Волноводно-щелевые линии передачи

1.5. Волноводно-щелевые линии (ВЩЛ) передачи были предложены впервые в начале 80-х годов прошлого века как новые линии передачи для создания конкретных устройств миллиметрового диапазона. Уже к началу 90-х годов было разработано большое число разнообразных активных и пассивных устройств с использованием ВЩЛ с хорошими результатами. Создание ВЩЛ явилось результатом эффективного решения проблемы локализации энергии электромагнитного поля в ограниченном объеме вдоль осевой линии распространения волн для волноведущих структур КВЧ. ВЩЛ в настоящее время все более широко применяются в КВЧ-диапазоне.

ВЩЛ используются в таких устройствах: электрически управляемые аттенюаторы, модуляторы, детекторы, смесители, переключатели каналов, фильтры нижних частот с переключением частоты среза и др.устройствах.

Волновое сопротивление основной волны ВЩЛ можно определить в виде

где λ₀ – длина волн в свободном пространстве,

 ΔC₁, ΔC₂ – избыточные емкости волновода при введении ребер в волновод с воздушным заполнением и при учете диэлектрической вставки с диэлектрической проницаемостью ε соответственно.

Длина волны (с погрешностью не более 2-3 %) определяется как

Наиболее распространенными являются симметричная и несимметричная ВЩЛ (рис. 1.7,а–е), обладающие наибольшей конструктивной простотой и удобством встраивания активных элементов. Несимметричная ВЩЛ позволяет реализовать при малых зазорах величину волнового сопротивления ниже 100 Ом, выигрывая в этом отношении у симметричной ВЩЛ, для которой предел реализуемости волнового сопротивления составляет 100 –110 Ом (см. рис. 1.8).

Для увеличения эффективности работы ряда устройств, таких как гармониковые смесители и преобразователи, необходимо снижение волнового сопротивления ВЩЛ до 30 – 50 Ом. Такие величины волнового сопротивления могут обеспечить модернизированные симметричные и несимметричные ВЩЛ (рис. 1.7,в, г). Для симметричной ВЩЛ на обратной стороне подложки в области щели наносится незаземленный проводник, а для несимметричной ВЩЛ – нанесенный также на обратную сторону подложки. Для структуры, изображенной на рис. 1.7,г, для малых зазоров щели можно понизить импеданс ВЩЛ до 40 –60 Ом. Антиподная ВЩЛ (рис. 1.7,д) позволяет обеспечить изменения волнового сопротивления с большой динамикой до 20 – 50 Ом. Для снижения волнового сопротивления до единиц Ом используется ВЩЛ, изображенная на рис. 1.7е.

Многополюсники СВЧ

Для расчета СВЧ-многополюсников используют электрические цепи СВЧ. Под электрическими цепями СВЧ будем понимать радиотехнические цепи, которые по своим электрическим свойствам в достаточной мере адекватны соответствующим СВЧ-устройствам. Использование радиотехнических цепей для описания свойств СВЧ-устройств в достаточной степени справедливо лишь для устройств с Т-волнами. Однако, если в практических исследованиях и расчетах можно ограничиться рассмотрением только внешних характеристик, то теория цепей, особенно теория цепей с распределенными параметрами, эффективно применяется и для устройств с Е- и Н-волнами. При этом не будет полного внутреннего сходства, в связи с чем не может быть оправдано простое механическое перемещение законов для обычных цепей с распределенными параметрами на устройства СВЧ.

2.1. Матричное описание СВЧ-устройств

Любое СВЧ-устройство можно представить в виде «черного ящика», подразумевая под ним какой-то многополюсникс неизвестным содержанием. Для расчетов СВЧ-многополюсников в основном используют волноводные матрицы рассеяния и передачи, связывающие приведенные напряжения падающих и отраженных волн на входах и выходах (плечах) многополюсника.

Под приведенным напряжением U′ следует понимать истинное значение U, деленное на  линии, к которой это напряжение относится. Если учесть, что  то  т. е. приведенное напряжение характеризует энергетические соотношения сигналов в плечах.

Рассмотрим многополюсник, схематически изображенный на рис. 2.1.

Разнообразные типы СВЧ устройств можно описать с помощью падающих и отражённых волн, распространяющихся в подключенным к ним линиям передачи.

Связь между приведенными напряжениями падающих и отраженных волн можно представить в следующем виде:

                                                       (2.1)                                     

Используя элементы волновой матрицы рассеяния (S - параметры), эти зависимости в матричной форме приобретают вид

 где                                (2.2)      и является матрицей рассеяния многополюсника. Элементы этой матрицы S_ik – параметры рассеяния или S-параметры СВЧ устройства. Свойства линейного СВЧ-устройства – 2n-полюсника (n – число входов многополюсника) можно описать с помощью квадратной [S] матрицы n-го порядка. При известной матрицы рассеяния и заданных параметрах внешних источников сигнала и нагрузок, подключенных к различным входам многополюсника, можно с помощью (2.2) найти амплитуды падающих и отраженных волн на входах и выходах (плечах) многополюсника.

Физический смысл элементов матрицы рассеяния может быть пояснен следующим примером. К одному из плеч многополюсника, изображенного на рис. 2.1, (например к i-му) подсоединим генератор, согласованный с линией передачи этого плеча; нагрузим все остальные плечи на нагрузки, согласованные с линиями передачи этих плеч, что обеспечит отсутствие падающих волн (U^!_пад = 0) в этих плечах. Определим приведенное напряжение падающей волны от генератора U^!_{i пад}  и приведенные напряжения отраженных волн U^!_отр на каждой из нагрузок (например, в k - плече) и обращаясь к системе уравнений (2.1), вычислим

                                                    (2.3) – коэффициент отражения i-го плеча.

                                                                                        ^(2.4)

– коэффициент передачи из i-го в k-е плечо.

Следовательно, элементы матрицы S_ii, …, S_nn представляют собой коэффициенты отражения в обычном определении этого термина (Г_i) и при   i ≠ k S_ki являются коэффициентами передачи по приведенным напряжениям, которые совпадают со значениями коэффициентов передачи по истинным напряжениям К_ki  в случае равенства волновых сопротивлений соответствующих плеч (Z_k = Z_i). В обозначении S_ki первый индекс определяет номер входа, к которому подключена согласованная нагрузка, а второй – номер входа, к которому подключен генератор.

К рассмотренным вопросам по матрицам рассеяния необходимо сделать следующие замечания. Элементы матрицы рассеяния не зависят от того, какие в дальнейшем внешние нагрузки и источники сигналов будут подключаться к плечам. Поэтому, если S-матрица устройства известна, то можно считать, что оно полностью описано. Со сменой типа волны (структуры поля) меняются значения элементов матрицы, т. е. меняется матрица.

Если линии передачи соответствующих плеч не обладают потерями, то при изменении плоскости отсчета элементы матрицы меняются по фазе, оставаясь неизменными по модулю.

Во взаимных устройствах с линейными изотропными средами матрица рассеяния симметрична: S_ki = S_ik..