ный волновод через неизлучающую щель в середине широкой стенки. Это при-водит к замедлению электромагнитной волны и увеличению запаздывания на выходе фазовращателя. Недостатком механических фазовращателей является невозможность изменения фазы с большой скоростью.

В фазовращателях на полупроводниковых диодах этот недостаток отсутствует. К их достоинствам относятся малые габаритные размеры и масса, большая скорость и простота управления. Полупроводниковые фазо> вращатели изготавливают в волноводном, полосковом и микрополосковом исполнении.

В полупроводниковых фазовращателях СВЧ используются главным образом коммутационные p-i-n диоды. Кроме них в управляющих устройствах СВЧ применяются также коммутационные р-п диоды, в том числе и варикапы. Однако p-i-n диоды по сравнению с р-п диодами позволяют пропускать значительно большие мощности СВЧ, вплоть до сотен киловатт в импульсе (или среднюю мощность в сотни ватт).

Диоды p-i-n (в отличие от диодов р-п) кроме слоев р и п содержат вы-сокоомиую область i, расположенную между слоями рил (рис. 2ЛЗ,а). Область i называют базой диода. Торцевые поверхности диода (диаметром около 1 мм), прилегающие к слоям р к п, металлизируют и используют в качестве выводов,-При отрицательном напряжении на диоде он оказывается запертым и его эквивалентная схема (рис. 2.13,6) имеет вид большого активного сопротивления Д- (несколько килоом), шунтированного малой емкостью С диода (десятые доли пикофарады). При подаче на диод положительного управляющего напряжения (порядка 1... 2 В) его сопротивление резко уменьшается (в сотни раз) и может быть эквивалентно представлено малым активным сопротивлением Д+ (рис. 2.13,е).

Возможная схема изменения фазы высокочастотного колебания на выходе линии передачи показана на рис. 2.14. Здесь в основную линию передачи с волновым сопротивлением Zb последовательно включен отрезок линии передачи с электрической длиной f>l и волновым сопротивлением Z; по концам линии включены шунтирующие проводимости d и d. Подбором значений Си Сг, pi и Zt можно обеспечить требуемое изменение фазы высокочастотного колебания на выходе линии и согласование промежуточного отрезка линии с основной линией передачи.

В качестве изменяющихся проводимостей Ci и Сг можно использовать отражательные фазовращатели. Такой фазовращатель (рис. 2.15) представляет собой отрезок линии передачи, шунтированный в ряде сечений коммутационными элементами, например, в виде описанных выше p-i-n диодов. При подаче на один из диодов напряжения питания можно уменьшить его сопротивление

£xoff Zi \ \g, Zr

- Т

Zi BbiMff

Рис. 2.14. Схема линии передачи с проходными фазовращателями

E>i.dS

Рис. 2.15. Отражательный (фазовращатель в виде отрезка линии передачи, шунтированного в ряде сечений коммутационными ялементами

малой величины и замкнуть накоротко линию в данном сечении. Остальные мутационные элементы имеют (при отсутствии питания) высокие сопро-ения и не оказывают заметного влияния на линию. При переключении ™ммутационных элементов изменяется положение плоскости короткого замыкания в линии передачи и соответственно ее входная проводимость Ci или d. " В технике СВЧ широко применяются ферритовые фазовращатели.

феррит представляет собой химическое соединение окиси железа (РегОз) с окисью таких металлов, как никель, марганец и др. По своему внешнему виду (Ьерритовые стержни напоминают керамику, а по электрическим свойствам являются полупроводниками, приближающимися к диэлектрикам. Большое (удельное сопротивление ферритов (10«... 10» Ом-см), в отличие от других ферромагнитных материалов, обусловило возможность применения их в диапазоне СВЧ. Диэлектрическая проницаемость ферритов на СВЧ колеблется в пределах 5... 15, а магнитная при отсутствии подмагничивания близка к единице.

Особо интересные свойства приобретает феррит под воздействием постоянного магнитного поля и высокочастотных колебаний. В этих условиях магнитная проницаемость феррита начинает зависеть сложным образом от постоянного магнитного поля, причем эта зависимость для высокочастотных полей круговой поляризации разного направления вращения получается различной.

Эти особые свойства ферритов позволяют конструировать в диапазоне СВЧ ряд технических устройств. К ним относятся волноводные циркуляторы, т. е. устройства в виде ряда каналов, характеризующиеся тем, что электромагнитные волны распространяются из одного канала в другой только в определенной последовательности. В частности, циркулятор может быть превращен в вентиль, служащий, например, для развязки генератора от нагрузки. Ограничимся описанием лишь ферритовых фазовращателей.

Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с продольным намагничиванием. По оси волновода расположен ферритовый стержень круг-.5ого или прямоугольного сечения. Управляющее магнитное поле направлено продольно и создается соленоидом, намотанным снаружи непосредственно на волноводе. Изменением управляющего магнитного поля можно менять магнитную проницаемость феррита и соответственно скорость распространения и длину волны высокочастотных колебаний внутри волновода, а следовательно, и фазу поля за ферритовый стержнем. Достоинством такого фазовращателя является его простота и возможность регулировки фазы в широких пределах (О ...360°) при небольшом ослаблении мощности колебаний СВЧ (0,5... 1,0 дБ).

Ферритовый фазовращатель в прямоугольном волноводе с поперечным полем подмагничивания. Ферритовая пластина прямоугольного поперечного сечения размещается параллельно узкой стенке между ней и серединой волновода (приблизительно на расстоянии а/4 от узкой стенки, где а - размер широкой стороны волновода). Полюса магнита JV и 5 устанавливаются по обе стороны пластины. В таком фазовращателе для увеличения фазового сдвига и уменьшения общей длины обычно используются две ферритовые пластины, располагаемые по обе стороны от средней плоскости волновода и соответственно намагничиваемые.

Возможен коаксиальный вариант фазовращателя, в котором феррит заполняет часть пространства между центральным проводом и экранирующим

цилиндром, а поперечное магнитное поле создается магнитом, устанавливаемым снаружи отрезка коаксиальной линии.

Ферритовые фазовращатели СВЧ успешно конкурируют с фазовращателями на p-i-n диодах и позволяют управлять более высокими мощностями, но обладают несколько меньшим быстродействием.

Глава 3.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

3.1. Элементарный электрический диполь

В опытах Герца применялся металлический проводник небольшой толщины длиной около 1 м, соединенный на концах с двумя металлическими шарами диаметром по 30 см каждый («диполь Герца»). В середине проводника имелся разрыв с промежутком около 1 см. На краях промежутка проводники имели небольшие утолщения и к ним присоединялась вторичная высоковольтная обмотка повышающего трансформатора, первичная обмотка которого соединялась с индуктором - источником напряжения переменного тока низкой частоты.

Таким образом получался колебательный контур из индуктивности отрезка пропода, соединяющего шары на концах вибратора (диполь), и емкости,- образованной между шарами.

Каждую половину периода напряжения низкой частоты происходят заряд емкости и (при достаточной амплитуде напряжения) искровой пробой промежутка между обращенными друг к другу концами стержня. Через искровой участок концы стержня замыкаются, и образуется замкнутый колебательный контур. После пробоя, прежде чем искра потухнет, происходит разряд емкости (конденсатора), который имеет вид затухающих колебаний с высокой частотой, определяемой электрическими параметрами колебательного контура.

Для обнаружения (приема) электромагнитных волн на некотором удалении (в пределах комнаты) в опытах Герца применялся резонатор, подобный передающему (излучающему) диполю, ио с уменьшенным зазором между ближними концами диполя. При совпадении резонансных частот колебаний приемного и передающего диполей в зазоре приемного резонатора проскахшвала искра, свидетельствовавшая о приеме сигнала.

После заряда конденсатора, образованного емкостью между шарами на концах диполя, и искрового пробоя промежутка в его середине начинается колебательный разряд указанного конденсатора через индуктивность проводника диполя (замкнутого искровым пробоем). -Колебательный электрический ток диполя образует вокруг него замкнутые силовые линии переменного магнитного поля, что приводит, в свою очередь, к возникновению замкнутых линий переменного электрического поля (вследствие электромагнитной индукции) и т. д. Совокупность переменного электрического и магнитного полей образует электромагнитные волны, распространяющиеся от оси диполя во все стороны.

Упрощенная картина образования электромагнитных волн иллюстрируется рис. 3.1. На рис. 3.2 показана картина силовых линий электрического поля вблизи диполя в некоторый момент, приведенная в статье Г. Герца. 20