Научная статья на тему 'Поляризационные аттенюаторы'

Поляризационные аттенюаторы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
588
68
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ АТТЕНЮАТОРЫ / РЕЗИСТИВНЫЕ ПЛЕНКИ / ОСЛАБЛЕНИЕ / ПОГРЕШНОСТИ / POLARIZATION ATTENUATORS / RESISTIVE FILMS / ATTENUATION / ERRORS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Иванов А. Е., Львов А. Е., Шишков Г. И.

Описаны принцип действия, конструкции и погрешности поляризационных аттенюаторов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Иванов А. Е., Львов А. Е., Шишков Г. И.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

POLARIZATION ATTENUATORS

The principle of operation, the design and errors of polarization attenuators are described.

Текст научной работы на тему «Поляризационные аттенюаторы»

РАДИОТЕХНИКА, 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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.