ГЛАВА 4
ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
- ЭЛЕМЕНТЫ И УЗЛЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАКТА
В устройствах обнаружения препятствий, допплеровских измерителях скорости, точечных радиотехнических датчиках (ТРД) в высокочастотных трактах передачи и приема используется техника СВЧ: генераторы СВЧ, линии передачи СВЧ сигналов, детекторные узлы, ответвители, циркуляторы и др. [20,24,31,32].
Рассмотрим основные принципы работы СВЧ элементов и узлов, используемых Для построения УОП, ТРД и скоростемеров.
Под элементами СВЧ понимают простейшие устройства, выполняющие одну функцию. Узел СВЧ состоит из двух или более элементов и представляет собой в общем случае п-полюсник.
Антенны.
В зависимости от диапазона рабочих частот в качестве передающих и приемных антенн могут применяться различные типы антенных устройств. В диапазоне СВЧ, который используется в радиотехнических устройствах железнодорожного транспорта, применяют, как правило, рупорные антенны, с помощью которых формируется коническая диаграмма направленности.
Рупорную антенну делают путем присоединения рупора к отверстию волновода. В результате того, что площадь раскрыва рупора больше площади сечения волновода, направленность рупорной антенны намного выше по сравнению с открытым концом волновода.
СВЧ колебания от генератора через волноводную секцию поступают к горловине рупора и распространяются в форме расходящейся волны. Часть СВЧ колебаний отражается от горловины рупора в сторону генератора из-за несогласованности стыка. Причем коэффициент отражения растет с увеличением угла раскрыва рупора. В связи с этим предпочтение следует отдать рупорным антеннам с плавным переходом волновода к рупору, что способствует лучшему согласованию.
Электромагнитная волна при достижении плоскости раскрыва рупора излучается в окружающее пространство, однако часть ее из-за несогласования отражается в сторону генератора. Расширение рупора в плоскости раскрыва способствует согласованию волновода с окружающим пространством.
Помимо волны основного типа, вблизи неоднородностей (горловина и плоскость раскрыва) возникают высшие типы волн. В связи с этим размеры рупорной антенны выбирают с таким расчетом, чтобы волны высшего типа быстро затухали и не искажали распределения поля в плоскости раскрыва антенны.
Коэффициент направленного действия антенны [2]
Таким образом, фаза поля в раскрыве рупора изменяется пропорционально квадрату координаты х.
Для увеличения коэффициента направленного действия антенны D, с одной стороны, необходимо увеличивать площадь SA, а с другой - необходимо уменьшать размеры ар и bр, что является противоречивым. Существуют оптимальные соотношения между размерами рупора с точки зрения получения максимального значения коэффициента D при заданном значении R.
Так, для секториального рупора длина R, длина I по поверхности и ширина раскрыва ар исходя из приведенных выше соображений связаны соотношениями:
Коэффициент направленного, действия оптимального секториального рупора, у которого 0,63,
Для пирамидального рупора 
Рупорные антенны имеют к. п. д. ηА, близкий к 100%, поскольку их потери в основном определяются внутренней поверхностью рупора.
Преимуществом пирамидальных рупоров является возможность сужения диаграммы их направленности в обеих плоскостях (Е и Н).
Значительно реже применяются конические рупоры, так как при незначительных деформациях их изменяется структура поля и поляризация волны.
Все рупорные антенны относятся к широкополосным. Увеличение длины рупорных антенн сверх оптимальной приводит к увеличению коэффициента использования плоскости раскрыва γ и направленного действия D. Однако это связано с увеличением габаритных размеров антенн.
Для улучшения направленных свойств рупорных излучателей в их конструкции используют фокусирующие линзы, которые позволяют преобразовать расходящийся пучок лучей в параллельный, т. е. они преобразовывают электромагнитную волну с неплоским фронтом в плоскую волну при излучении и наоборот при приеме.
Различают замедляющие линзы, имеющие вогнутую поверхность, обращенную к излучателю-рупору, и ускоряющие, имеющие выпуклую поверхность, обращенную к рупору.
Используются диэлектрические, металлодиэлектрические, металлопластинчатые линзы.
Диэлектрические линзы характеризуются широкополосностью и отличаются независимостью фокусирующих свойств от поляризации поля. Для уменьшения потерь применяют, как правило, полистирол.
Металлодиэлектрические линзы изготовляют из диэлектрика с вкраплениями металлических частиц в виде решетки. Размеры частиц в направлении вектора Е малы по сравнению с длиной волны λ. Для, механического крепления частиц применяют пенистый диэлектрик [3]. Металлодиэлектрические линзы имеют большой к. п. д. и меньшую массу по сравнению с диэлектрическими и более широкополосны, чем металлопластичные.
Волноводные секции. В технике СВЧ применяют различные типы линий передачи: волноводы прямоугольного, круглого, Н- и П-образного сечений, коаксиальные и полосковые волноводы, а также линии поверхностной волны.
В связи с тем что длина и сечение линий соизмеримы с длиной волны СВЧ сигналов, процессы, протекающие в линиях передачи, анализируют методами, основанными на уравнениях электромагнитного поля.
Волноводы прямоугольного сечения имеют размеры от 584 X 292 до 1,09 X 0,546 мм. Диапазон волн от 1 м до 0,12 см перекрывается 33 типами размеров волноводов. Дальнейшее уменьшение размеров волновода нецелесообразно, так как это приводит к резкому возрастанию коэффициента затухания и большому снижению электрической прочности.
В табл. 4.1 приведены данные некоторых типовых волноводов прямоугольного сечения, используемых для передачи СВЧ сигналов.
Для связи элементов между собой и компоновки узлов СВЧ тракта используются различные типы соединителей (сочленений): волноводные секции, трансформаторы, направленные ответвители, циркуляторы и др.
Основными требованиями, предъявляемыми к соединениям в СВЧ трактах, являются: надежность электрического контакта по внутреннему периметру в месте соединения; минимальная мощность сигнала, просачивающегося в окружающее пространство; достижение режима полного согласования соединяемых элементов; механическая прочность и герметичность мест соединения.
Наличие мест соединения при компоновке СВЧ узлов приводит к появлению в них неоднородностей. Каждое из таких соединений отражает падающую электромагнитную волну. В результате наложения отраженных и падающих волн в волно- водных секциях СВЧ трактов появляются стоячие волны.
Если обозначить одну из компонент падающей волны Ε+(z), а одну из компонент отраженной в точке z волны Е(z).
Таблица 4.1
В полностью согласованном СВЧ тракте отражений нет и поэтому КСВ = КБВ = 1 (в тракте имеет место только бегущая волна). Значение КСВ может изменяться в интервале от 1 до Как правило, элементы СВЧ тракта сочленяют с помощью фланцевых соединений.
Для получения надежного соединения необходимо, чтобы контактная поверхность волновода была перпендикулярна к его оси. Герметизируют соединение с помощью резиновой прокладки, которую помещают в паз, сделанный на фланце вокруг сечения волновода. При таком соединении, если боковое смещение соединяемых устройств не превышает 1 %, взаимный поворот меньше 2°, а внутренние размеры волноводов выдержаны с погрешностью 0,2 %, обеспечивается значение КСВ менее 1,002 в достаточно широкой полосе частот [20].
Для изменения направления передачи СВЧ энергии или плоскости поляризации волны в высокочастотных трактах используют изогнутые и скрученные волноводы.
Аттенюаторы.
Устройства, создающие в волноводах постоянное или переменное (регулируемое) затухание, называются аттенюаторами. Они используются для изменения уровня мощности в СВЧ тракте и развязки отдельных его устройств.
В основе принципа действия аттенюаторов, создающих постоянное затухание, лежит то свойство, что в закритической области работы волновода, т. е. вне полосы его пропускания (λ > λкр), электромагнитная волна испытывает большое затухание. Такие аттенюаторы называются запредельными или предельными. Изготовляют их в виде сменных волноводных вставок, поперечные размеры которых много меньше рабочей длины волны СВЧ колебаний. Мощность СВЧ, поступающая на вход такого волновода, затухает за счет отражения волн к генератору. В зависимости от размеров сечения такого предельного аттенюатора получают фиксированные значения затухания СВЧ мощности в трактах передачи.
Предельные аттенюаторы позволяют получить затухание 120 - 160 дБ с погрешностью ± (0,1—1) дБ.
Регулируемые аттенюаторы состоят из различного рода активно поглощающих вставок. Часто такие аттенюаторы называют поглощающими. Роль вставок могут выполнять диэлектрические пластины с большим уровнем потерь, перемещаемые в зону большей или меньшей интенсивности электрического поля, вследствие чего меняется затухание, создаваемое аттенюаторами. Поглощающую пластину размещают вдоль оси волновода параллельно линиям электрического поля. Ее вводят через узкую продольную щель стенки волновода. Такая щель, как известно, почти не излучает и представляет собой малую неоднородность, поскольку она не пересекает линий электрического поля, а направлена вдоль них.
В целях уменьшения отражений, возникающих от концов поглощающей пластины, ее концы должны иметь клиновидную форму. Изменяя глубину погружения пластины в волновод, изменяют значение СВЧ мощности, поглощаемой пластиной. Таким образом регулируется затухание СВЧ сигнала, определяемое как отношение мощности на входе аттенюатора к мощности на его выходе.
Затухание таких аттенюаторов может меняться от 0,1 до 50 дБ при разрешающей способности 0,05-0,1 дБ.
Поглощающую пластину аттенюатора изготовляют из различных материалов ферроэпоксида или диэлектрика (гетинакса, стеклотекстолита, керамики и т. п.), покрытого поглощающим слоем. В качестве последнего применяют графитовые покрытия или тонкую металлическую пленку из нихрома, получаемую путем напыления металла. Нихромовая пленка имеет высокостабильное электрическое сопротивление (вносимое затухание) в течение длительного времени при изменении температуры окружающей среды в широких пределах.
Помимо перечисленных широко используемых аттенюаторов, в технике СВЧ применяют аттенюаторы резонансного и поляризационного типов, а также те, работа которых основана па эффекте смещения поля.
Ферритовые (волноводные) циркуляторы.
В радиотехнических устройствах широко используются так называемые Υ циркуляторы, представляющие собой волноводный или коаксиальный тройник в зависимости от диапазона используемых частот (рис. 4.1, а). Внутри такого тройника расположен ферритовый вкладыш, находящийся в постоянном магнитном поле.
Рис. 4.1. Волноводный циркулятор: а — внешний вид; б — схема использования; в — конструкции
Основным свойством циркулятора является то, что сигнал, поступающий, например в плечо I (рис. 4.1, б), выходит из циркулятора через плечо II, сигнал, поступающий в плечо II, выходит через плечо III, а сигнал, поступающий в плечо III, выходит через плечо I. Такое свойство циркулятора позволяет использовать его в качестве устройства, совмещающего в общем волноводе прямоугольного сечения принимаемые и передаваемые сигналы, т. е. появляется возможность использовать в радиотехнических устройствах в ряде случаев одну совмещенную антенну как для передачи, так и для приема отраженных сигналов. Это позволяет существенно уменьшить габариты СВЧ тракта.
Циркулятор может быть использован и в качестве вентиля, т. е. устройства, поглощающего отраженные сигналы. В этом случае к одному из плеч, например III, подключают балластную нагрузку с поглотителем.
Волноводный Υ циркулятор (рис. 4.1, в) имеет ферритовый вкладыш 3 в форме трехгранной призмы. Он располагается в центре волноводного тройника 4. Ось ферритового вкладыша перпендикулярна плоскости широкой стенки волноводного тройника. Ферритовый вкладыш находится между металлическими или металлодиэлектрическими вставками 1. Двумя магнитами 2, расположенными по обе стороны ферритового вкладыша, создается постоянное магнитное поле.
Электромагнитная волна, поступающая, например, в плечо I, огибает ферритовый вкладыш слева и справа. Эти волны имеют противоположное направление вращения вектора магнитного поля. В результате этого имеет место различная магнитная проницаемость ферритовой вставки (вкладыша) для волн, огибающих ее слева и справа, а следовательно, и различный коэффициент фазы волн. Такие две волны, распространяющиеся навстречу друг другу, образуют стоячую волну.
Регулируя параметры ферритового вкладыша магнитны\ полем, можно добиться такой разницы в коэффициентах фаз что в плече II волны равных амплитуд будут синфазны (пучность поля), а в плече III — противофазны (узел поля). В результате электромагнитная энергия не будет проходить в плечо III, а це ликом ответвится в плечо II. Если к плечу III циркулятора под ключить генератор, то электромагнитная энергия пойдет только в плечо I и т. д.
Волноводные Y циркуляторы имеют переходное затухание между плечами до 30 дБ, потери в направлении передачи 0,3— 0,5 дБ и КСВ = 1,1-1,3.
Таблица 4.2
В табл. 4.2 приведены данные некоторых типов волноводных циркуляторов, выпускаемых отечественной промышленностью.
Генераторные СВЧ элементы. Отечественная электроника СВЧ достигла больших успехов. Об этом свидетельствуют обзоры по электровакуумным [3] и твердотельным [24] приборам СВЧ. Рассмотрим лишь современную элементную базу СВЧ генераторов сантиметрового диапазона (3 — 30) ГГц, выполненных на твердотельных элементах. Основу элементной базы твердотельных приборов СВЧ, развитию которых уделяется большое внимание [20], составляют полупроводниковые СВЧ диоды и транзисторы.
Промышленность к 1980 г. освоила выпуск следующих групп специализированных диодов и транзисторов: детекторные, умножительные, смесительные, параметрические, модуляторные, генераторные и усилительные. Рабочий диапазон частот данных полупроводниковых элементов расширен до 300 ГГц [30]. Достигнутые предельные рабочие частоты для биполярных транзисторов (рис. 4.2 и 4.3) составляют 10 ГГц, для диодов Ганна — около 100 ГГц, а для лавинно-пролетных диодов (ЛПД) — 300 ГГц.
Полупроводниковые диоды, хотя и позволяют значительно расширить рабочий диапазон частот в сторону высоких частот, но их максимальный к. п. д. не превышает 30%, а в миллиметровом диапазоне - 10 — 15%. Однако полученные параметры являются крупным достижением для всего класса СВЧ приборов малой и средней мощностей.
Рис. 4.2. Зависимость максимальной выходной мощности в непрерывном режиме генераторных элементов СВЧ от частоты: 1 — биполярные транзисторы; 2 — ЛПД; 3 — диоды Ганна
Рис. 4.3. Зависимость максимального значения к. п. д. твердотельных СВЧ генераторных элементов от частоты:
1 — биполярные транзисторы; 2 — ЛПД в импульсном режиме; 3 — диоды Ганна в импульсном режиме
Туннельные диоды.
Одним из первых твердотельных генераторных элементов является туннельный диод (ТД), обладающий универсальными свойствами. Несмотря на широкое использование туннельных диодов в качестве генераторов, усилителей, детекторов и преобразователей, спрос на них снижается в связи с появлением и развитием СВЧ транзисторов, диодов Ганна и ЛПД.
Основным достоинством туннельных диодов, определяющим их применение, является широкий диапазон рабочих частот 0,1 - 100 ГГц, которым не обладают СВЧ транзисторы. Однако их недостатком является относительно малая генерируемая мощность. В дециметровом диапазоне волн их максимальная выходная мощность составляет десятки милливатт, а в миллиметровом - всего несколько микроватт. Для увеличения выходной мощности используется параллельное, включение двух туннельных диодов в одном генераторе или соединение нескольких генераторов.
Туннельные диоды позволяют осуществлять электронную перестройку частоты. Наиболее простой и распространенный метод - изменение напряжения смещения. Обычно таким образом удается перестраивать частоты в пределах до 15 % от номинального значения, что объясняется небольшим интервалом напряжений смещения, в котором обеспечивается отрицательное сопротивление ТД.
Туннельные диоды отличаются малым потреблением энергии постоянного тока - около 10-4 Вт. Напряжение для выведения диода в рабочую точку в зависимости от материала полупроводника составляет 0,2 — 0,6 В.
Туннельные диоды в отличие от других полупроводниковых приборов могут работать при температуре до 300-450°С. Средний срок службы значительно превышает десятки тысяч часов.
Лавинно-пролетные диоды.
Генерация СВЧ колебаний при лавинном пробое полупроводниковых приборов впервые была обнаружена А. С. Тагером, А. И. Мельниковым и др. в 1959 г. В дальнейшем на основе обнаруженного эффекта были созданы специальные полупроводниковые приборы, получившие название лавинно-пролетных диодов (ЛПД) [31].
Принцип работы лавинно-пролетных диодов основан на использовании лавинной ионизации и времени пролета носителей заряда в переходе между областями с электронной и дырочной проводимостями. За счет разности концентрации электронов и дырок (Ne, Np) в n-р-переходе на границе раздела образуется внутреннее электрическое поле, распределение которого зависит от структуры
Рис. 4.4. Однопролетный ЛПД: а — структура; б — вольт-амперная характеристика; в — диаграмма движения носителей при определенных условиях могут двигаться в пролетном пространстве при тормозящей фазе СВЧ поля, а следовательно, активная составляющая проводимости диода может быть отрицательной. Это обстоятельство позволяет усиливать сигналы, а при определенных условиях могут возникать автоколебания.
Лавинно-пролетные диоды могут работать в двух режимах: классическом лавинно-пролетном (ΙΜΡΑΤΤ) и с захваченной плазмой (ТРАРАТТ). В зависимости от этого зарубежные аналоги называются соответственно ΙΜΡΑΤΤ и ТРАРАТТ.
Выпускается много типов ЛПД, работающих в широком диапазоне СВЧ частот (0,5-394 ГГц). Максимальная выходная мощность ЛПД при работе в непрерывном режиме составляет: 20-40 Вт на частотах до 10 ГГц; до 1,5 Вт на частотах до 60 ГГц; до 100 мВт на частотах до 200 ГГц [31]. Ограничение выходной мощности ЛПД связано в основном с обеспечением эффективного отвода тепла от их активной области.
Коэффициент полезного действия современных ЛПД, работающих в импульсном режиме в сантиметровом диапазоне волн, приблизительно равен 25%. Масса диодов составляет единицы граммов. Долговечность ЛПД практически не зависит от рабочей частоты. Срок службы ЛПД находится в пределах от 5 тыс.ч до 3,3 млн. ч [29, 30, 31] в зависимости от генерируемой мощности.
Диоды Ганна.
Диоды Ганна, впервые созданные в 1963 г. [12], представляют собой однородный кристалл полупроводникового материала (чаще всего арсенид галлия). При подведении к диоду Ганна постоянного напряжения, превышающего пороговое значение, в его катодной части образуются домены пространственного заряда. Эти домены под воздействием электрического поля проходят через область дрейфа к аноду. При этом в материале полупроводника возникают колебания с частотой, определяемой отношением средней скорости электронов и к длине области дрейфа I (толщина полупроводника). Например, при I = 10 мкм возникают колебания с частотой f = 10 ГГц. По техническим причинам длину области дрейфа I не удается сделать меньшей нескольких микрон.
Если поместить диод Ганна в резонатор, то на постоянное напряжение, приложенное к диоду, будет накладываться высокочастотное электрическое поле резонатора. Оно несколько изменяет механизм образования доменов в диоде и изменяет частоту генерируемых колебаний. Частоту генерируемых колебаний такого генератора изменяют в результате перестройки резонатора.
Диоды Ганна созданы для работы на частотах 0,3:300 ГГц. Максимальная генерируемая мощность на частой 10 ГГц в непрерывном режиме составляет 1,4 Вт. Импульсная мощное и на частотах до 10 ГГц составляет 1-2 кВт. Максимальный к. п. д. диодов Ганна в непрерывном режиме на частотах до 20 ГГц 10-12%. Среднее время безотказной работы при хорошем отводе тепла достигает 100 тыс. ч и более.
Генераторы СВЧ на твердотельных элементах. Успехи, достигнутые в создании твердотельных генераторных элементов СВЧ диапазона, обусловили широкие возможности конструирования СВЧ приборов и в первую очередь генераторов сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Твердотельные генераторы СВЧ обладают существенными преимуществами перед электровакуумными приборами аналогичного назначения. Они имеют меньшие габаритные размеры и потребляемую мощность, большую долговечность и лучше согласуются с микросхемами.
Разрабатываются и выпускаются СВЧ генераторы трех видов, базирующиеся на твердотельных элементах: генераторы на ЛПД, диодах Ганна и транзисторные.
Каждый из этих генераторов имеет свои преимущества и недостатки. Например, генераторы на диодах Ганна отличаются широким диапазоном перестройки частоты, низким значением питающего напряжения (6- 12 В), малым уровнем собственных шумов, однако обладают самым низким к. н. д., наименьшей мощностью генерации. Генераторы на ЛПД обладают наибольшим диапазоном электрической перестройки частоты, более высокой мощностью генерации, но требуют источник питания с более высоким напряжением (40-60 В) по сравнению с диодами Ганна. Генераторы на транзисторах имеют более высокий к. п. д. и генерируемую мощность и в то же время ограниченный рабочий диапазон частот.
Наряду с генераторным элементом (ГЭ) основным функциональным узлом автогенератора СВЧ является объёмный резонатор, в который помещают ГЭ. Объемным резонатором (или полым) называют часть пространства, заполненную диэлектриком и окруженную замкнутой проводящей средой, которая образует электромагнитную систему.
Физические процессы, происходящие в объемном резонаторе, аналогичны процессам, протекающим в колебательной системе контура. Резонатор, в общем случае, представляет собой цепь с распределенными параметрами. Выбор эквивалентной схемы резонатора, как правило, произволен. Поскольку резонаторы обычно связаны с внешними цепями, то их колебательные системы рассматривают не изолированно, а в совокупности с подключенными к ним возбуждающими и приемными устройствами.
Наиболее распространенными твердотельными источниками СВЧ колебаний в сантиметровом и миллиметровом диапазонах являются генераторы на ЛПД. Они имеют малые габаритные размеры и массу, относительно низковольтное питание, высокую надежность и невысокий уровень амплитудных и частотных шумов. По таким параметрам, как к. п. д. и выходная мощность, генераторы на ЛПД практически не имеют конкурентов среди твердотельных приборов миллиметрового диапазона.
Генератор на ЛПД (рис. 4.5, а) имеет ЛПД 1, ввод питания 2, теплоотвод 3, волноводный переход 4. Зависимости частоты f и мощности Р подобного генератора от тока диода I приведены на рис. 4.5, б.
Генераторы на ЛПД выпускаются с механической и электрической перестройками частоты. Механическая перестройка частоты заключается в механическом изменении параметров объемного резонатора с помощью подвижных поршней и регулировочных винтов. Однако механическая перестройка частоты, хотя и обеспечивает перестройку в пределах 67% [31], является весьма инерционной и не позволяет создавать приборы с большим числом перестроек.
Электрическая перестройка частоты осуществляется изменением тока ЛПД или дополнительным включением в резонатор генератора элементов с переменной емкостью (варакторов) и индуктивностью (монокристаллов граната).
Рис. 4.5. Генератор на ЛПД: а — конструкция; б — зависимость частоты и мощности генератора от тока диода
Промышленные образцы генераторов на ЛПД с перестройкой частоты и изменением тока смещения имеют достаточно широкий диапазон перестройки, достигающий 25 %.
Среднее время наработки на отказ генераторов на ЛПД зависит от выходной мощности и составляет 104 — 107 ч [5]. Питающее напряжение генераторов равно 40 — 60 В, рабочий ток в зависимости от генерируемой мощности составляет от 5 мА до 0,5 А.
На базе вышеописанных элементов и узлов строят СВЧ тракты радиотехнических устройств. Получили распространение как раздельные передающие (рис. 4.6, а) и приемные (рис. 4.6, б), так и совмещенные (рис. 4.6, в) СВЧ тракты.