4.2.3. Переменные аттенюаторы

Очень удобным элементом дляпеременного аттенюатора в прямоугольном волноводе, в котором распространяется волна вида является резистивная пленка [62], параллельная силовым линиям электрического поля. В одной из конструкций аттенюатора такая пленка, нанесенная на подвижную диэлектрическую пластину в форме крыла, вводится через щель, прорезанную в широкой стенке волновода параллельно оси распространения. Пример устройства такого аттенюатора, применяемого на частоте показан на рис. 4.13; по мере введения в волновод пластины затухание возрастает до максимальной величины около 20 дб. Утечку энергии через щель в волноводе можно уменьшить с помощью соответствующих поглощающих материалов, располагаемых около ее краев.

В аттенюаторе с подвижной пластинкой резистивная полоска укреплена на двух тонких проводниках, оси которых разнесены на нечетное число и механически перемещается из области слабого в область сильного электрического поля. Согласование аттенюатора лучше всего достигается с помощью секций, поглощающих мощность, как показано на рис. 4.14, а. Например, пластина на любом конце может быть снабжена суживающейся секцией длиной или четвертьволновой секцией, которая покрыта поглощающим материалом только наполовину или покрыта полностью пленкой с вдвое

большим сопротивлением. При тщательном выполнении и калибровке эти прецизионные аттенюаторы позволяют производить измерения с очень высокой точностью.

Характеристики аттенюаторов с металлизированными пластинами обычно определяются экспериментально, но могут быть выражены [95], как показано на рис. через параметры эквивалентной схемы, состоящей из последовательного соединения сопротивления и индуктивности пленки с емкостью между пленкой и стенкой волновода. Эти постоянные являются функциями параметров пленки, ее опоры и положения, занимаемого в волноводе. Такие приборы могут давать максимальное затухание около 40 дб, и если принять соответствующие меры, то вносимые потери можно сделать ниже 1 дб.

Рис. 4.13. Переменный аттенюатор с пластинкой в виде крыла. Рабочая частота волновод сечением Резистнвиая пластника вводится в волновод через щель.

Большие затухания могут быть достигнуты при использовании пленки с низким поверхностным сопротивлением, однако значения менее 120 ом на квадрат будут благоприятны для резонанса между емкостным и индуктивным сопротивлениями [294]. Это проявляется как выброс или провал, положение которого зависит от частоты и который налагается на обычную плоскую часть типичной зависимости затухания от перемещения пленки; для удовлетворительной работы с тем, чтобы на частоте около получить затухание 40 дб, длина пластины должна, по крайней мере, равняться Существование резонанса такого рода используется для создания широкополосных аттенюаторов. При ограниченных пределах перемещений пластины кривые ослабления на различных частотах пересекаются между собой, благодаря чему уменьшается разброс затухания в зависимости от частоты. Например, в диапазоне частот ±5% поглощение порядка 30 дб может изменяться только на Типичный прецизионный переменный аттенюатор с пластинами для частот показан на рис. 4.14, в.

Построены приборы, в которых [112, 347, 353] изменение передаваемой мощности достигается путем модуляции проводимости пластинки из полупроводника, помещенной в волновод. Например,

Ганн и Хогарт [119] использовали эффект инжекции носителей. На рис. 4.15, а показано устройство модулятора, в котором тонкая пластинка из германия пересекает под углом полость прямоугольного волновода. Одна из широких стенок пластинки подвергается шлифовке, а другая — травлению, в результате чего на этих двух поверхностях получаются соответственно большая и малая скорости рекомбинации электронных и дырочных носителей.

Рис. 4.14. (см. скан) Переменный аттенюатор с подвижной пластиной: а — методы согласования полных сопротивлений; б - эквивалентная схема; в — общий вид прибора для диапазона рабочих частот сечение волновода

Если пластинку поместить в поперечное магнитное поле с индукцией около то будет наблюдаться отклонение как дырок, так и электронов либо по направлению к поверхности с большей скоростью рекомбинации, либо от нее в зависимости от направления управляющего тока, протекающего через пластинку. Происходящее изменение

концентрации носителей тока, в свою очередь, вызывает изменение поглощения высокочастотной мощности. Типичные результаты, полученные на частоте для материала с удельным сопротивлением 40 ом-см, приведены на рис. время отклика при этом составляло несколько микросекунд.

Работа модулятора, разработанного Арчером, Гибсоном и Гренвиллем [11], основана на явлениях подвижности носителей в полупроводниках [354]. Скорость дрейфа носителей в германии, как видно из рис. 4.16, а, при возрастании электрического поля стремится к пределу. На сверхвысоких частотах подвижность для данных условий определяется крутизной этой кривой. Так, при сильных электрических полях, когда скорость носителей достигает насыщения, крутизна кривой подвижности равна нулю и материал становится как бы прозрачным — отсюда происходит и название для модуляторов этого типа «транспаритор».

Рис. 4.15. Полупроводниковый модулятор с инжекцией носителей: а — общий вид полупроводника и волновода (сеченнем для рабочей частоты 35 Ггц; б - затухание как функция управляющего напряжения и тока. (См. [119].)

Конструкция экспериментального устройства для работы на частоте показана на рис. 4.16, б.

В качестве образца была взята пластинка из германия -типа с удельным сопротивлением 5 ом-см, толщиной и шириной (в направлении распространения носителей) около Для уменьшения явлений нагрева приложенное поле в несколько киловольт на сантиметр модулировалось импульсами; для предотвращения инжекции дырок в месте расположения положительного ввода в германий был сделан -переход. Изменение затухания с полем показано на рис. 4.16, в; довольно значительные потери на отражение обусловлены плохим согласованием. В другом устройстве область полупроводника структуры с собственной проводимостью была помещена внутрь волновода [297]. Если на контакты в и -областях подать прямое смещение, то в область с

собственной проводимостью будут инжектироваться дырки и электроны, а мощность сверхвысоких частот будет поглощаться этими подвижными носителями зарядов. Время, необходимое для установления определенной (равновесной) концентрации, по порядку величины равно среднему времени жизни электронно-дырочных пар; тем самым частота модуляции ограничена величиной около На частоте при изменении постоянного тока смещения на получалось изменение поглощения мощности на потребление мощности при этом составляло около Для частоты был сконструирован [313] модулятор, в котором поперек полости волновода был помещен германиевый стержень диаметром а вольфрамовый зонд вводился в волновод через небольшое отверстие в его узкой стенке.

Рис. 4.16. Полупроводниковый модулятор типа «транспаритор»: а — эффект насыщения скорости дрейфа носителей при сильных электрических полях; б - экспериментальное устройство для рабочей частоты сеченне волновода в — затухание в функции от приложенного электрического поля. (См. [11].)

Подача на зонд -микросекундных импульсов вызывала инжекцию добавочных неосновных носителей, что, в свою очередь, приводило к увеличению проводимости и поглощению мощности сверхвысоких частот.

Делители мощности — это многоплечие устройства, которые могут быть отрегулированы так, что поступающая энергия сверхвысокой частоты будет делиться между выходами в любом желаемом отношении [122]. Например, в простом Т-образном соединении перемещение короткозамыкателя в боковом плече вызывает изменение мощности, протекающей по главному волноводу, а остаток энергии отражается обратно к источнику питания. Более сложные устройства с двумя плечами, содержащими спаренные короткозамыкающие поршни, могут отводить мощность из одного плеча, содержащего, скажем, полезную нагрузку, в другое плечо, содержащее эквивалентную нагрузку, сохраняя условия согласования с источником мощности.

В другой конструкции [264] применено каскадное включение двух широкополосных гибридных соединений с короткими щелями.

Электрическая длина одного из соединяющих волноводов постоянна, в то время как во втором расположен фазовращатель, посредством которого управляют делением мощности. В полосе частот от 8,6 до входной КСВН не превышал 1,2, вносимые потери равнялись 0,4 дб и мощность на выходе любого плеча могла изменяться в пределах дб.

Гибридное кольцо, показанное на рис. 4.17, состоит в основном из круглого волновода с колебаниями вида к обоим концам которого присоединены переходы на прямоугольный волновод. Круглый волновод содержит вращающееся сочленение, так что относительное расположение входных и выходных пар соединений может меняться.

Рис. 4. 17. Гибридное соединение на круглом волноводе как переменный аттенюатор. Вращение на выходе вызывает изменение мощности, появляющейся в плече С. В другом устройстве положения плечей зафиксированы, а вращающееся сочленение заменено двумя четвертьволновыми пластинками, причем одиа неподвижна, а другая вращается.

Когда входное плечо А расположено под углом 45° к плечам то устройство действует как гибридное соединение; энергия делится поровну между плечами а связью с плечом В можно пренебречь. При вращении выходной секции мощность в зависимости от угла поворота изменяется в плече С косинусоидально, а в плече синусоидально; таким образом, получается гибридное соединение с переменным ослаблением.

Применения подвижных частей можно избежать, если вместо вращающегося сочленения ввести в круглый волновод две четвертьволновые пластинки. Первая пластинка неподвижна и возбуждает волну с круговой поляризацией, в то время как вторая — анализатор, может поворачиваться и таким образом изменять плоскость поляризации выходной волны; это, в свою очередь, вызывает изменение в плечах выходной мощности. Такие делители мощности хорошо приспособлены для работы на больших уровнях мощности [152, 153], так как поглощающий элемент расположен в отдельном

плече. Это означает, что мощность может поглощаться в нагрузке, которая специально предназначена для постепенного ее поглощения и может соответствующим способом охлаждаться.