис. 8-50,г), возбуждение которых

осуществляется напряжениями, сдвинутыми по фазе на

я/2.

В первом случае (рис. 8 50,в) в излучающем волно-

воде балансного переключателя размещен переключатель

;/;;SSS;/777J W//J

а) 6)

Рис 8 49 Коммутационные фазовращатели первой группы

фазы на я/2, собранный по схеме, приведенной на

рис.

8-45. Это позволяет менять фразу возбуждения из-

лучателя скачками через я/2; порядок включения диодов

показан на том же рисунке В фазовращателе, изобра-

женном на рис.

8-50,г,

дополнительный сдвиг фазы на

90° получается с помощью только одного диода, разме-

щенного в отрезке волновода, дающем сдвиг фазы на

135°.

Если этот диод включен, то переключатель не вно-

сит дополнительного сдвига фазы; когда диод выключен,

то энергия проходит по обоим отрезкам волновода па-

раллельно и в результате сложения полей на их выходе

получается сдвиг фазы на 90° (временная диаграмма

сложения полей приведена на том же рисунке).

В комбинированной схеме, состоящей из двух баланс-

ных переключателей (рис. 8-50,6), изменение фазы воз-

буждения одного из них достигается за счет заполнения

одной из коаксиальных линий связи диэлектриком 5. Пе-

реключение возбуждения (2 и 7) излучающего волново-

да производится с помощью двух пар диодов, установ-

ленных в плоскости, перпендикулярной плоскости чер-

тежа. В остальном устройство аналогично одиночному

переключателю, показанному на рис.

8-46,г.

412

Работа коммутационных фазовращателей при усло-

вии,

что входные напряжения каналов слабо связаны

между собой, может быть исследована с помощью экви-

валентной схемы, представтенной на рис.

8-51,а

Послед-

Фаза(Х-П')

Фа за

(0-

Чаза(ГС

в)

г)

Рис

8-50

Коммутационные фазовращатели.

•

второй группы;

б, в и г

—

третьей группы (комбинированные).

нее условие

большинстве фазовращателей

не

соблю-

дается, однако наличие связи между эквивалентными

ге-

нераторами слабо влияе!

на

предельные характеристики

схемы

[Л. 22].

Считаем,

что в

эквивалентной схеме

все

сопротивления активны,

так как

одиночный коммутируе-

мый излучатель обладает максимальными к.п.д.

и а при

компенсации всех реактивностей

(см.

выше).

413

о Ш ik т зга too

Рис 8 51 Эквивалентная схема комму-

тационного фазовращателя (а) п зависн

мость максимального кпд коммута-

ционных фазовращателей от а (б) и от

коммутационного параметра V (в)

М 2, М=4

Анализ эквивалентной схемы [Л. 22] показал, что при

заданных величинах V и г

ее можно настроить на мак-

симум к. п. д.:

"1макс

/ Vr°

a-f b, °"

Vr°

a +

ЬгЧ

—

; (8-61)

здесь a

—

соответствующее значение коэффициента излу-

чения, определяемое соотношением

2г

г°

,п

-62)

Оптимальная величина г

опт

определяется через г

, V и М

Ум*

(8-63)

+ t

В приведенных формулах для упрощения записи использо-

ваны следующие обозначения:

a = (l+^)(l + r„ +

V);

$ = Л*(1+г

) + У;

2/Иг,(1 + У),

£=•

(l+'-H+V)

2/-и 2г

(1+У)

(l+r„)

(l + r„ + V)

(8-64)

Таким образом, при заданных V и М каждому значению

коэффициента излучения а соответствует свой макси-

мальный к. п. д. Его величину для

можно

определить также с помощью приведенных на рис.

8-51,6

графиков. Они показывают, что к. п. д. фазовращателя

на четыре положения несколько ниже к. п. д. балансно-

го переключателя

(М =

2);

различие тем резче, чем мень-

ше V. На рис.

8-51,6

также видно, что максимальный

к. п. д. растет при уменьшении коэффициента излучения,

стремясь к наибольшей величине:

Т)макс.макс

+ V+ VM

2Му)*

(8-65)

415

Облпсггп

t'htjmjjfi

i p/i

npoSoduMUCmu

4f t к и и

облаетi

•v/%t>

'f>;\

Входные

зажимы

Входные

зажимь

—

индикта вноспь

корпус

Прямое

смещение

Обратной

смещение

о.)

к8т

1000

Ни,\

100

;

Srfu адов

' Пиковая

мощность

V диода

\ Мощность

*%>\^в непрерывном

^*°У\

режиме

\Вдиодов^^\1

2диода

?диода~&\

1диод Л

fit

1 корпит

кВт

0.1

001

Iги

Рис.

8-52. P-i-n структуры.

—

эквивалентные схемы при прямом и обратном смещениях:

—

зависимость пропускной мощности от настоты; кружками и

тр^уюльниками показаны экспериментальные точки.

416

Необходимо отметить, что в пределах от

сс

до

= а

акс к. п. д. меняется мало, и поэтому можно считать,

как и для балансного переключателя с одним генера-

тором, ЧТО Омане СВЯЗаП С Т1макс.макс СООТНОШеНйвМ

(8-58).

Графики предельных к. п. д. коммутационных

фазовращателей для М =

Л1

приведены на

рис.

8-51,е.

Таким образом, с помощью соответствующей на-

стройки коммутационные фазовращатели могут обеспе-

чить к. п. д., близкий к максимально возможному для

заданного V к определяемому соотношением (8-65). При

этом коэффициент излучения может находиться: для

М = 2

в пределах от 0 до 0,32, а для

М = 4

— от 0 до 0,3

P-i-n

структуры. Относительно лучшими данными

в качестве переключающего диода (по сравнению

точеч-

ными диодами) обладает плоскостной полупроводнико-

вый элемент с переходом типа p-i-n (рис. 8-52,а). Он

состоит из трех слоев: квазиметаллических р- и п-обла-

стей, разделенных областью инжекции (t-область).

В отсутствие смещения или при небольшом обратном

смещении через такой элемент ток не протекает и он

ведет себя подобно плоскому конденсатору. Емкость С

этого конденсатора определяется размерами площади

соприкосновения областей, а также толщиной и электри-

ческой проницаемостью области инжекции. В таком со-

стоянии на ВЧ p-i-n структура эквивалентна после-

довательной цепи из емкости С и активного сопротив-

ления R

6p)

, определяемого удельным сопротивлением и

размерами квазиметаллических областей.

При подаче на элемент прямого смещения происхо-

дит инжекция дырок из р-области и электронов из п-

области в t-область, где образуется электронно-дыроч-

ная плазма. В результате /-область становится проводя-

щей, и p-i-n структуру можно представить как актив-

ное сопротивление R^

, состоящее из последовательно

соединенных сопротивлений всех трех областей.

Кроме элементов, эквивалентных p-i-n структуре,

на высоких частотах заметную роль играют также элек-

трические параметры арматуры. В режиме обратного

смещения наибольшее влияние оказывает емкость кор-

пуса С

, имеющая порядок 0,2—0,4 пф, а в режиме пря-

мого смещения — его индуктивность L

, имеющая поря-

док 3 нгн (рис.

8-52,а)

[Л. 26].

27—2541 417

При работе в дециметровом и сантиметровом диапа-

зонах необходимо компенсировать влияние индуктивно-

сти L

для тою, чтобы в открытом состоянии сопротив-

ление структуры определялось только сопротивлением

;

оно имеет порядок I ом при токе смещения при-

мерно 100 ма. Наличие компенсации ограничивает рабо-

чую полосу примерно до 10%.

В отличие от точечного диода допустимая мощность

у p-i-n структуры довольно велика. Представление

о максимальных пиковых (импульсных) и средних мощ-

ностях дают

рафики, представленные на рис. 8-52,6.

Импульсные мощности достигают 100 кет на децимет-

ровом диапазоне и уменьшаются до нескольких кило-

ватт на 3 см. Средние мощности соответственно изме-

няются от нескольких киловатт до

—

100 вт па 3 см.

Коммутационные ферритовые фазовращатели ис-

пользуют свойства высокочастотных ферритов, имеющих

прямоугольную петлю гистерезиса и в то же время об-

ладающих заметным различием между магнитными про-

ницаемостями для волн правого и левого вращения век-

тора Н (jlnp

Млев).

Известно, что существенным недостатком ферритэ-

сых фазовращателей, в особенности с ферритами в по-

перечном магнитном поле, является большая величина

намагничивающих полей, а следовательно, заметная

мощность, требуемая для их создания. В ферритах

с прямоугольной петлей гистерезиса этот недостаток

устранен, так как здесь намагничивающее поле создает-

ся за счет остаточной магнитной индукции после им-

пульсного намагничивания от маломощного источника

Кроме того, фазовращатель на ферритах с прямоуголь-

ной петлей гистерезиса не критичен к величине подмаг-

ничнвающего импульса. В остальном устройство рабо-

тает как фазовращатель с ферритом в поперечном маг-

нитном поле (рис. 8-53,а). Набег фазы в таком фазо-

вращателе зависит от размеров и положения пластины,

от свойств феррита и от величины и направления Я

[ЛО.

16]. В коммутационном фазовращателе [Л. 27] пла-

стины заменены ферритовым вкладышем прямоуголь-

ной формы; перевод феррита в одно из двух состоянии

остаточной намагниченности производится с помощью

короткого импульса тока, пропускаемого по проводу, ко-

торый проходит по оси вкладыша и выведен наружу че-

рез узкие стенки волновода (рис. 8-53,6). Изменение на-

418

г^эг

Феррит Цизлекгприк

б)

правления поля остаточной намагниченности влечет за

собой изменение [л феррита с [л

р на

р,

лсв

и обратно.

Длина феррита подбирается так, чтобы получить при

этом изменен,ie набега фазы на я, я/2, л/4, я/8 и т. д.

Соединяя две и более та-

ких секций последова-

тельно, можно получить

коммутационный фазо-

вращатель z М

= 8

и т. д. Например, фазо-

вращатель с

М —8

трех секций (с измене-

нием фазы на я, я/2 и

я/4),

дает Дт|ч,= я/4, т. е.

М =

Для уменьшения отра-

жений у концов феррито-

вого вкладыша устанав-

ливаются четвертьволно-

вые диэлектрические шай-

бы.

Эффективность дейст-

вия феррита значительно

повышается за счет за-

полнения внутренней по-

лости вкладыша диэлек-

триком с е, -=10-=-12

[Л.

27].

Секции, работающие

в 3 и 6-сантиметровых

диапазонах волн и даю-

щие относительное изме-

нение фазы на я/2, имеют

следующие данные [Л. 27,

28].

Величина импульса

управляющего тока 20—

30 а, его длительность

0,5—1 мксек. Время пере-

ключения фазы

20 —

30 нсек.

Трехсантиметровая секция имеет длину ферритового

вкладыша порядка 19 мм; согласующие четвертьволно-

вые секции изготовлены из полиэтилена. Потери в диа-

пазоне

8,4—9,2

Ггц менее 0,3 дб, КСВ ниже 1,15.

27*

419

еррит

Рис.

8-53. Коммутационные фазо-

вращатели на феррчтах с прямо-

угольной петлей гистерезела

а и 6

—

волноводный; в — со спираль-

нои линией.

Шестисантиметровая секция имеет потери в диапазоне

4,9—5,6 Ггц 0,9—1,5 дб; КСВ от 1,3 до 1,85. Пиковая

мощность до 550 кет, средняя

—

до 100 вт. На более

длинных волнах аналогичный фазовращатель может

быть сконструирован в коаксиальной линии (рис. 8-53,в).

Здесь для получения областей с вращающейся поляри-

зацией магнитного поля центральный провод коаксиаль-

ной линии свертывается в спираль, так чтобы длина вит-

ка спирали была равна нечетному числу четвертей алч-

ны волны [Л. 29]. В эти области помещен ферритовый

полый цилиндр. Переключение производится также с по-

мощью импульсов тока различного направления, пропу-

скаемого по продольному проводу. В остальном дейст-

вие такого фазовращателя аналогично действию волно-

водного устройства.

8-4. ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДИАГРАММОЙ

НАПРАВЛЕННОСТИ В РЕШЕТКАХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Линейные решетки излучателей с частотным управ-

лением ДН, так же как и решетки с фазовым управле-

нием, могут питаться по последовательной (рис.

8-54,а)

или по параллельной (рис.

8-54,6)

схемам. Применяют-

ся почти исключительно антенны с последовательным

питанием, так как они мало уступают антеннам с парал-

лельным питанием по вносимым потерям и имеют явное

преимущество в отношении простоты конструкции и луч-

шего согласования с питающей линией.

Положение главного максимума ДН антенны вне

зависимости от схемы питания определяется формулой

(8-20),

если применяется прямофазное возбуждение из-

лучателей, и формулой (8-27) в случае переменнофазно-

го их возбуждения. Оба выражения показывают, что

чем больше отношение l/d и чем сильнее дисперсия в пи-

тающей линии, тем сильнее будет отклоняться главный

максимум ДН при изменении частоты питающего гене-

ратора. Скорость изменения положения главного макси-

мума в пространстве при изменении частоты (длины

волны) называют углочастотной чувствитель-

ностью антенны и выражают в градусах на про-

цент изменения частоты. Если в качестве питающей ли-

нии применяется обычный волновод, то углочастопщя

420