CC BY
71РАДИОТЕХНИКА, СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ, АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
УДК 621.372.8
12 2 А.Е. Иванов , А.Е. Львов , Г.И. Шишков
ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1, Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц»
Описаны принцип действия, конструкции и погрешности поляризационных аттенюаторов.
Ключевые слова: поляризационные аттенюаторы, резистивные пленки, ослабление, погрешности.
Введение
Поляризационные аттенюаторы относятся к классу плавнопеременных измерительных аттенюаторов, предназначенных для получения прямоотсчетного ослабления высокочастотных сигналов в волноводных трактах.
Измерительные поляризационные аттенюаторы отличаются высокими техническими характеристиками, основными из которых являются:
• основная погрешность по разностному ослаблению составляет от ±0,01 A до ±0,05A дБ в
зависимости от класса аттенюаторов, где A - значение ослабления аттенюатора в дБ;
• величина КСВН на входе (выходе) аттенюаторов составляет не более 1,1-1,4 в зависимости от класса аттенюатора (всего классов 5).
Отсчётные шкалы поляризационных аттенюаторов градуируются в абсолютных значениях ослабления. Погрешности градуировки оговариваются в технической документации на аттенюаторы. Установка величины ослабления поляризационных аттенюаторов разных конструкций может осуществляться в ручном либо автоматическом (программируемом) режимах.
Поляризационные аттенюаторы в основном используются в качестве самостоятельных приборов как образцовые меры ослабления. Допустимая мощность на входе аттенюаторов в режиме непрерывной генерации обычно не превышает 1 Вт.
Принцип действия поляризационных аттенюаторов
Принцип действия поляризационных аттенюаторов основан на поглощении в рези-стивных пленках аттенюаторов тангенциальных составляющих электрической компоненты линейно-поляризованных волн, которыми можно представить основную волну Н 1 круглого волновода.
Рассмотрим круглый волновод, состоящий из состыкованных вдоль продольной оси трех секций (рис. 1). В диаметральной плоскости каждой секции размещены тонкие резистивные плёнки прямоугольной формы.
Первоначально секции расположены таким образом, что находящиеся в них пленки размещены в одной плоскости. Средняя секция (ротор) может поворачиваться вокруг про-
© Иванов А.Е., Львов А.Е., Шишков Г.И., 2011.
дольной оси. Полагаем, что в рассматриваемом устройстве каждая из резистивных плёнок имеет бесконечно большую поглощающую способность и происходит полное затухание вектораE волны, поляризованной в плоскости плёнки. Кроме того, будем считать, что при прохождении электромагнитной волны отсутствуют отражения от торцевых краёв плёнок. Такое устройство назовём идеальным поляризационным аттенюатором.
Рис. 1. Структура идеального поляризационного аттенюатора
Размещение в диаметральной плоскости круглого полого волновода тонкой резистив-ной плёнки, расположенной перпендикулярно вектору Е, существенно не изменяет структуру поля волны Нх!.
Рассмотрим изменение величины нормальной составляющей напряжённости Е электрического поля волны Н1, проходящей через все три секции (рис. 2). Роль резистивных
плёнок в данном случае сводится к поглощению тангенциальных составляющих вектора Е .
Если все плёнки находятся в одной плоскости, то нормальные составляющие векторов
Е сохраняются при прохождении волной секций устройства.
Рис. 2. Составляющие вектора Е в секциях идеального поляризационного аттенюатора
При повороте средней секции из начального положения на угол 9 через неё пройдёт составляющая Ecos9 (в проекции на первичное вертикальное направление). При прохождении третьей секции на её выходе первичная составляющая поля E будет иметь величину Ecos29.
Волна на выходе рассматриваемого идеального поляризационного аттенюатора имеет ту же поляризацию, что и на входе в среднюю секцию, а её амплитуда пропорциональна квадрату
косинуса угла поворота средней секции, т.е. cos2 9. Это соотношение аналогично закону Малю-са при прохождении линейно-поляризованной световой волны через поляризатор.
Параметр cos2 9 представляет собой переменную величину ослабления аттенюатора, показывающую, что амплитуда волны, проходящей через аттенюатор, уменьшается в
cos2 9 раз.
Ослабление, вносимое поляризационным аттенюатором в волноведущий тракт и выражаемое в дБ, записывается в виде
A = 20lgcos2 9 + A0
или A = 40lgcos 9 + A0, (1)
где A0 - начальное ослабление.
Расчётная величина ослабления идеального поляризационного аттенюатора находится в пределах от нуля децибел при 9 = О0 до бесконечности при повороте средней секции на 900.
Выбор основных конструктивных узлов и величины удельного поверхностного сопротивления резистивных плёнок
На входе (выходе) поляризационных аттенюаторов находятся волноводы прямоугольного сечения, размеры поперечных сечений которых определены соответствующим стандартом.
В рабочем диапазоне частот в прямоугольных волноводах основной волной является волна Но. По структуре поля волна Н10 похожа на волну Ни круглого волновода. Это обстоятельство учитывается при создании волноводных переходов между прямоугольными и круглыми волноводами, в которых указанные волны являются основными.
Расчет перехода от прямоугольного волновода к круглому первоначально сводится к определению радиуса круглого волновода при заданной ширине а прямоугольного полого волновода и необходимой длины ^ плавного перехода для обеспечения минимального значения КСВН на входе (выходе) прямоугольного волновода.
Величину радиуса R круглого полого волновода находим из соотношения
AHl0 = At11 (2)
кр кр ' \ /
кр кр
где А^ = 2а, ^ = ^ .
Хц
Подставив в (2) численное значение Хц = 1,841, находим
Я=0,5865 а . (3)
В верхней части используемого диапазона частот, который задается сечением прямоугольного волновода, в круглом волноводе средней секции аттенюатора возможно возбуждение паразитной волны Н21, поэтому в центральной части этого волновода создаётся фильтр в виде предельного круглого волновода для волны Н21 [1].
При определении длины 1Х полого плавного перехода от прямоугольного волновода к
круглому исходим из того, что чем длиннее и, соответственно, плавнее переход, тем лучше согласование волноводов. Однако практика показала [2], что существуют определённые соотношения между рабочей длиной волны и длиной перехода. Так, для обеспечения величины КСВН< 1,1 в узкой полосе (порядка 20-25%) рабочего диапазона частот прямоугольного волновода достаточно соотношения 1Х «Л, .
Для обеспечения такого же согласования во всей рабочей полосе частот длина волно-водного перехода должна быть не менее двух-трёх максимальных длин волн для данного прямоугольного волновода [3],
А = (2 - 3)^тах. (4)
Технология изготовления волноводных плавных переходов СВЧ- и КВЧ-диапазонов была отработана в 50-60-х годах прошлого столетия. Один из способов состоит в том, что по результатам расчётов изготавливается необходимого профиля и длины оправка из алюминия, затем методом гальванического наращивания меди создаётся волновод. В дальнейшем оправка вытравляется.
Для аттенюаторов в верхней части КВЧ-диапазона, где размеры волноводов малы (порядка нескольких мм и менее) применяется электроискровой способ удаления металла из заготовки.
Важными элементами конструкции поляризационных аттенюаторов, обеспечивающих неразрывность всего волноводного тракта, недопустимость излучения электромагнитной энергии в местах стыковки волноводов, возможность свободного вращения ротора аттенюатора, являются дроссельные соединения.
Дроссельным соединениям волноводов посвящено немало теоретических исследований, созданы различные конструкции, проведены многочисленные испытания в различных условиях эксплуатации [3, 4].
Основным достоинством дроссельно-фланцевого соединения волноводов является надёжный, нечувствительный к небольшим перекосам, шероховатостям поверхностей и неплотности прилегания электрический контакт.
Одним из основных параметров, определяющих электродинамические характеристики поляризационных аттенюаторов (вносимое ослабление электромагнитного сигнала и качество согласования), является величина удельного поверхностного сопротивления рези-стивных плёнок, расположенных на одной из поверхностей плоских диэлектрических пластин (подложек) небольшой толщины с малыми значениями относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь.
Пластины с плёнками расположены симметрично широким стенкам прямоугольных волноводов крайних секций и в диаметральной плоскости средней секции аттенюатора. Материалы диэлектрических пластин должны выдерживать вибрационные и ударные нагрузки, указанные в технических условиях для данного поляризационного аттенюатора.
В низкочастотной области СВЧ-диапазона волн (на частотах порядка 2-5 ГГц), в качестве материала подложек можно использовать диэлектрик гетинакс ( 8« 5 — 6, = 5 -10-2 ). На более высоких частотах в качестве подложек применяются различные стёкла ( 8 « 5 —16, = 1 • 10—3), на крайне высоких частотах в основном применяется слюда (8 = 7, 1 • 10—4).
Толщина применяемых подложек должна быть минимальной, например, в поляризационных аттенюаторах в диапазоне частот порядка 50-100 ГГц используются пластины слюды толщиной около 0,04 мм.
Выбор величины удельного поверхностного сопротивления резистивных плёнок для поляризационных аттенюаторов представляет собой сложную теоретическую задачу. Ориентировочно величину можно вычислить по формуле [5]:
240
а = 8,68- 240 — , (5)
RRn
(
1 - 0,086
У
где а - коэффициент затухания электромагнитной волны в круглом волноводе средней секции поляризационного аттенюатора, повёрнутой на угол 9 =900; К - радиус круглого волновода; Хкр - критическая длина волны круглого волновода, X - рабочая длина электромагнитной волны. При ориентировочных расчетах в качестве X можно брать среднюю арифметиче-
2
Неизвестное значение погонного ослабления а, измеряемое в дБ/ед. длины, определяется из отношения
скую длину Хср = max^—волн стандартного прямоугольного волновода.
а = A , (6)
l2
где А - величина заданного максимального ослабления проектируемого поляризационного аттенюатора; /2 - длина резистивной пленки средней секции аттенюатора, практически равная длине этой секции (ротора).
При выборе величины /2 исходим из того, что резистивная пленка средней секции
должна обеспечить полное поглощение тангенциальной компоненты вектора E проходящей электромагнитной волны, что возможно лишь при большой длине пленки. Практически величину /2 берут равной l2 « 3Xmax, увеличив её на 10-20%. В этом случае длина /2 резистивной пленки с учетом некоторого «запаса» по длине составит l2 « 1,2^ или l2 « 3,6Xmax.
Окончательно формула для ориентировочного расчета удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки средней секции принимает вид
^ __12787Хmax__^
1 - 0,086
аЛ^
где а - размер широкой стенки прямоугольного волновода на входе (выходе) аттенюатора.
Во всех трех секциях поляризационного аттенюатора используются пластины с одинаковыми по сопротивлению резистивными пленками.
Следует отметить, что для поляризационного аттенюатора с входным (выходным) сечением 40 х 20 мм для обеспечения максимального ослабления 50дБ потребуется резистивная пленка с удельным поверхностным сопротивлением порядка 400 Ом/а
На практике при конструировании поляризационных аттенюаторов, взяв за основу расчетные данные, приходится экспериментально подбирать величину сопротивления плёнки для обеспечения заданного максимального ослабления и наилучшего согласования. В поляризационных аттенюаторах, выпускавшихся серийно отечественной промышленностью, величина Кп поглощающих пленок находится в пределах (100-500)0м/^ [6] .
Для получения тонких резистивных пленок методом тонкоплёночных технологий используются резистивные материалы: тантал, нихром, хром, сплавы МЛТ, РС 5406 и др. В случае использования гетинакса в качестве подложек на пластину наносился слой проводящей углеродистой массы методом толстопленочной технологии.
Для улучшения согласования поляризационных аттенюаторов на концах резистивных пленок со входа (выхода) аттенюаторов, а также со стороны стыковок секций делаются скосы в виде клиньев, «ласточкиных хвостов» и т.п., которые обеспечивают плавное изменение
волновых сопротивлений на переходных участках волноводов. Наличие скосов приводит к некоторому удлинению поглощающих пластин, что необходимо учитывать при экспериментальных отработках разрабатываемых аттенюаторов.
На рис. 3 показан общий вид поляризационного аттенюатора Д3-19 с приданными ему коаксиально-волноводными переходами. Сечение прямоугольных волноводов составляет 40 х 20 мм, диапазон частот аттенюатора 4,8-6,85 ГГц. Аттенюатор выпускался промышленностью мелкими сериями.
Рис. 3. Фото общего вида поляризационного аттенюатора типа Д3 - 19
Корпус аттенюатора имеет каркасную конструкцию, с двух сторон которого закреплены волноводные переходы (статоры). Ротор посредством двух подшипников жёстко связан с корпусом аттенюатора и с помощью дроссельно- фланцевых соединений составляет со статорами единую волноведущую систему. Вращение ротора осуществляется ручкой управления, размещённой вне кожуха аттенюатора и находящейся на валу механизма вращения. В механизме вращения применена высокоточная червячная передача, снабжённая люфтовыби-рающим устройством. С этим механизмом связана многооборотная спиралеобразная шкала отсчёта, отградуированная в децибелах.
Рис. 4. Фото внешнего вида поляризационного аттенюатора КВЧ диапазона
Аналогичную конструкцию имели большинство выпускавшихся отечественной промышленностью поляризационных аттенюаторов СВЧ диапазона.
В верхней части СВЧ- и в КВЧ-диапазонах применяются компактные конструкции поляризационных аттенюаторов, в которых функции вращения ротора и отсчёта ослабления совмещены. На рис. 4 показана такая конструкция.
Погрешности поляризационных аттенюаторов.
Технические характеристики
Теоретический закон зависимости ослабления поляризационного аттенюатора от угла поворота его средней секции (1) предполагает, что поглощающие пластины являются идеально плоскими и полностью поглощают тангенциальную составляющую вектора Е электромагнитной волны. При распространении в круглом волноводе волны Ни не возникает волн высших типов, точно известен угол между подвижной и неподвижными пластинами, отсутствуют распространение энергии по паразитным каналам, отражения волн в тракте, ошибки наблюдателя и т.д. [7].
Перечисленные требования выполняются с некоторым приближением, что приводит к возникновению погрешностей в оценке величины ослабления аттенюатора.
В [1] рассмотрены возможные величины ряда погрешностей.
Общая погрешность поляризационного аттенюатора по разностному ослаблению составляет
ЛЛ = Д4 + ЛЛ2 +7(ЛА3 )2 + (ЛЛ4 )2 + (ЛЛ5 )2, (8)
где величины погрешностей определяются следующим образом: ЛЛ1 - эффектом неполного поглощения в резистивных пленках тангенциальной составляющей вектора Е; ДЛ2 - неидеальной плоскостью поглощающих пластин; ЛЛ3 - отражениями внутри аттенюатора; ДЛ4 -наличием небольших люфтов отсчетного механизма; ЛЛ5 - ошибками наблюдателя при отсчете величины ослабления.
При работе аттенюатора во внешнем тракте необходимо учитывать дополнительную погрешность из-за рассогласования. Эта погрешность рассчитывается по формуле[8]:
ЛЛр =±8,7|Гч| • |Гс|-(К'2 - К2 )+| Гч| • |г;- Г,\ + |Гс| • |Г2- Г2|| (9)
где |ГЧ|, |Г| - значения модулей коэффициентов отражения элементов, стоящих на входе |ГЧ| и выходе |Ге| исследуемого аттенюатора соответственно;
|Г;| , и К' — значения модулей коэффициентов отражения входа и выхода и коэффициента передачи аттенюатора при первом отсчёте;
[.Г^ , |/\| и К — значения модулей коэффициентов отражения и коэффициента передачи аттенюатора при втором отсчёте.
К - модуль коэффициента передачи аттенюатора, который связан с значением ослабления А в дБ соотношением
- Л/
К = 10 Л20 . (10)
Основными составляющими погрешности поляризационных аттенюаторов являются [1]: в начальном участке шкалы (0-15) дБ погрешность за счёт некоторого рассогласования аттенюатора со стороны входа и выхода, на участке (15-50) дБ за счёт механизма червячной передачи, при больших ослаблениях (более 50 дБ) - погрешностей механизма вращения,
установки шкалы отсчёта в диапазоне частот, неполного ослабления тангенциальной составляющей сигнала.
Экспериментально показано, что перечисленные погрешности могут быть существенно снижены, в результате чего погрешность поляризационного аттенюатора может составить величину порядка АЛ < (0,003 + 0,002Л) дБ для ослаблений до 60 дБ и не более 0,3 дБ на участке (80-90) дБ.
В табл.1 приведены технические характеристики поляризационного аттенюатора типа
Д3-19.
Таблица 1
Диапазон частот, ГГц Начальное ослабление, дБ Пределы измерения ослабления, дБ Погрешность, дБ КСВН Сечение волновода, мм
4,8-6,85 0,5 0-50 ±(0,01 + 0,004Л) 1,15 40 х 20
Допустимая входная мощность аттенюатора 1 Вт, габаритные размеры 584 х 260 х195 мм.
Для расширения измерительных возможностей поляризационных аттенюаторов к ним могут придаваться коаксиально-волноводные переходы, обладающие малыми потерями порядка (0,1-0,3) дБ и небольшим КСВН (не более 1,1-1,3).
На рис.3 показаны переходы от волноводов прямоугольного сечения 40 х 20 мм к коаксиальному тракту сечением 7,0 / 3,04 мм. Потери переходов в диапазоне частот этого волновода не превышают 0,1 дБ. Величина КСВН аттенюатора Д3 -19 с присоединёнными переходами составляет не более 1,35.
В СССР была разработана и запущена в серийное производство широкая гамма измерительных поляризационных аттенюаторов в диапазоне частот от 2 ГГц (сечения волноводов 90,0 х 45,0 мм, 72,0 х 34,0 мм и т.д.) до нижней части КВЧ-диапазона.
Аттенюаторы типа Д3 -32А - Д3-36А, предназначенные для работы в диапазоне частот от 6,85 до 37,5 ГГц (сечения волноводов 28,5 х12,6 мм, 23,0 х10,0 мм, 17,0 х 8,0 мм, 11,0 х 5,5 мм, 7,2 х 3,4 мм), имеют максимальное ослабление 95 дБ, величину КСВН не более 1,15-1,2 [9].
В табл. 2 приведены технические характеристики поляризационных аттенюаторов КВЧ диапазона [10].
Таблица 2
Тип аттенюатора Диапазон частот, ГГц Начальное ослабление, дБ Пределы измерения ослабления, дБ Погрешность, дБ Сечение волновода, мм
Д3 - 37 37,5-53,57 1,0 0 - 70 ±2% до 50 дБ, ±[0,9+0,05(A-50)] при А >50 дБ 5,2 < 2,6
Д3-38 53,57-78,33 1,0 0 - 70 ±2% до 50 дБ, ±[0,9+0,05(A-50)] при А >50 дБ 3,6 < 1,8
Величина КСВН аттенюаторов не более 1,15, допустимая входная мощность 0,1 Вт, габаритные размеры 149 х100 х 78 мм.
Поляризационные аттенюаторы нашли широкое применение в науке и технике как измерительные приборы, а часть из них была использована в качестве образцовой аппаратуры при определении ослаблений различных радиотехнических устройств и, особенно, при измерении потерь малых величин в волноведущих системах.
При обеспечении полного поглощения электромагнитной энергии тангенциальных компонент поля E волн Ни и Н10 в рабочем диапазоне частот, а также при хорошем согласовании со стороны входа (выхода) и на стыках секций поляризационных аттенюаторов возможно получение параметров, которые позволяют использовать такие аттенюаторы в качестве эталонов ослабления [1].
Библиографический список
1. Томашевский, А.К. К вопросу использования поляризационного аттенюатора в качестве эталона ослабления // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РИТ. 1966. ып.1. С. 35-42.
2. Линии передачи сантиметровых волн: [пер. с англ.] / под ред. Г.А. Ремеза. - М.: Сов. радио, 1951. Т. 1. - 416 с.
3. Чернушенко, А.М. Конструирование экранов и СВЧ устройств: учебник для вузов / А.М. Чернушенко [и др.]. - М.: Радио и связь, 1990. - 352 с.
4. Иванов, А.Е. Расчёт дроссельных соединений вращающихся механизмов СВЧ-устройств / А.Е. Иванов, Г.И. Шишков, С.В. Чикурина // Методы и средства измерений физических величин: тез. докладов и сообщений XVIII ВНТК. - Н. Новгород, 2007. С. 25.
5. Семёнов, Н.А. Техническая электродинамика / Н.А. Семёнов. - М.: Связь, 1973. - 321 с.
6. Бушминский, И.П. Изготовление элементов конструкций СВЧ / И.П. Бушминский. - М.: Высшая школа, 1974. - 304 с.
7. Томашевский, А.К. Погрешности поляризационного аттенюатора, возникающие за счёт отражений // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РИТ. 1965. Вып.1. С. 48-52.
8. ГОСТ 19158-73 Аттенюаторы. Технические требования. - М.: Государственный комитет стандартов СМ СССР. - 1973.
9. Шапиро,Х.А. Поляризационные аттенюаторы с оптической системой индикации / Х.А. Шапиро, В.С. Удовенчик // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РИТ. 1971. Вып. 5. С. 40-46.
10. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ГВ 2.243.147.ТО. - 1986.
Дата поступления в редакцию 11.10.2011
A.E. Ivanov, A.E. Lvov, G.I. Shishkov POLARIZATION ATTENUATORS
The principle of operation, the design and errors of polarization attenuators are described. Key words: polarization attenuators, resistive films, attenuation, errors.
