Бортовые антенные устройства

Для количественной характеристики ослабления сигнала, вызванного введением аттенюатора в СВЧ тракт, используются следующие параметры: собственное ослабление аттенюатора, (А_с), полное ослабление аттенюатора (А_п) и вносимое ослабление аттенюатора (А_вн).

Основным параметром является собственное ослабление аттенюатора, А_с которое характеризует уменьшение мощности, вызванное только поглощением (рассеиванием, тепловыми потерями) в аттенюаторе. Собственное ослабление определяется как

(5.1)

где Р_1пад, Р_1отр, Р_2пад -- мощности падающей и отраженной волн на входе аттенюатора и мощность падающей волны на выходе аттенюатора при условии, что на выходе нет отраженной волны.

Полное ослабление аттенюатора А_п характеризует уменьшение мощности, вызванное и поглощением в аттенюаторе, и отражением от его входа. При условии, что на выходе аттенюатора нет отраженной волны, оно определяется как

(5.2)

Если известен К_с.в входа аттенюатора, то связь между полным и собственным ослаблениями аттенюатора определяется следующим выражением

(5.3)

Очевидно, что если аттенюатор идеально согласован, то его полное ослабление равно собственному ослаблению. Параметры А_с и А_п являются характеристиками собственно аттенюатора и не зависят от свойств тракта, в который включается аттенюатор.

Вносимое ослабление аттенюатора А_вн характеризует уменьшение мощности, вызванное поглощением в аттенюаторе, отражением от входа аттенюатора и влиянием аттенюатора на режим работы неразвязанного и несогласованного с трактом генератора СВЧ. Вносимое ослабление аттенюатора определяется как

(5.4)

где Р'_2пад -- мощность падающей волны на выходе тракта при отсутствии аттенюатора; Р_2пад -- мощность падающей волны на выходе тракта при наличии аттенюатора.

В отличие от собственного и полного ослаблений, вносимое ослабление аттенюатора зависит от степени согласования элементов СВЧ тракта и изменяется при включении аттенюатора в различные тракты.

Можно дать несколько иные определения параметров А_с, А_п и А_вн, более точно оговаривающие условия, при которых эти параметры могут быть измерены:

собственное ослабление аттенюатора характеризует уменьшение мощности, передаваемой от согласованного и развязанного генератора в согласованную нагрузку, при включении в тракт согласованного аттенюатора;

полное ослабление аттенюатора характеризует уменьшение мощности, передаваемой от согласованного и развязанного генератора в согласованную нагрузку, при включении в тракт несогласованного аттенюатора;

вносимое ослабление аттенюатора характеризует уменьшение мощности, передаваемой от несогласованного и неразвязанного генератора в любую нагрузку, при включении в тракт аттенюатора.

Важными электрическими, конструктивными и эксплуатационными параметрами аттенюаторов являются также: номинальное значение ослабления и погрешность по ослаблению (для фиксированных аттенюаторов), начальное ослабление, диапазон изменения ослабления и погрешность по разностному ослаблению (для переменных аттенюаторов), диапазон частот, вид входного и выходного тракта, допустимая средняя мощность на входе и среднее время безотказной работы. Дадим определение некоторых из них. Номинальным значением ослабления фиксированного аттенюатора называется собственное ослабление, обозначенное на его корпусе. Погрешностью по ослаблению фиксированного аттенюатора называется разность между истинным и номинальным значениями собственного ослабления аттенюатора. Эта погрешность определяется либо непосредственно в децибелах, либо в долях от номинального значения ослабления. Начальным ослаблением переменного аттенюатора (А₀) называется собственное ослабление аттенюатора при нулевом положении регулирующего органа. Разностным ослаблением переменного аттенюатора называется разность собственных ослаблений, соответствующая двум различным положениям регулирующего органа; чаще всего за начальное положение принимается такое, при котором ослабление минимально. Погрешность по разностному ослаблению определяется либо непосредственно в децибелах, либо в долях разностного ослабления, либо в виде суммы постоянного и переменного слагаемых. Рабочим диапазоном частот аттенюатора называется диапазон частот, в пределах которого все прочие параметры аттенюатора не выходят за допустимые пределы, указанные в технических условиях на него.

5.2 Классификация аттенюаторов

Как и любые другие радиотехнические устройства, аттенюаторы могут быть классифицированы по различным признакам. По способу внесения ослабления они подразделяются на:

-- фиксированные, ослабление которых имеет заданное значение в рабочем диапазоне частот;

-- ступенчатые, ослабление которых изменяется ступенями (дискретно) на заданное значение;

-- плавные (переменные), ослабление которых изменяется плавно (непрерывно) в заданных пределах,

По внешним присоединительным элементам входного (выходного) тракта СВЧ аттенюаторы подразделяются на волноводные и коаксиальные.

Наконец, аттенюаторы классифицируются по принципу действия. Из многочисленных физических принципов, которые могут быть положены в основу конструирования СВЧ аттенюаторов, используются те, которые позволяют получить аттенюатор с точно известным значением ослабления или с точно известным законом изменения ослабления в функции положения регулирующего органа. Основными типами аттенюаторов являются:

-- предельные, в которых уменьшение мощности происходит вследствие ослабления ее при передаче по запредельному волноводу и полном поглощении мощности, отраженной от элемента связи, размещенного в этом волноводе;

-- поляризационные, в которых уменьшение мощности, переносимой волной Н₁₁ в круглом волноводе, происходит вследствие полного поглощения части мощности, связанной с составляющей вектора напряженности электрического поля, параллельной поглощающей пластине, размещенной вдоль оси симметрии волновода;

-- аттенюаторы на делителях мощности, в которых уменьшение мощности происходит вследствие полного поглощения ее части, отделенной от основного потока с помощью делителя мощности, представляющего собой пассивный многополюсник;

-- полупроводниковые электрически управляемые аттенюаторы, в которых уменьшение мощности происходит в результате рассеивания (поглощения) ее части в активном сопротивлении полупроводникового СВЧ диода.

5.3- Волноводные аттенюаторы с переменным ослаблением

В зависимости от расположения поглощающей пластины в прямоугольном волноводе изменяется ослабление волны типа Н₁₀, получающееся в результате введения этой пластины в волновод. Если пластина помещена в центре волновода, где электрическое поле имеет наибольшую интенсивность, потери достигают максимума. Если пластину расположить вблизи боковой стенки, где электрическое поле ничтожно мало, то величина ослабления приближается к нулю. Это свойство и положено в основу устройства аттенюаторов с переменным ослаблением. При их разработке в первую очередь конструируется механическое устройство, позволяющее производить соответствующие передвижения поглощающих пластин в волноводе.

Существуют следующие основные виды аттенюаторов[3]:

- с переменным ослаблением: с одной металлизированной пластиной, движущейся параллельно узкой стороне волновода;

- с несколькими такими пластинами и аттенюатор ножевого типа с одной или несколькими пластинами.

5.3.1 Аттенюаторы с одной пластиной

В аттенюаторах этого типа (рисунок 5.1) пластина из диэлектрического материала с металлизированным покрытием перемещается в поперечной плоскости волновода при помощи двух точно установленных опорных стержней[4]. Эти стержни вставляются в отверстия поглощающей пластины и прикрепляются к этой пластине при помощи цемента или какого-либо клея. Ведущий стержень тщательно устанавливается относительно опорных стержней поглощающей пластины и перемещается при помощи кулачкового механизма с пружиной или при помощи многониточной червячной передачи, которая является конструктивно очень простой и дает возможность производить точную установку пластины. Рабочий диапазон поглощения для этого аттенюатора 0--40 дб.

5.3.2 Согласование поглощающих пластин в волноводных аттенюаторах

При применении волноводных аттенюаторов для обеспечения требуемого согласования необходимо, чтобы полное входное сопротивление аттенюатора было близко к волновому сопротивлению используемого волновода.

Для получения хорошего соответствия между этими сопротивлениями при конструировании волноводных аттенюаторов предусматривают переходную или согласующую секцию, которая предшествует той части поглощающей пластины, которая вызывает основное ослабление.

Переходная секция может отсутствовать только в случае очень большой величины сопротивления металлического слоя.

К наиболее распространенным типам согласующих устройств относятся клинообразные участки поглощающих пластин.

Длина клинообразной части, требуемая для наилучшего согласования, определяется при данной длине волны сопротивлением пленки, диэлектрической постоянной материала из которого сделана пластина и толщиной пластины. При относительно высокой диэлектрической постоянной материала пластины клинообразные части могут быть более короткими, чем при малой диэлектрической постоянной.

Следует отметить, что для получения хорошего согласования необходимо очень тщательное изготовление поглощающих пластин, в первую очередь с точки зрения равномерности нанесения металлического покрытия.

5.3.3 Сравнение методов нанесения тонких плёнок

Изготовление тонких пленок методами испарения или катодного распыления получило в настоящее время широкое распространение. Каждый из этих способов имеет преимущества и недостатки, и в зависимости от наносимого материала, технологических возможностей, а также необходимых свойств получаемых элементов может быть рекомендован один из этих методов.

Приведем отличительные особенности методов испарения, и катодного распыления, применяемых для изготовления тонких пленок.

1. При получении тонких пленок путем испарения применяется более простое оборудование, чем при катодном распылении. При испарении не требуется применять высокое напряжение, устройство для дозирования инертного газа с определенным давлением и т. п.

2. При испарении тонкие пленки образуются значительно быстрее, чем при катодном распылении. Если при испарении пленка осаждается в среднем за 5 -- 30 сек, то при катодном распылении время осаждения подобной пленки от 5 -- 20 мин до 40 -- 60 мин.

3. Однородные покрытия сложной формы, а также покрытия с толщиной, изменяющейся по определенному закону, легче могут быть получены путем испарения, чем катодного распыления.

4. При получении пленок методом испарения легче регулировать толщину покрытия и обеспечить хорошую воспроизводимость свойств пленок, а также непрерывный контроль за процессом их отложения.

5. При испарении, как правило, получаются более чистые пленки, так как этот процесс проводится в высоком вакууме, от 10^-5 до 10^-10 мм рт. ст., в то время как катодное распыление принципиально должно проводиться в атмосфере газа при давлении 10²--10^-1 мм рт. ст., когда скорость адсорбции остаточных газов может оказаться не только равной скорости адсорбции осаждаемого вещества, но и значительно больше ее.

С помощью катодного распыления трудно получить металлические пленки, свободные от оксидных загрязнений, если не принять тщательных мер по устранению следов кислорода в атмосфере, в которой проводится распыление.

6. Пленки, полученные методом катодного распыления, большей частью имеют лучшее сцепление с поверхностью подложки, чем термически испаренные пленки. Особенно это ощутимо при нанесении пленок благородных металлов (золота, платины и др.).

7. Материалы, имеющие высокую температуру плавления (тантал, платина, палладий, осмий и т. д.) легче нанести с помощью катодного распыления, так как высокотемпературные испарители обычно сложны в использовании. Катодному же распылению могут быть подвергнуты любые твердые вещества в широком диапазоне температур.

8. Получение оксидных пленок редких металлов путем испарения связано со значительными трудностями. При катодном же распылении в атмосфере кислорода нужные пленки удается получить относительно легко.

9. При катодном распылении тратится меньшее количество материала, чем при испарении, так как распыляемый катод используется многократно.

5.3.4 Выбор материалов для изготовления поглощающей пластины волноводного аттенюатора с переменным ослаблением

Толщина поглощающих пленок, предназначенных для работы в диапазоне СВЧ, должна быть гораздо меньше глубины проникновения электромагнитного поля в них и не должна превышать нескольких десятых долей микрона. Поэтому для обеспечения требуемой жесткости поглощающие пластины имеют диэлектрическую подложку. Поглощающая пленка наносится на подложку методом испарения в вакууме или катодного распыления. Пленки изготавливаются из тантала, хрома, благородных металлов, а также различных сплавов, а подложки - из слюды, стекла, керамики и других диэлектрических материалов, обладающих высокой механической прочностью и имеющих относительно низкую диэлектрическую проницаемость (е=2…3). Диэлектрические подложки желательно делать как можно тоньше, чтобы они не вносили заметных искажений в структуру электромагнитного поля взаимодействующей с ними волны, но в то же время их толщина должна быть достаточной для обеспечения жесткости поглощающей пластины. В нашем случае пленка изготавливается из хрома и наносится на подложку путем испарения, а подложка выполняется из керамики (Al₂O₃). Хром обладает следующими параметрами: сопротивление квадрата поглощающей пленки R_?=200 Ом, плотность мощности Р₀=2 Вт/см².

Выводы

Экспериментальным путем было определено, что для того, чтобы обеспечить нужное ослабление (30-40 дБ), длина пластины должна быть равной l₀=11.5 см, а ее толщина составлять порядка 2 мм, tg д = 10^-4. Для согласования пластины делаем на ее концах скосы длиной 1.5 см.

При изменении положения пластины ослабление будет изменятся по закону cos².

Для того, чтобы пластину перемещать внутри волновода, ее закрепляют на двух штифтах диаметром до 3 мм, расстояние между которыми должно составлять половину длинны волны в волноводе.

Размещено на Allbest.ru