ГЛАВА 18. АНТЕННЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ И ЭЛЕКТРОНИКА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

18.1. ПРИНЦИПЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ АНТЕННЫ

18.1.1. Пассивная схема

Дуплексная работа [103, 199, 306] системы сверхвысоких частот обеспечивает пропускание по передающей линии сигналов, имеющих одинаковую частоту; этот вид работы не следует смешивать с коммутацией, осуществляемой в зависимости от разницы частот двух сигналов. Частным случаем, который рассматривается ниже, является использование общего элемента, например, антенны для приемника и передатчика. Желательно, чтобы антенный переключатель обладал следующими свойствами: малое ослабление и хорошая изоляция между приемником и передатчиком в широкой полосе частот, отсутствие элементов настройки, надежность и продолжительный срок службы.

При работе в режиме незатухающих колебаний антенный переключатель необходим, с одной стороны, для развязки приемника от передатчика в течение всего рабочего времени, а с другой — для обеспечения максимальной связи передатчика с антенной и антенны с приемником. При работе с импульсами большой мощности требуемая для защиты приемника изоляция [202] составляет около 60—80 дб. Кроме того, необходимо защитить приемник от случайных импульсов, принимаемых от расположенного поблизости другого оборудования [265, 268]. В зависимости от назначения антенный переключатель должен восстанавливать свои свойства для работы в режиме приема за время 1—50 мксек.

Если в первом каскаде приемника используется полупроводниковый диод с точечным контактом, то во избежание его подгорания

уровень просачивающейся через переключатель мощности не должен превышать Тепловая постоянная времени контакта диода составляет около сек, и энергия переходных процессов в переключателе во избежание временного или необратимого ухудшения свойств диода не должна превышать соответственно Некоторые из рассмотренных в гл. 17 усилителей высокой частоты с малым уровнем шумов [89, 258] даже еще чувствительнее к величине просачивающейся мощности, и, более того, многие из их преимуществ теряются, если переключатель сам добавляет заметные шумы.

Пассивный антенный переключатель может быть сконструирован, например, из необладающих потерями четырехполюсников [207].

Рис. 18.1. Простой пассивный антенный переключатель. В этом устройстве потери составляют 3 дб как при приеме, так и при передаче.

На рис. 18.1 показано, что для этой цели использован двойной волноводный тройник. Мощность от передатчика в данном случае делится между согласованной нагрузкой в одном плече и антенной в другом, в то время как мощность, принимаемая антенной, делится поровну между приемником и передатчиком. Для такого простейшего устройства минимальная величина общих потерь составляет 6 дб. Из-за несовершенства соединений и из-за рассогласования нагрузки и антенны развязка между приемником и передатчиком ухудшается. Обусловленное этим просачивание может быть сбалансировано в узкой полосе частот до уровня меньше —100 дб.

Пассивные антенные переключатели, основанные на волнах с круговой поляризацией, обладают ничтожным затуханием и, кроме того, обеспечивают изоляцию передатчика от влияния изменений полного сопротивления антенны. Передаваемая волна имеет одно направление вращения плоскости поляризации, а принимаемая волна благодаря отражению имеет другое направление; с помощью соответствующей схемы эти волны можно разделить. На рис. 18.2, а изображено устройство, включающее в себя два ортогональных преобразователя волны в прямоугольном волноводе в волну

в круглом волноводе; в последнем находится четвертьволновая пластинка. Фазы составляющих электрического поля передатчика показаны на рис. 18.2, б; на нем видно, что отраженная волна после прохождения пластины преобразуется в линейно-поляризованную волну. Плоскость поляризации подбирается таким образом, чтобы волна проходила в плечо приемника.

Преобразование линейной поляризации волны в круговую можно осуществить в самой антенне [1291 с помощью, например, поляризующих зеркал [63, 179].

Рис. 18. 2. Пассивный антенный переключатель с круговой поляризацией волны: а — конструкция в сборе; б - направление вектора электрического поля при передаче; в — направление вектора электрического поля при приеме.

Кроме того, приемник и передатчик могут быть подсоединены к противоположным прямоугольным плечам турникетного шестиплечего соединения; оставшиеся пары плечей нагружаются короткозамыкателями таким образом, что их электрические длины отличаются на На частоте такой антенный переключатель обеспечивает [156] изоляцию лучше 40 дб в полосе При другой настройке турникетного соединения можно обеспечить переключение при ортогональности плоскостей линейной поляризации передаваемой и принимаемой волн.

Ограничение по поляризации устраняется с помощью ферритовых циркуляторов. В четырехплечем устройстве, показанном на вставке рис. 18.3, энергия от передатчика Т проходит к антенне А, в то время как энергия от антенны поступает на вход приемника Для поглощения любой просочившейся мощности к четвертому плечу присоединена искусственная нагрузка Такие экспериментальные антенные переключатели, основанные на фарадеевском вращении плоскости поляризации [102], имеют изоляцию лучше 30 дб при ширине полосы 0,7% от основной частоты Циркуляторы для частоты в которых феррит расположен в короткозамкнутом круглом волноводе турникетного соединения, обладают [45] такой же дискриминацией при вносимых потерях 0,4 дб, КСВН 1,25 и общей длине 3,8 см. Такие переключатели работают вполне

удовлетворительно в режиме незатухающих колебаний при средней мощности около

При подключении антенного переключателя, показанного на рис. 18.3, к передатчику, генерирующему импульсы мощностью и длительностью 0,2 мксек, ввиду конечного частотного спектра просачивающаяся мощность составляла это значение может быть уменьшено при использовании широкополосных конструкций. В антенных переключателях на большие мощности должны применяться также ферриты, на которые падает полная излучаемая мощность и которые могут выдерживать высокое напряжение и рассеивать за счет воздушного или водяного охлаждения тепло, выделяющееся в результате присущего им затухания.

Рис. 18. 3. Изоляция, создаваемая ферритовым антенным переключателем. На вставке показано расположение плеч. Мощность на входе Феррит типа феррокскуб В-3.

Защита приемника, осуществляемая пассивными антенными переключателями, значительно улучшается при использовании ограничителей мощности, которые базируюгя на использовании ферритов [297, 298, 313, 322], варакторных диодов [302, 311, 312] или ЛБВ [314]. Исследование [310] ферритовых ограничителей показало, что у них как пиковое, так и установившееся значение мощности утечки превышает допустимые пределы. Некоторое улучшение может быть достигнуто при соответствующем выборе ферритовых материалов и геометрической конфигурации. Применение варакторных диодов позволяет уменьшить просачивание мощности до допустимых пределов. Устройство [303], состоящее из ферритового предварительного ограничителя, основного ферритового ограничителя и двухступенчатого диодного ограничителя, работало в полосе при средней частоте с вносимыми потерями 2 дб. При поступлении на вход импульса мощностью

просачивающаяся энергия пика составляет менее а величина установившегося значения импульса просачивающейся мощности была менее