Розділ 2
ХВИЛЕВОДНИЙ ДІЕЛЕКТРИЧНИЙ ФАЗООБЕРТАЧ
При побудові фазованих антенних решіток активного типу електромагнітна енергія може підводитися до випромінюючого елемента через хвилевод. Крім того, антенні елементи решіток пасивного типу можуть бути виконані у вигляді відкритих відрізків хвилеводу. Як правило, хвилеводні конструкції розраховані на високий рівень передаваної потужності. Тому становить інтерес задача створення фазообертача, який би конструктивно легко поєднувався з відрізками хвилеводів і міг працювати на пропускання чи відбивання в активних і пасивних системах.
2.1. Композит "діелектрик-повітря" як елемент керування. Конструкція хвилеводного фазообертача
Вивчення багаторічного досвіду вимірювання властивостей діелектричних матеріалів у хвилеводах [41], [42] показує, що наявність повітряних зазорів між вимірюваним зразком та широкими стінками металевого хвилеводу навіть за дуже малих величин справляє сильний вплив на умови поширення хвилі. Виміряні нерезонансними методами значення діелектричної проникності матеріалів за наявності зазорів значно нижчі за очікувані, що означає суттєве зменшення електричної довжини лінії, а, відповідно, і зміну фазового зсуву НВЧ-сигналу у лінії. Вплив повітряного включення також використано у конструкції складеного діелектричного резонатора [12]. Зміна величини повітряного зазору між частинами складеного резонатора дозволяє змінювати у широких межах його резонансну частоту. При цьому необхідна величина переміщень складає всього лише десятки мікрометрів. Кількісна залежність характеристик поширення хвилі від величини повітряного зазору є досить сильною. Це дає змогу використовувати швидкодіючі п'єзоелектричні актюатори для керування пристроєм. Керування за допомогою п'єзоактюатора є неструмовим, тому таке керування є економним з точки зору споживаної потужності. Разом з тим, п'єзоактюатор поєднує в собі переваги механічних систем із надійністю електронних. Таким чином, діелектричні структури з повітряним зазором, величина якого змінюється за допомогою п'єзоактюатора є привабливими для створення керованих пристроїв НВЧ. Саме ефект керування поширенням хвилі за допомогою зміни повітряного зазору у композиті "діелектрик-повітря" і було покладено в основу запропонованого пристрою [43-45].
Розглянемо прямокутний хвилевод, поперечний переріз якого заповнений двома діелектричними вставками висотою d, між якими є повітряний зазор ? (рис. 2.1, а).
Рис. 2.1. Часткове заповнення хвилеводу діелектричним матеріалом:
а) симетрична конструкція;
б) асиметрична конструкція.
Стала поширення у хвилеводі складним чином залежить від діелектричної проникності діелектричних вставок і величини повітряного зазору між вставками, або вставкою і стінкою хвилеводу. Оскільки стала поширення повно описує процес поширення хвилі у хвилеводі, то знаходження її дає змогу визначити параметри пристрою. Разом з тим, при практичних розрахунках та з метою порівняння зручним є використання так званих ефективних параметрів, які є віднесеними до відповідних параметрів стандартної конструкції. Так, ефективна діелектрична проникність при частковому заповненні хвилеводу може бути уведена як діелектрична проникність повного заповнення хвилеводу, при якій стала поширення відповідала б реальній сталій поширення у частково заповненому хвилеводі. Ефективна діелектрична проникність для нижчого типу хвилі може бути знайдена із співвідношення
,
де ? - знайдена стала поширення;
k - хвильове число;
а - ширина хвилеводу.
На рис. 2.2 показано принципову схему хвилеводного діелектричного фазообертача. Відрізок прямокутного хвилеводу звужується від висоти b0 до висоти b за допомогою чебишевського трансформатора 1. У звуженій частині хвилеводу встановлено дві діелектричні пластини 2, на протилежні грані яких нанесено металізацію 5. Діелектричні пластини розміщені одна від одної на відстані ?, яка може змінюватися за допомогою актюаторів 4. Активна зона пристрою має низький імпеданс через зменшену висоту хвилеводу та діелектричну вставку, тому для покращення умов узгодження можуть також бути використані діелектричні трансформатори 3.
Рис. 2.2. Конструкція хвилеводного фазообертача:
1 - секція чебишевського узгодження;
2 - діелектричні пластини;
3 - діелектричні трансформатори;
4 - п'єзоелектричний актюатор;
5 - металізація.
Величина початкового зазору ? між діелектричними пластинами встановлюється такою, щоб при найбільшому розширенні актюаторів діелектричні пластини дотикалися між собою. При зменшенні керуючої напруги, прикладеної до актюатора, збільшується зазор між пластинами, що викликає відповідну зміну умов поширення хвилі.
Така конструкція пристрою може бути практично реалізована багатьма шляхами. Так, зокрема, п'єзоелектричні актюатори можуть бути розміщені як всередині хвилеводу, так і поза ним і приводити діелектричні пластини в рух за допомогою штовхачів. Крім того, конструкція допускає велику свободу у виборі геометрії. Так, бажаний відносний фазовий зсув може бути отриманий як за рахунок застосування діелектричних матеріалів з більшими значеннями проникності, так і за рахунок збільшення довжини активної області пристрою. Особливо слід відзначити, що шляхом масштабування конструкція може бути пристосована до відповідного діапазону частот, який визначається діапазоном робочих частот хвилеводу.
Хвилеводний фазообертач також може бути реалізований у дещо зміненому вигляді. Так, робочий зазор може бути зміщений до однієї з стінок хвилеводу так, щоб одна з діелектричних пластин була закріплена на ній. В такому випадку може бути використаний лише один актюатор. Ще один різновид конструкції може бути реалізований з використанням тільки однієї пластини (рис. 2.3). При цьому повітряний зазор утворюється між діелектричною пластиною і широкою стінкою хвилеводу.
Втрати електромагнітної енергії в пристрої зумовлені відбиттями через недосконале узгодження, втратами у металевих частинах ко