Text
aJ.,'/
БИБЛИОТЕКА
РАДИОКОНСТРУКТОРА
ВОРОБЬЕВ Е. А.
Экранирование
СВЧ
конструкций
Scanned & DJVUed
Москва «Советское
радио»
19 7 9
ББК 32.841
В 75
УДК 621.396.667.83
Воробьев Е. А. Экранирование СВЧ конструкций. — М.: Сов.
радио, 1979. 136 с. с ил. (Библиотека радиоконструктора).
Рассматриваются вопросы электромагнитной совместимости и
электрогерметичность типовых устройств СВЧ. Подробно излагается
методика расчета и практические приемы конструирования СВЧЙ
экранов, простых и сложных электрогерметических волноводн^^
СВЧ устройств и зеркальных антенн с пониженным уровнем
ственных помех и с высокой взаимной развязкой.
Книга предназначена для разработчиков, конструкторов и тех-
нологов, работающих в области техники СВЧ, а также студентов
вузов.
Табл. 4, рис. 51, назв. библ. 46.
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ'
Н. А. Барканов, А. П. Белоусов, И. А. Бруханский, Р. Г. Варламов,
В. А. Волгов, Н. К. Иванов—Есипович, К. К. Морозов, Е. М. Пар-
фенов, В. Б. Пестряков (отв. редактор), А. И. Пименов, Н. Э. Сва-
тикова, В. И. Смирнов, В. Г. Теселько, А. В. Шитяшин, К.. Н. Ша-
лаев, Н. И. Юшин
Редакция
литерятуры по вопросам космической
радиоэлектроники
„ 30407-033
В 17-79 2402020000
046 01 -79
(С) Издательство «Советское радио», 1979 г.
Предисловие
Развитие техники СВЧ наряду с разработкой фун-
даментальных теоретических вопросов требует решения
ряда конструкторских и технологических задач. Среди
конструкторских задач одной из главных является про-
блема электромагнитной совместимости (ЭМС), т. е.
обеспечения нормальной работы устройства СВЧ при
внутренних и внешних источниках паразитных электро-
магнитных излучений.
Электромагнитная совместимость в устройствах СВЧ
это, во-первых, совокупность определяемых выбранным
принципом действия и электрической схемой радиотех-
нических параметров и характеристик, которые обеспе-
чивают нормальную (в пределах заданных технических
условий) работу в существующей или предполагаемой
внешней и внутренней электромагнитной обстановке, и,
во-вторых, совокупность радиотехнических параметров
и характеристик устройств СВЧ или отдельных узлов ее
конструкции, обеспечивающих конструкторскими прие- ’
мами реализацию частных требований по обеспечению
внешней и внутренней ЭМС.
Теоретической базой обеспечения ЭМС являются тех-
ническая электродинамика, теория цепей и другие раз-
делы СВЧ радиоэлектроники. Решение теоретических за-
дач ЭМС осуществляется в основном специалистом-схе-
мотехником, занимающимся выбором принципа действия
и электрическим расчетом устройств СВЧ.
Другой, более ограниченной областью задач по обес-
печению ЭМС, является детальная разработка конст-
рукции устройства СВЧ, которая производится конструк-
тором на основании однозначно заданных принципа
действия и электрической схемы.
Разработка конструкции включает в себя: расчет и
конструирование специализированных экранов и корпу-
сов; расчет, конструирование и компоновку СВЧ схем
с электрогерметичными соединениями; обеспечение за-
данной электропрочности; расчет и конструирование
СВЧ антенн с низким уровнем собственных и внешних
3
взаимных помех (с высокой развязкой) и некоторые
другие специфические конструкторские задачи.
Настоящая брошюра является первым обобщением
разрозненных материалов по конструированию типовых
устройств СВЧ, удовлетворяющих специфическим требо-
ваниям по экранированию и электрогерметичности.
В первой главе рассмотрены типовые конструктор-
ские задачи по обеспечению ЭМС в радиоаппаратуре
СВЧ. Далее излагаются физические основы экраниро-
вания от электромагнитного поля, обеспечения элек-
трогерметичности и электропрочности конструкций
устройств СВЧ.
Выбор материалов, оптимизации конструкций экра-
нов, корпусов, электрогерметичных соединений, контроль
качества экранирования и электрогерметичности и осо-
бые требования к технологии производства даны раз-
дельно по главам — в соответствии с принадлежностью
к рассматриваемым типам устройств СВЧ.
Автор ставит перед собой задачу показать значение
проблемы экранирования и электрогерметичности для
типовых устройств СВЧ и рассмотреть некоторые воз-
можные пути ее решения приемами конструирования.
Рассматриваемые в брошюре задачи по обеспечению
ЭМС в СВЧ конструкциях, естественно, не являются
исчерпывающими, поскольку возрастающая сложность
технических решений приводит к новым задачам, связан-
ным с конструированием, компоновкой и технологией
производства устройств СВЧ.
Автор благодарен канд. техн, наук Н. А. Трефилову
за участие в подготовке материалов гл. 3. В работе над
брошюрой большую помощь оказали профессора А. Л.
Драбкин, Н. П. Красюк, В. Б. Пестряков, В. И. Смир-
нов, А. Д. Фролов, а также сотрудники кафедры «Тех-
ника СВЧ» ЛИАПа, которым автор выражает глубокую
признательность. Автор благодарен кандидатам техн,
наук П. М. Вайсбергу и Н. Б. Полонскому за рецензи-
рование рукописи и полезные замечания.
Все замечания и пожелания по брошюре просьба
направлять в адрес редакции «Сов. радио» — г. Москва,
Гл. почтамт, а/я № 693.
1. Конструкторские задачи экранирований
и электрогерметичности в типовых
устройствах СВЧ *
1.1. Внешняя и внутренняя электромагнитная обстановка
В последние годы резко возросла и продолжает
расти насыщенность околоземного пространства излуче-
ниями радиоэлектронных средств различного диапазона
и назначения. Наряду с этим значительно повысилась
и чувствительность приемных устройств как по основно-
му каналу (порядка 10~22 Вт), так и по побочным кана-
лам приема. Если учесть, что из-за перегруженности
освоенного радиодиапазона все большее число радиотех-
нических средств требуется размещать в одних и тех же
полосах частот, то становится понятным, как сильно
возрос уровень взаимных помех, существенно снижаю-
щих эффективность работы радиотехнических средств.
Все это привело к тому, что разработчикам современ-
ных радиотехнических средств кроме традиционных тех-
нических задач приходится решать проблему обеспече-
ния надежной совместной работы аппаратуры одного и
того же или смежных диапазонов частот в условиях
неумышленных и умышленных взаимных помех. На се-
годняшний день эта проблема настолько актуальна, что
в технических условиях на разработку радиотехнической
аппаратуры почти всегда оговаривают условия внешней
электромагнитной обстановки, которые будут сопутство-
вать эксплуатации создаваемой аппаратуры.
Основными характеристиками, качественно и коли-
чественно определяющими внешнюю электромагнитную
обстановку, являются [1, 2]:
— используемые диапазоны радиочастот;
— энергетические характеристики источников излу-
чений;
— поляризационные характеристики и характеристи-
ки направленности умышленных и неумышленных источ-
ников электромагнитного излучения.
5
Ё околоземном пространстве проблема внешней
ЭМС, т. е. обеспечение условий нормальной работы
радиотехнических средств всех стран, является между-
народной проблемой. Поэтому единственной организа-
цией, определяющей требования по внешней ЭМС, явля-
ется Международный союз электросвязи (МСЭ), члена-
ми которого, кроме Советского Союза, являются еще
130 государств.
Работа любого радиотехнического устройства (аппа-
рата) основана на взаимодействии электромагнитных
процессов, происходящих в ограниченном объеме его
конструкции.
Необходимые радиотехнические характеристики ра-
диоаппарата, таким образом, должны обеспечиваться
за счет запланированных расчетом электрических и ме-
ханических связей, реализуемых отдельными элемента-
ми, узлами и конструкцией в целом. Из-за несовершен-
ства выбора принципа действия радиоаппарата, свойств
исходных материалов, комплектующих элементов и
узлов, а главное, из-за неудачного конструктивного ре-
шения аппарата или отдельных его узлов и некоторых
других причин, имеющих различную физическую природу,
электромагнитная обстановка в ограниченном объеме ра-
диоаппарата оказывается отличной от расчетной. Все это
приводит, во-первых, к нарушению (за счет нежелатель-
ных и не запланированных расчетом электромагнитных
связей) нормальной работы узлов аппарата, при этом
его собственные радиотехнические характеристики не
укладываются в заданные нормы и оказываются невы-
полненными требования по внутренней ЭМС. Во-вторых,
выходные радиотехнические характеристики и парамет-
ры радиоаппарата отклоняются от расчетных, и тем са-
мым нарушают внешнюю электромагнитную обстановку,
создавая неумышленные помехи другим радиотехниче-
ским средствам.
Богатый опыт радиоаппаратостроения показывает,
что обеспечение внутренней ЭМС и как результат этого
в определенной мере обеспечение внешней ЭМС в зна-
чительной степени предопределяется совершенством раз-
работки и качеством исполнения конструкции радиоап-
парата.
1.2. Особенности обеспечения ЭМС в конструкциях
устройств СВЧ
Обеспечение электромагнитной совместимости в СВЧ
устройствах — это в первую очередь, проблема конструк-
торская.
В соответствии с установившимся понятием под кон-
струкцией устройства СВЧ понимают определенную со-
вокупность элементов и узлов, которые в результате
взаимодействия с электромагнитным полем формируют
заданные радиотехнические характеристики. Кроме того,
конструкция СВЧ устройства должна обеспечивать за-
щиту от всех возможных внутренних и внещних деста-
билизирующих влияющих факторов [2]. Одним из таких
внешних дестабилизирующих (т. е. нарушающих нор-
мальную работу) факторов являются все внешние элек-
тромагнитные излучения, воздействующие на СВЧ
устройство, а также излучения и электромагнитные про-
цессы внутри ограниченного объема его конструкции.
Таким образом, обеспечение ЭМС применительно к кон-
струкции СВЧ устройства предполагает, во-первых,
электромагнитную защиту (экранирование) от всех
внешних электрических и магнитных полей любой воз-
можной частоты и интенсивности, обеспечивающую ра-
боту устройства СВЧ в пределах допустимых норм и
условий. Во-вторых, это понятие предполагает такую
электромагнитную развязку между элементами и узлами
устройства на собственной рабочей частоте, чтобы пара-
зитные электромагнитные связи внутри устройства не
нарушали его нормальной работы.
Эту важнейшую роль защиты от внешних и вну-
тренних паразитных электромагнитных помех и электро-
магнитную развязку между элементами в ограниченном
объеме СВЧ устройства (т. е. экранирование и электро-
герметичность) всегда выполняет конструкция или от-
дельные узлы конструкции. По аналогии с внутренней
и внешней задачами техники антенн ЭМС СВЧ устрой-
ства, обеспечиваемую ее конструкцией, можно условно
разделить на внешнюю и внутреннюю. Это положение
нетрудно проиллюстрировать графически (рис. 1.1). На
рисунке сплошными линиями показаны контуры двух
СВЧ конструкций и отдельных конструктивных узлов,
обеспечивающих соответственно их взаимную внешнюю
и внутреннюю ЭМС (иначе говоря экранирование и
7
электрогерметичность) каждого из устройства в отдель-
ности. Сплошными стрелками показаны различные виды
внешних и внутренних связей, предусмотренные прин-
ципом действия этих двух устройств СВЧ, а штриховы-
ми — паразйтные электромагнитные связи, способные на-
рушить нормальную работу каждого устройства или их
нормальную совместную работу [3].
Рис. 1.1. Внешняя и внутренняя ЭМС в устройствах СВЧ, обеспечи-
ваемые их конструкциями
Следует предположить, что внешняя ЭМС при рабо-
те двух (или нескольких) устройств СВЧ будет опреде-
ляться, главным образом, соответствующим решением
конструкций в целом, имеющих на рисунке объемы
И К1П.
Внутренняя ЭМС для каждого из устройств обеспе-
чивается совокупностью рациональных конструктивных
решений всех узлов (Vi, V2, Уз, • • •> У г, • • •> Уп), обра-
зующих устройство СВЧ. Нужно отметить: что часто
внешняя и внутренняя ЭМС в устройствах СВЧ дости-
гается не только в результате комплексных конструк-
тивных решений отдельных узлов, но и принципиальных
целенаправленных изменений всей конструкции. Приме-
ры подобных конструктивных решений приведены
в гл. 3 и 4.
§
1.3. Основные конструкторские задачи
по обеспечению ЭМС
В зависимости от принципа действия СВЧ устрой-
ства, его назначения, технических условий к устройст-
ву, компоновки, количества и вида примененных ком-
плектующих узлов и других физических и технических
СВЧ устройство
Узлы СВЧ устройства
Рис. 1.2. Экранирование устройства СВЧ от внешнего электромаг-
нитного излучения
факторов обеспечение внешней и внутренней ЭМС кон-
структорскими способами будет различным. Рассмотрим
основные конструкторские задачи.
Частное или общее экранирование от внешнего элек-
тромагнитного излучения. Такая задача возникает, когда
необходима защита от влияния внешних электромаг-
нитных полей. В данном случае предполагается, что
в защищаемом объеме устройства СВЧ располагается
чувствительный к электромагнитному излучению эле-
мент (или элементы), а достаточно мощный источник
(или источники излучения) располагаются вне этого
устройства и никак не связаны с ним принципом дей-
ствия или назначения. Рис. 1.2 иллюстрирует эту конст-
рукторскую задачу частного или общего экранирования
устройства СВЧ от внешнего излучения. На эскизе че-
рез ei, ег, ..., ег- обозначены расчетные значения элек-
тромагнитных параметров узлов, а через Ei, Ег, ..., Ег- —
выходные расчетные значения электромагнитных харак-
теристик; штриховыми линиями и символами Э], Э2, ...,
..., Э{ — внешние электромагнитные паразитные излу-
чения. Поскольку внешние паразитные электромагнит-
ные излучения всегда, а параметры и характеристики
устройства СВЧ очень часто представляют Направлен-
ные электромагнитные потоки, то все величины здесь и
далее обозначены векторами.
В общей аналитической записи данную задачу ЭМС
можно представить так: пусть
Е»-—f (®1» ®2» • • •» ®ft» • • •» Cm) > <—=1, 2, 3, . . Л,
(1.1)
есть расчетная функциональная зависимость i-й выход-
ной характеристики устройства СВЧ от расчетных па-
раметров узлов. Влияние внешних электромагнитных
излучений на £-й узел представим в виде
Деь==Фл(Э1, Э2, Эь ..., Эя), (1.2)
k=l, 2, 3, ..., /и,
тогда действительное значение i-й характеристики
устройства равно
Е$-{-АЕг=/$(ei+Aei, ..., Cm4-Acm)> (1*3)
а соблюдение неравенства
|AEi|==f4(ei+Aei, Cm+Aem)—
fi (Ct, .. ., Cm) <AE{ доп (1.4)
(где ДЕ<Доп — допуск на i-ю характеристику СВЧ
устройства) гарантирует отклонения Ег в пределах за-
данного допуска на эту величину.
Для наиболее часто встречающегося случая, когда
на устройство СВЧ воздействует один источник элек-
тромагнитного излучения, неравенство (1.4) должно со-
блюдаться при
Aeh=<ph(9i). (1.5)
Когда защите от внешнего излучения подлежит толь-
ко один узел (например, &-й) устройства СВЧ, то (1.4)
упрощается:
| АЕг | = |Д (eft+Aeft) —fi (eft) | < АЕг доп. (1.6)
В своей практической реализации задача частного
или общего экранирования от внешнего излучения сво-
дится к расчету и конструированию электромагнитных
экранов для СВЧ детекторных и смесительных головок
и высокочувствительных приемников СВЧ, удовлетво-
ряющих соответственно условиям (1.4) и (1.6). Принци-
пиальной особенностью этой задачи является необхо-
димость создания конструкций электромагнитных
экранов и корпусов устройств СВЧ, способных во всех
возможных диапазонах частот и мощностей, воздейст-
вующих на конструкцию, обеспечить нормальную (в пре-
делах заданных условий) работу радиоаппарата.
Рис. 1.3. Защита узлов устройства СВЧ от внутреннего источника
электромагнитных помех
Частное или общее экранирование от внутреннего
электромагнитного излучения. Подобная задача возни-
кает при необходимости защитить от конкретного источ-
ника электромагнитного излучения, находящегося вну-
три данного устройства СВЧ, другие узйы этого устрой-
ства или любое другое радиотехническое устройство,
располагаемое в непосредственной близости от данного
(рис. 1.3). Условие обеспечения ЭМС в аналитической
форме запишем: для i-й выходной радиохарактеристики
I СВЧ устройства (см. рис. 1.2)
Ei=^fi(ei, е2, .... eft, ..., ет), t=l, 2, ..., п, (1.7)
при воздействии излучения электромагнитного источни-
ка, находящегося в СВЧ устройстве,
EfJ-AEi— A(ei-f-Aei, ...,
eft4-Aeft, ..., ew4-Aew); (1.8)
П
если источник паразитного излучения один, то, как и
в простейшем варианте первой задачи, выражение (1.5)
можно записать
Де/1=ф/1(Э1), k=A, 2, 3, ..., m, (1.9)
но условие нормальной работы I устройства СВЧ по i-й
характеристике будет выполняться при определении не-
равенства
| AEi| = |ft(ei+Aei, ..., eft +
+Ае/г)—f2(eb ..., eft) | <АЕ г доп. (1-10)
Паразитное излучение Э1 от источника, находящегося
в I устройстве СВЧ, может проникать в расположенное
рядом II устройство СВЧ, нарушая работу его отдель-
ных узлов или устройства в целом. Если ЭДОП(У11) —
допустимый уровень паразитного излучения в замкнутом
объеме Vn устройства СВЧ, то условие его нормальной
работы запишем в виде простого неравенства
|Э1(Уп)|<ЭДоп(Уи), (1.П)
где Э1(Уц)—реальный уровень паразитного излучения
в объеме конструкции II СВЧ устройства.
Как правило, местоположение устройства, его рабо-
чая частота и мощность источника известны. Задача
также сводится к расчету и конструированию электро-
магнитных экранов для СВЧ генераторов (магнетронов
и клистронов) и корпусов передатчиков, удовлетворяю-
щих условиям (1.10) и (1.11). Сложность конструктор-
ских работ состоит в необходимости сохранения задан-
ных техническими условиями и выбранным принципом
действия всех других электромагнитных и механических
• связей в устройстве СВЧ.
Электрогерметичность сложных СВЧ схем и волно-
водных трактов. Многие устройства СВЧ и линии пере-
дачи электромагнитной энергии радиолокационных
станций, как правило, строятся на стандартных элемен-
тах и узлах. Действительные радиотехнические харак-
теристики подобных устройств зависят не только от
выбранной электрической схемы и комплектующих схе-
му узлов, но и в значительной степени от качества их
электрического соединения. Элементы соединений также
изготовляют стандартными, однако в зависимости от
типа соединения, из-за несовершенства их производства
12
и погрешностей их сборки в единую схему электрогер-
метичность в местах соединений имеет конечную величи-
ну. Все это приводит к утечке в местах соединений ча-
сти электромагнитной энергии и проникновению элек-
тромагнитной энергии от других соединений СВЧ схемы.
В результате паразитных связей (рис. 1.4) нарушаются
расчетные значения, амплитудно-фазовые соотношения
Рис 1.4. Электрогерметичность сложных схем СВЧ и волноводных
трактов
волн, распространяющихся в волноводных трактах, и
устройство СВЧ начинает работать неустойчиво или во-
обще не решает поставленной задачи. Конструкторская
задача по обеспечению электрогерметичности протяжен-
ных волноводных трактов и сложных многоэлементных
СВЧ схем в общей записи имеет вид (для i-й радио-
технической характеристики схемы)
|AEt| = |ft(ei + Aeb ..., ek+
+Aeft, .... вт+Аё.п)—fi(ei,
62, . . Cfe, . . ., вщ) | Ej доп-
(1-12)
В сложной волноводной схеме, имеющей большое
число несовершенных по своей электрогерметичности
конструктивных соединений, помехи на СВЧ могут быть
13
взаимными и перекрестными, поэтому при реализации
условия (1 12) следует иметь в виду, что
Aefe=(pft(3i, Э2, .. ,
ЭЛ+1, .... Э6 . , Э„), £=1, 2, .... У (1 13)
На практике задача обеспечения электрогерметич-
ности для конструктора разбивается на две частные’
— разработка и конструирование или подбор соот-
ветствующих типов разъемных соединительных волно-
водных элементов, отвечающих техническим условиям,
— компоновка СВЧ схемы и конструирование несу-
щей конструкции, обеспечивающей такую механическую
жесткость и взаимную электромагнитную стабильность
значений параметров компонуемых узлов в объеме кон-
струкции, чтобы для каждой выходной радиотехниче-
ской характеристики СВЧ схемы выполнялось неравен-
ство (1 12)
Обеспечение ЭМС конструктивных элементов и узлов
в ближней зоне антенн СВЧ. При разработке острона-
правленных антенн СВЧ часто для формирования вы-
бранных характеристик излучения необходимо в ближ-
ней зоне располагать дополнительные конструктивные
эчементы и узлы, которые могут затенять раскрыв и
создавать отраженные волны В результате этого нару-
шаются предусмотренные расчетом амплитудно-фазовые
характеристики поля в бчижней зоне антенны и харак-
теристики антенны отклоняются от расчетных
На рис 1 5 показана конструктивная схема зеркаль-
ной антенны СВЧ с рупорным облучателем, которая
расположена под радиопрозрачной оболочкой (обтека-
телем) На расчетные характеристики антенны Et (на-
пример, усиление), Е2 (например, уровень бокового из-
лучения), , Е, (например, режим распространения
в тракте) влияют поля Эь Э2, , Эг, получающиеся
в результате однократных или многократных отраже-
ний основных полей от различных конструктивных
узлов (в данном случае от радиопрозрачной стенки и
облучателя) Зацача конструктора сводится к такой про-
работке конструкции зеркальной антенны, ее отдельных
узлов и их взаимной компоновки, чтобы уменьшить
взаимные помехи, при которых реальные отклонения
характеристик антенны будут в пределах допустимых
14
Если же для i-й характеристики антенны (как и для
всех других) выполняются такие общие неравенства
|ДЕ<|=А(ЭЬ Э2.....Эг_____Э„)<ДЕ гдоп,
1=1, 2, 3, (1.14)
то задача по обеспечению ЭМС в конструкции антенны
СВЧ будет решена.
Рис. 1.5. Обеспечение ЭМС конструктивных элементов и
узлов в ближней зоне антенн СВЧ
Если учесть взаимные перекрестные и многократные
электромагнитные связи через отраженные поля как
между Ei, Е2, ..Ег-, так и между ДЕ1, ДЕ2, ..ДЕг-, то
станет ясным, насколько сложна конструкторская про-
блема обеспечения ЭМС в антенная СВЧ. Эта проблема
в зависимости от типа антенны СВЧ и особых требова-
ний к ее характеристикам и конструкции решается раз-
лично.
Далее в качестве примеров будут рассмотрены толь-
ко некоторых из них, характерные для наиболее рас-
пространенного типа антенн СВЧ — конструкций зер-
кальных антенн.
Обеспечение ЭМС близко расположенных приемно-
передающих антенн СВЧ. На рис. 1.6 показаны две
антенны, одна из которых (передающая) в непрерывном
15
режиме излучает значительную мощность (Ei), а дру-
гая (приемная) должна устойчиво воспринимать слабый
отраженный сигнал от цели (Е2). Задача усложняется
тем, что кроме расчетного сигнала «просачивания» (EJ
и «паразитного» сигнала связи непосредственно между
антеннами (Эг) в реальных системах антенн имеют ме-
сто многочисленные мешающие отраженные сигналы от
элементов и узлов конструкций, радиопрозрачной обо-
Рис. 1.6. Обеспечение ЭМС близко расположенных конструкций при-
емопередающих антенн СВЧ
лочки, подстилающей поверхности и т. п. (переотражен-
ные сигналы Э1 и Э2). Главным параметром, определяю-
щим ЭМС двух приемно-передающих антенн непрерыв-
ного излучения, является полная величина сигнала про-
сачивания в приемную антенну. Этот суммарный сигнал
Ег с учетом взаимных связей за счет переотражений
в общем виде представим так:
Еы = Е, + Э, (Е,) + Э, (Е,)+ЭДЕ,) +... (1.15)
Из рис. 1.6 видна явная зависимость всех слагаемых
правой части выражения (1.15) от взаимной компонов-
ки антенн и варианта конструктивного решения системы
16
(антенны СВЧ — радиопрозрачная оболочка). Для из-
бранной электрической схемы включения и работы
антенн СВЧ условие ЭМС по суммарному сигналу про-
сачивания имеет вид
|Ej<Ezaon. (1.16)
Выполнение неравенства (1.16) только конструкторски-
ми приемами — сложная техническая задача, которую
редко удается решить, не прибегая к изменению прин-
ципиальных схем антенн или к специальной обработке
СВЧ сигнала.
1.4. Параметры и характеристики для количественной
оценки ЭМС
Конструкторские задачи по обеспечению защиты от паразитных
внешних и внутренних электромагнитных излучений являются схо-
жими в том смысле, что они сводятся к расчету и конструированию
электромагнитных экранов и защищающих от паразитных излуче-
ний корпусов. Для количественной оценки качества экранов и за-
щитных корпусов используются следующие параметры [4, 5]:
— коэффициент экранирования Кэ, равный отношению напря-
женности электрического поля (Еэ) или магнитного поля (Нэ) в се-
чении на половине толщины экрана напряженностям в том же месте,
но без экрана:
Кэ=|Еэ|/|Ео| = |Нэ|/|Но|) (1.17)
— экранное затухание, равное
Лэ [дБ] =20 lg (1/Лэ) (1.18)
— коэффициент реакции экрана Лр, равный относительному ко-
эффициенту отражения волны поля помехи от экрана,
/?Р=Л(ЕО; Но). (1.19)
Полную эффективность экрана 5Э удобно оценивать в децибелах
как сумму относительного ослабления поля помехи полным дей-
ствием экрана, т. е. за счет потерь на поглощение по всей толщине
экрана Лэ погл и относительных потерь на отражения от наружной
поверхности экрана Лэ отр
5в=Лэ ПОГЛ -j-Лэ отр (1 20)
В зависимости от частотного диапазона сигнала помехи, материала
экрана, его конструкция и некоторых других факторов относитель-
ные значения слагаемых в правой части выражения (1 20) могут
значительно отличаться. При использовании перфорированных и сет-
чатых экранов, а также при конструировании экранирующих корпу-
сов для устройств СВЧ применяются и некоторые другие коэффи-
циенты и параметры для оценки эффективности экранирования,
а также общеизвестные критерии теории конструирования и компо-
новки радиоаппаратуры.
2—852
Качество электрогерметичности стандартных или специальных
конструктивных соединений СВЧ узлов и отрезков СВЧ тракта при-
нято определять через два коэффициента [6, 7]:
— коэффициент электрогерметичности
ЛГг[дБ]=101£ (Ро/Лтэл), (121)
где Ро — мощность в месте соединения, Ризл — мощность паразит-
ного излучения через соединение,
— коэффициент вносимых потерь
а [дВ] = 101£(Рпот/Ро), (1.22)
где РПот — активные потери СВЧ мощности из-за несовершенства
конструкции и монтажа разъемного соединения.
Основные коэффициенты для оценки качества экранов (1.18),
(1.20) и электрогерметичности соединений (1.21), (1.22), отражают
энергетическую сторону протекающих электромагнитных процессов.
Кроме того, для количественных абсолютных оценок при иссле-
довании и при экспериментальной доводке конструкций узлов и
устройств СВЧ применяют общеизвестные методы и приборы для
контроля параметров волноводных трактов и СВЧ схем, а также
методы оценки их электопрочности. Как видно из выражения (1.14),
несовершенство конструкторской проработки и компоновки узлов
в ближнем поле СВЧ антенны приводит к ухудшению собственных
параметров антенны и характеристик ее излучения. Поэтому, напри-
мер, качество ЭМС конструкторских узлов в антенне в этом случае
удобно определять через безразмерный коэффициент качества СВЧ
конструкции [8]
I Е/т I I (Э,, э2, ...» Эд,) |
Кк = !-----------, (1.23)
где Е{т — теоретическое значение параметра или характеристики
антенны; ДЕ, (Э1, Э2, ..., 9jv) —изменение этого параметра или ха-
рактеристики из-за несовершенства конструкции антенны и компо-
новки ее узлов в ближней зоне. Коэффициент Кк может, например,
показывать относительное к расчетному падение усиления антенны
или увеличение КСВ в тракте, питающем облучатель. Для идеально
выполненной конструкции наименьшая допустимая величина этого
коэффициента находится из (1.23) заменой ДЕ, (Эц Э2, ..., Эдг)
на ДЕгдоп
Для обеспечения устойчивой работы системы двух антенн
(рис. 1.6) большое значение имеет величина развязки в относитель-
ных единицах
[дБ] =10 1g ] Риз л прд/Рпрос прм I , (1 24)
где Ризл прд— мощность излучения передающей антенны; РПрос при—
полная мощность просачивания из передающей антенны в приемную
(на рис 1 6 этот параметр обозначен через Е,).
При экспериментальной обработке конструкций антенн может
возникнуть необходимость измерять и обычные для техники антенн
параметры, например: коэффициент усиления, уровень бокового и
заднего излучения, КСВ облучателя, искажения в поляризационной
характеристике и т п Перечисленные параметры и характеристики,
применяемые для оценки качества ЭМС в различных типах кон-
струкций, совсем не исчерпывают всех тех возможных случаев и ва-
риантов, которые могут встретиться при конструировании Конструк-
тору часто приходится видоизменять и дополнять известные пара-
метры и вводить новые критерии оценки ЭМС для данной СВЧ кон-
струкции
2. Физические основы экранирования
и электрогерметичности СВЧ конструкций
2.1. Характеристика электромагнитного поля
и особенности СВЧ диапазона
Электромагнитное поле и факторы, определяющие ха-
рактеристики и условия его распространения. Комитетом
технической терминологии АН СССР принято следую-
щее определение электромагнитного поля Электромаг-
нитное поле — особая форма (вид) материи, отличаю-
щейся непрерывным распределением в пространстве
(электромагнитные волны) и обнаруживающей дискрет-
ность структуры (фотоны), характеризующейся способ-
ностью распространяться в вакууме (в отсутствие
сильных гравитационных полей) со скоростью, близкой
к 3-108 м/с, оказывающей на заряженные частицы си-
ловое воздействие, зависящее от их скорости [1, 2]
Объективно существующей реальностью является
единое электромагнитное поле в виде нецелимой сово-
купности электрического и магнитного полей Деление
его на электрическую и магнитную составляющие обу-
словлено только условиями конкретного опыта, т е усло-
виями измерения параметров электромагнитного поля
или принципом работы радиотехнического устройства
Последнее положение всегда следует иметь в виду при
решении задач экранирования и электрогерметичности
в конструкциях устройств СВЧ
Электромагнитное поле характеризуется- Е —векто-
ром напряженности электрического поля, D — вектором
электрического смещения или электрической индукции,
Н — вектором напряженности магнитного поля, В — век-
тором магнитной индукции [1, 2] Кроме того, с элек-
тромагнитным полем связаны заря цы q и токи i, созда-
ваемые полем или создающие это поле Определить
2* 19
электромагнитное поле в какой-либо области простран-
ства (например, за экраном)—это значит указать век-
торы поля в любой точке этого ограниченного прост-
ранства.
Классификация сред. Электромагнитные параметры
сред. Если свойства средЬт не меняются с течением вре-
мени, то среда называется средой с постоянными пара-
метрами, в противном случае — средой с переменными
параметрами. Среда однородна, если ее свойства не за-
висят от координат; если же зависят, то это среда —
неоднородна. Если свойства среды не зависят от напря-
женности поля, то она называется линейной, в против-
ном случае — нелинейной. Изотропной называется среда,
если ее свойства не зависят от ориентации векторов
поля в пространстве; если же зависят, то среда анизо-
тропная [1, 3].
На практике используется разграничение сред по зна-
чениям их удельной электрической проводимости
сг [См/м]. Это позволяет все среды (а, следовательно,
и применяемые в технике СВЧ материалы) условно
разделить- на проводники (о^>1), диэлектрики (cr<< 1),
полупроводники (100>€г>0,01). Для обеспечения в кон-
струкциях устройств СВЧ ЭМС в качестве основных
материалов используют проводники (металлы и их спла-
вы), диэлектрики и полупроводники (поглощающие
СВЧ энергию материалы). Как правило, это однород-
ные, линейные и анизотропные электротехнические ма-
териалы с постоянными параметрами.
Для оценки электрической поляризуемости и маг-
нитной восприимчивости сред и материалов применяют
электротехнические параметры: 8Г — относительную ди-
электрическую проницаемость и цг — относительную
магнитную проницаемость. Потери в среде (материале),
обусловленные электрическим полем, принято выражать
через тангенс диэлектрических потерь tg бЕ, а потери
обусловленные магнитным полем, — через тангес маг-
нитных потерь tgS^. В радиоэлектронике и технике
СВЧ имеют дело с материалами, а не со средами, од-
нако приведенные все основные параметры правомерны
и действенны и для расчетов конструкций СВЧ
устройств.
Технический материал отличается от среды возмож-
ной физической и геометрической неоднородностью на
поверхностях раздела; материал является исходным про-
20
дуктом к созданию элементов и узлов конструкций,
а потому он может и должен нести механические на-
грузки. Кроме того, при сохранении своих физических
свойств в макроскопических объемах, деталь или узел
из-за сложной геометрии и относительно малых раз-
меров на СВЧ часто приобретает радиотехнические па-
раметры и характеристики, отличные от исходных, при-
сущих большим объемам и массам того же материала.
В природе мгновенных скачков электромагнитных
параметров сред нет, а есть плавные, но весьма быстрые
переходы от одних значений параметров к другим на
реальной границе раздела. Однако при теоретическом
рассмотрении макроскопических процессов принято счи-
тать, что резкая граница раздела сред все же сущест-
вует.
Таблица 2.1
Диапазоны спектра радиочастот
Радиочастоты Радиоволны
частоты границы диапазона ВОЛНЫ 1раницы диапазона
Крайне низкие (КНЧ1 Сверхнизкие (СНЧ) Инфра низкие (ИНЧ) Очень низкие (ОНЧ) Низкие (НЧ) Средние (СЧ) Высокие (ВЧ) Очень высокие (ОВЧ) Ультравысокие (УВЧ) Сверхвысокие (СВЧ) Крайне высокие (КВЧ) Гипервысокие (ГВЧ) 3—30 Гц 30-..‘’00 Гц 300—3000 Гц 3—30 кГц 30—300 кГц 300—3000 кГц 3—30 МГц 30—300 МГц 300—3000 МГц 3—30 ГГц 30—300 ГГц 300—3000 ГГц Декамегаметровые Мегаметровые Г ектокиломегровые Мириаметров ые Километровые] Г ектометровые Декаметрювые Метровые Дециметровые,! Сантиметровые Мил лиметровые Децимиллиметро - вые 100 000—10 000 км 10 000—1000 км 1000—100 км 100—10 км 10—1 км 1000—100 м 100—10 м 10—1 м 100—10 см 10—1 см 10—1 мм 1—0,1 мм
Особенности диапазона СВЧ. Спектр радиочастот,
простирающийся до 3-1012 Гц, является частью спектра
электромагнитных колебаний, охватывающего частоты
примерно от 103 до 1022 Гц. Весь спектр радиочастот
разбит на 12 диапазонов (табл. 2.1) [4, 5].
Электромагнитные колебания диапазонов УВЧ, СВЧ,
КВЧ, ГВЧ обладают общими физическими особенностя-
ми и свойствами, отличающими их от других участков
спектра радиочастот. Конструкторско-технологическая
реализация устройств этих диапазонов также имеет об-
щие принципы. Поэтому иногда термин «диапазон СВЧ»
21
применяют для области радиочастот, простирающейся
от 300 МГц до 3000 ГГп.
Вопросы ЭМС в конструкциях устройств СВЧ, рас-
сматриваемые в настоящей брошюре, решаются приме-
нительно к диапазону сантиметровых и миллиметровых
волн (СВЧ и КВЧ). Основные особенности диапазона
СВЧ, определяющие единый подход к конструированию
экранов, электрогепметичных волноводных соединений
и других чалов, обеспечивающих ЭМС в устройствах
СВЧ Г5. 6] следующие.
1. Физические размеры конструкции соизмеримы или
намного превышают рабочую длину волны связанного
с ней электромагнитного ппоиесса, Фазовое запаздыва-
ние электромагнитного процесса для любых двух про-
извольных точек конструкции меняется в пределах
J)—пл. Так, если вдоль металлической поверхности (на-
пример внутри экрана или дроссельного волноводного
флантта). являющейся частью СВЧ конструкции, рас-
пространяется электромагнитная волна, то фазовый
сдвиг для крайних участков будет равен
ср=(2л£к)/^п, (2.1)
где LK— физический размер элемента СВЧ конструк-
ции. В результате получается так называемая неквази-
стационарная система, в которой необходимо учитывать
фазовое запаздывание. Расчет волноводных электрогер-
метичных дроссельных фланцевых соединений и опенка
резонансных свойств внутренней полости экрана выпол-
няется на этом основании.
2. Глубина проникновения тока (а следовательно, и
электромагнитного поля) в проводники составляет еди-
ницы или десятки мкм. В этой связи все конструктивные
узлы, обеспечивающие внешнее и внутреннее экраниро-
вание (т. е. экраны и электрогерметичные корпуса из
металла), должны иметь механический носитель, т. е.
прочную и жесткую конструктивную основу, восприни-
мающую все механические нагрузки.
Это свойство СВЧ поля, проникать на малую глуби-
ну в проводники, можно использовать для конструиро-
вания электромагнитных экранов из несущего диэлек-
трика с тонким покрытием металла.
3. Диэлектрики и полупроводники приобретают осо-
бые радиотехнические свойства, которые также исполь-
зуются при конструировании узлов, предназначенных
22
для решения различных конструкторских задач по обес-
печению ЭМС в СВЧ устройствах.
Последнее открывает перед радиоконструктором ши-
рокие возможности в выборе принципа действия и кон-
структорско-технологической реализации узлов. В пер-
вую очередь это относится к диэлектрическим экранам,
хорошо отражающим волны СВЧ, тонким металличе-
ским пленкам и объемным узлам из полупроводника,
применяемым для эффективного поглощения энергии.
4. Волны СВЧ диапазона по характеру распростра-
нения приближаются к световым, т. е. обладают квази-
оптическими свойствами; принцип работы некоторых
типовых крупноразмерных устройств СВЧ (например,
дифракционных антенн, открытых резонаторов, лучевых
линий передачи, радиопрозрачных обтекателей антенн
из диэлектрика) совпадает с принципом действия соот-
ветствующих аналогов из оптической техники. Поэтому
эффект оптической тени, поляризационный эффект, ис-
пользование закономерностей прохождения через гра-
ницы раздела диэлектриков с различными свойствами
в технике СВЧ могут быть использованы при решении
различных конструкторских задач.
5. Все конструктивные элементы и узлы, цель которых
обеспечить тот или иной вид ЭМС, по своей сути пред-
ставляют собою специализированные, функциональные и
неотъемлемые части конструкции устройства СВЧ.
Общность исходных теоретических положений приво-
дит и к общности их конструкторско-технологических
решений в том смысле, что методы конструирования и
технологии СВЧ узлов, применяемые только для обес-
печения ЭМС, совпадают с известными методами конст-
руирования и технологии типовых устройств СВЧ. Это
позволяет радиоконструктору при разработке и реали-
зации устройств, обеспечивающих ЭМС, использовать
все теоретические достижения и практический опыт
техники СВЧ.
2.2. Электромагнитные волны в изотропных
и однородных средах с потерями
Для изучения процесса распространения электромаг-
нитных волн в различных реальных средах (материа-
лах) и направляющих системах служат так называемые
волновые уравнения, вытекающие из решений уравнений
23
Максвелла. Наиболее часто для этих целей применяют
волновые уравнения для векторов поля Е и Н, которые
наряду с пространственными производными второго по-
рядка содержат также и производные по времени.
При распространении электромагнитного поля в лю-
бом материале происходит перенос энергии. Если в объ-
еме И, ограниченном поверхностью 5, имеется запас
электрической (Эе) и магнитной Эт энергией, соответ-
ственно равных
9e=^dV и 3,„={^dV,
V V
(где в и р,— диэлектрическая и магнитная проницаемо-
сти среды), и с течением времени убывает этот запас:
4(Э« + ЭЛ = f°£W-|- f [EXH]„dS, (2.2)
V s
то первый член в правой части уравнения (2.2) дает
энергию тепловых потерь в единицу времени, а второй—
энергию, выходящую через поверхность S в единицу
времени. Плотность потока энергии в единицу времени
определяется вектором Умова — Пойтинга
^-п = (ЕХН]. (2.3)
Соотношения (2.2) и (2.3) полно описывают энерге-
тическую сторону прохождения электромагнитной энер-
гии через среду или материал.
В диэлектрике с потерями, т. е. в техническом ма-
териале и диэлектрике с замедленными механизмами
поляризации, происходящими из-за рассеяния энергии,
уравнения Максвелла приобретают вид системы урав-
нений в комплексной форме [1, 3]:
[VXH1 = («,+/».) Е;
(2.4)
(V X Ё] = —
где со — угловая частота; О/— удельная активная про-
водимость на данной частоте, учитывающая как сквоз-
ную электропроводность, так и активные составляющие
поляризационных типов. Первое уравнение в системе
24
(2.4) сохраняется в прежней форме, если вместо е вве-
сти абсолютную комплексную диэлектрическую прони-
цаемость е в таком виде
/сое = о f у сое. (2.5)
Абсолютная комплексная диэлектрическая проницае-
мость определяется через тангенс угла потерь:
е = е (1 — / tg8e). (2.6)
Через s волновые уравнения, полученные из (2.4), можно
записать в виде
= — spzo2E и V2H = —е^»2Н. (2.7)
Для плоской волны, распространяющейся в направ-
лении z в реальном диэлектрике с потерями, решение
уравнений (2.4) дается функциями
Ех=Етехр [—az] exp [/соХ (/—z/иф)];
(2.8)
Ну=Нте*р [—az] exp [/юХ (/—z/Цф—<р/со)],
где <p — фазовое запаздывание поля Е к полю Н\ Ех и
Ну — взаимно ортогональные составляющие электриче-
ского и магнитного полей, участвующие в переносе энер-
гии и лежащие в плоскости, перпендикулярной направ-
лению распространения z; Ет и Нт—амплитудные зна-
чения составляющих электрического и магнитных по-
лей.
Из-за потерь в материале происходит рассеяние энер-
гии и одинаковое затухание амплитуды обеих состав-
ляющих. Коэффициент затухания электромагнитной
волны в реальном диэлектрике равен (см. формулу
(2.8)) [3]
a = 1,48 • 10 -1 f ]Лг (Ю + 0g 8,)’ + 1), (2.9)
(здесь и далее f в герцах), а фазовая скорость Цф рас-
пространения волны в диэлектрике с потерями
Г и 1 4,23-Ю8
3=3 с /----у ------
1- J V er(Kl + (tg38)2 ь 1)
(2.Ю)
где с — скорость света б вакууме.
?5
Электрическая Ех и магнитная Ну составляющие
волны в однородном изотропном диэлектрике с поте-
рями отличны по фазе на величину
с? = 0,5 arctg (е"/ег) 8/2, (2.11)
где в"—мнимая часть комплексной диэлектрической
проницаемости, равная
s" = Mg8e. (2.12)
Последнее позволяет через sr и tg 8е записать выражение
для удельной проводимости диэлектрика или полупровод-
ника
Gf [См/м] =(O£0Sr tg8e> (2.13)
где 8о — абсолютная диэлектрическая проницаемость
вакуума, приблизительно равная 8,86-10~12 Ф/м.
Если диэлектрик находится в мощных электромаг-
нитных полях, то абсолютное значение мощности поля,
рассеиваемой в 1 м3 диэлектрика (т. е. удельные ди-
электрические потери) [4],
г Вт 1
р ---- г 5
L .1 1,8-Ю10 ’
где Е — напряженность электрического поля, В /м.
Значительные тепловые потери в массе диэлектрика
сопровождаются повышением его температуры на ве-
личину [3]
4 [-Ssr] = 8-10-’/^*—(2.15)
здесь р —плотность диэлектрика; с — его удельная теп-
лоемкость. При этом с увеличением физической темпе-
ратуры могут изменяться параметры er ntg8e> т. е. ха-
рактеристики материала становятся нелинейными.
Поглощающие свойства диэлектрика могут быть оха.
растеризованы произведением srtg8e. Материал, у кото
рого это произведение достаточно велико, обладает
‘большим коэффициентом затухания а (см. формулу
. (2'9) и с успехом может применяться в широкой поло-
се* частот как устройство, поглощающее энергию пара-
зитных электромагнитных источников.
?6
Радиопоглощающие Материалы (РПМ) в техпйкё
СВЧ широко используются при создании специализи-
рованных безэховых помещений, в качестве поглощаю-
щих покрытий корпусов СВЧ приборов, для заделки
щелей в конструкциях корпусов, для увеличения элек-
трогерметичности разъемных и неразъемных соединений,
а также в качестве неотражающих СВЧ нагрузок и ло-
кализирующих поглотителей энергии в СВЧ'узлах.
2.3. Электромагнитные волны на плоской границе
раздела воздух—проводник. Физические принципы
действия металлических экранов
Для выяснения принципов действия металлических
экранов и электрогерметичных корпусов рассмотрим
случай нормального падения плоской электромагнитной
волны на границу раздела воздух — проводник [1, 7].
Воздух и проводник — это две среды, где закономерно-
сти распространения электромагнитных волн резко от-
личны друг от друга.
Волновое сопротивление свободного пространства
(воздуха) равно
Wo =/ц0/е0 = 377 Ом,
(2.16)
где цо — абсолютная магнитная проницаемость воздуха,
приблизительно равна 1,26* 10~6 Г/м.
В воздухе электромагнитные волны практически не
затухают. В отличие от воздуха и вакуума коэффициент
затухания ам для всех проводников всегда достаточно
велик, так как велики значения удельной проводимо-
сти, а они возрастают с увеличением частоты (см. фор-
мулу (2.13)). Полагая для металлов ег^1, по аналогии
с (2.16) выражение для волнового сопротивления про-
водника можно записать
так как }// = (1
Таким образом, U7np->0 для ст/->оо и электромагнит-
ное поле не может проникать в проводники на значи-
тельную глубину.
Вследствие большого значения ам электромагнитное
поле в проводнике быстро затухает. Это приводит к то-
27
му, что на СВЧ ток сосредоточивается в поверхностном
слое проводника. Указанное явление носит название по-
верхностного эффекта или скин-эффекта. Для характе-
ристики поверхностного эффекта применяют понятие
эквивалентно!! глубины проникновения ze, на которой
интенсивность электромагнитного поля (и плотность то-
ка) уменьшается в е^2,72 раза. Поэтому
ге [м] ам = У 2/юр.ом = (т#ом)~1/2. (2.18)
Сопротивление СВЧ току поверхностного слоя про-
водника принято оценивать через поверхностное сопро-
тивление на произвольный квадрат токонесущей поверх-
ности проводника
[Ом] = (гЛ)-'. (2.19)
По аналогии с выражением (2.11) можно определить
фазовый сдвиг между напряженностями электрического
и магнитного полей, для проводника он будет равен
ср ^45° (так как tg(p=a/p« 1). (2.20)
Это значит, что энергия СВЧ поля, падающего на про-
водник, не теряется в нем на нагрев, а практически вся
отражается. Почти полное отражение электромагнитных
волн от поверхности проводника также можно объяс-
нить, исходя из факта значительного скачка волновых
сопротивлений на границе раздела свободное прост-
ранство— проводник. Здесь физическая картина отра-
жения электромагнитных волн подобна той, которая
имеет место при соединении двух линий передачи с рез-
ко отличающимися волновыми сопротивлениями. По-
этому формулы для расчета коэффициентов отражения
и прохождения можно заимствовать из теории длинных
линий.
Так при нормальном падении волны на границу раз-
дела свободное пространство (Wo= У|i0/s0 ^337Ом)) —
проводник (№цр), то коэффициент отражения R и коэф-
фициент прохождения Т могут быть выражены через
волновые сопротивления этих сред
R= (Fnp- Fo) I (Wo + Fnp), (2.21)
T=2Fnp/(Fo+Fnp). (2.22)
Когда проводник обладает идеальной проводи-
мостью (aM-^oo), то 1Гпр=0, R=—1 и Т=0, т. е. элек-
28
тромагпитное поле полностью отражается ot металличе-
ской поверхности. В данном случае проводник оказывает-
ся идеальным экраном*-отражателем электромагнитных
волн. Поэтому экранирующее действие металлического
экрана получается за счет потерь электромагнишой
волны на отражение.
При нормальном падении волны перед проводником-
экраном имеет место стоячая электромагнитная волна,
где Е и Н по фазе сдвинуты на 90°; передача энергии
в проводник отсутствует, так как вектор Умова — Пой-
тинга [см. формулу (2.3)] для проводника должен быть
равен нулю. В действительности взаимодействие про-
водника-экрана с электромагнитным полем несколько
иное по следующим причинам. Во-первых, даже для чи-
стых металлов проводимость имеет конечное значение
и расчетные значения глубин проникновения тока в наи-
более широко применяемые в технике СВЧ металлы
составляют в метрах:
Для латуни ге= 127,0/
Для алюминия ге = 85,0//Л при р.м^: 1000 p.e, f —
меди ге = 67,0/1//, частота, Гц.
серебра ze = 64,0/|//.
железа ге = 5,0/К/
Поэтому длю любого металла l^np^O, и в соответствии
с выражениями (2.21) и (2.22) /?<1 и Г>0, т. е. все-та-
ки часть энергии электромагнитного поля проникает
в проводник-экран и теряется на его нагрев.
Во-вторых, поверхность металлов по технологическим
причинам всегда имеет микронеровности (шероховатость
поверхности), которые соизмеримы или превышают рас-
четные значения глубин проникновения тока, кроме того,
по тем же причинам поверхностная пленка всегда имеет
физическую неоднородность и худшую проводимость,
чем основная масса металла. Все это приводит к зна-
чительному росту фактического поверхностного сопро-
тивления /?□ по сравнению с расчетным его значением
и к появлению реактивной составляющей поверхностно-
го сопротивления особенно, если на поверхность про-
водника-экрана нанесены декоративные или защитные
пленки и покрытия. В результате нарушается фазовое
соотношение (2.20), в несколько раз возрастают потери
9Q
в реальном экране и коэффициент отражений бказЬЬ
вается ощутимо отличным от 1.
Для отражающих и токонесущих поверхностей экра-
нов и электрогеркгетичных корпусов, как правило, при-
меняют проводящие пленки. Защитную пленку по ве-
личине проводимости аПл трудно подобрать точно в со-
ответствии с проводимостью основного металла ам. Это
Рис. 2 1. Зависимость относительного затухания комбинированного
токонесущего слоя от отношения гп 7 пленки к глубине проникнове-
ния тока в основной металл ге для различных Опл/сгм
несоответствие приводит к фактическому изменению
проводимости получающегося комбинированного токоне-
сущего слоя защитная пленка — основной металл. Отно-
сительное изменение затухания в такой токонесущей
поверхности в зависимости от различных отношений
Ппл/ам И /плМе показано на рис. 2.1.
В технике СВЧ в качестве экранирующих поверхно-
тей часто применяют диэлектрик с нанесенным тонким
слоем металла, например стекло (прозрачное в види-
мом спектре) с тонкой пленкой напыленного металла.
Для тонких металлических пленок (2е^>/Пл), нахо-
дящихся в электромагнитном поле, коэффициенты отра-
жения |7?|2, передачи |Т|2 и потери в пленке Лют не
зависят от частоты, проводимости наносимого металла
30
и свойств подложки, а определяются только ^поверхност-
ным сопротивлением
На рис. 2.2,а приведено графическое изображение
|р|2, |Т|2 и Рпот от поляризационного параметра
равного
для перпендикулярной поляризации
•: K^O.S/fcos^ch^;. _<2-23)
Рис. 2.2. Взаимодействие электромагнитного поля с пленкой:
а'-отражение | R | 2, передача [7"[7 и поглощение СВЧ мощности РПОт в ме-
таллической пленке в функции и угла падения <рпад (.Kjjj })*, б — потери ,
в металлической пленке в функции параметра
параллельной поляризации
К Ц = (0,5 cos ?naJ/PQ, (2.24)
где Фпад — угол падения электромагнитной волны на
металлическую пленку-экран.
Можно подобрать такое значение параметра
когда Рпот^50% и |Р|2^50% от всей падающей на
пленку мощности. В этом случае тонкая металлическая
пленка (несмотря на свою малую геометрическую тол-
щину) станет весьма эффективным экраном, экрани-
рующее действие которого приблизительно в равной сте-
пени определяется потерями на отражение и на погло-
щение. Вполне понятно также, что тонкая металличе-
ская пленка-экран всегда требует прочного жесткого
механического основания из диэлектрика.
Оптимальное значение К1(цр а следовательно, и со-
противление металлической пленки легко найти из
31
графика на рис 2 2,6 и по формулам (2 23) и (2 24)
с учетом поляризации и угла падения Для конкретной
СВЧ конструкции экрана на основе тонкой металличе-
ской пленки существует свое оптимальное значение
определяемое структурой и направлением прихода элек-
тромагнитной помехи вблизи экрана Это значит, что
при конструировании экранов следует не только пра-
вильно выбирать исходный материал, но тщательно ана-
лизировать влияние макросвойств и структуры поверх-
ности на фактические параметры экрана, прибегая
в отдельных случаях к использованию экранов с покры-
тиями и комбинированными стенками
Если предположить априорно известным направле-
ние прихода электромагнитной помехи, то и на экране,
как на теле конечных (по сравнению с Хо) размеров
нормально падающая волна будет дифрагировать От
плоской поверхности экрана как от границы раздела
сред волна отразится, у краев экрана падающая и от-
раженная волны несколько исказятся, огибая его При
этом огибающие части этих волн рассеиваются уже не
в виде плоской, а в виде цилиндрической волны, неко-
торая часть которой попадает за экран
В данном случае основные выводы теории дифрак-
ции сводятся к тому, что на границе геометрической
тени (за краями экрана) плотность потока мощности
в четыре раза меньше, чем в свободном пространстве
[1, 2] За экраном, ближе к его краям, существует об-
ласть полутени, где плотность потока мощности (в за-
висимости от условий дифракции) равна некоторому
конечному значению С теневой стороны вблизи центра
экрана должна быть область полной тени,’ однако из-за
затекания СВЧ токов на теневую сторону экрана и из-за
возможности переотражений от других узлов конструк-
ции нельзя гарантировать полное отсутствие электро-
магнитного поля и в теоретической области полной
тени
Таким образом, следует отказаться от применения
плоских малоразмерных экранов для экранирования
узлов устройств СВЧ Применительно к устройствам
СВЧ экран из проводника или из металлической плен-
ки— это всегда замкнутая объемная конструкция, ко-
торая имеет хороший электрический контакт по своему
периметру разъема и внутри которой размещается экра-
нируемый объект Такое обязательное конструктивное
решение экрана распространяется на экранирующие и
электрогерметичные корпуса СВЧ аппаратуры, где осо-
бо важным оказывается соответствующая конструктив-
ная реализация разъемов, выводов, вентиляционных от-
верстий и т. п. Исключение составляют плоские и спе-
циальной формы незамкнутые экраны для открытых
конструкций (например, для антенн СВЧ), которые
используются только для локализации или для измене-
ния характеристик паразитного электромагнитного излу-
чения с заведомо известными параметрами.
2.4. Прохождение электромагнитных волн
через диэлектрические панели. Физические принципы
действия диэлектрических экранов
На СВЧ имеются определенные особенности прохож-
дения электромагнитных волн через диэлектрик. Эти
особенности настолько характерны, что позволяют ис-
пользовать диэлектрические материалы, оформленные
в виде специальных конструкций, в качестве эффектив-
ных электромагнитных экранов и узлов, обеспечиваю-
щих улучшение радиотехнических характеристик антенн
СВЧ.
Остановимся несколько подробнее на физических
принципах взаимодействия электромагнитного поля
с диэлектриком, на основании которых и удается исполь-
зовать его для решения специальных задач по экрани-
рованию.
Количественные оценки для электромагнитных волн,
отраженных и прошедших через плоскопараллельную
пластину диэлектрика, могут быть даны через общеиз-
вестные формулы Френеля [6, 9]. В соответствии с за-
коном сохранения энергии (рис. 2.3)
отр + ^пршЗ* Лтот=^2 + 7’а+Рпот=1,
(2.25)
где Рпад, Рот?, Рпрш, Рпот — соответственно падающая,
отраженная, прошедшая мощности и мощность актив-
ных потерь в диэлектрике. Потери на поглощение (ак-
тивные потери) для простейшего случая, когда фпад=0,
равны
aTO=r27,3ftg8,/'A (2.26)
3—852
33
Если известны sr и tg 6е, а также геометрическая тол-
щина пластины t, то'определить потери на поглощение
можно из приведенной на рис. 2.4 номограммы, по-
строенной для соотношения (2.26). Номограмма позво-
ляет определить потери [дБ] на поглощение и для
углов падения, отличных от 0; для этого вместо t пла-
стины следует брать значение истинного пути прохож-
Рис. 2.3. Прохождение электромагнитных волн через диэлектриче
скую пластину
дения электромагнитной волны в диэлектрике. При от
сутствии потерь в диэлектрике коэффициент прохож-
дения ITI2 для однородной (монолитной) панели вы-
ражается в зависимости от двух параметров 2V и 0
в виде следующего отношения [8]:
= sin201~\ (2.27)
причем
О =. (2^/20) У'вг — sin2 <рпад, (2.28)
а
N и = к . = - C0S<Fnatt - (2.29)
11 Kef — Sin2 упад 1 Ker —sin2 упад
— коэффициенты Френеля для параллельной и перпен-
дикулярной поляризации.
34
х,д5
10
-5
-7
-5
-5
-0
10~5
0,5
0,0
0,3
0,1
0,05
0,00
0,03
0,02
0,01
0,001
x,дБ trVE^/X0
{~0.1
Рис. 2 4. Номограмма для определения потерь на поглощение в ди-
электрике «пот в зависимости от значений /э, 8г, Ло и tg^8
Коэффициент отражения по мощности в предположе-
нии, что РПот—0, можно найти, используя формулу
(2.27) и учитывая вид поляризации падающей на пла-
стину волны
(2.зо)
3!
35
Здесь, как и в (2.27), следует подставлять (в зависимо-
сти от вида поляризации волны) значения соответст-
вующих коэффициентов Френеля.
Пусть Ф— изменение (набег) фазы волны при про-
хождении листа диэлектрика, то
Ф=Чг(2л)/ COS фпадМо) , (2.31)
где Т определяется из соотношения
tgT=[(2V2—l)/2Af] tg 0; (2.32)
значения М и 0 определяются из соотношений (2.28) и
(2.29). Для практического случая нормального падения
волны на диэлектрик выражения (2.27), (2.30) и
(2.31) трансформируются к более простому виду, так
как исчезают сомножители, содержащие срПад- |7"|2=Л
(и, естественно, |*Г=о) в двух случаях:
— для sin 0=0 при 0=тл,
— для т=Л имеем условие
t = (Л./2) [l/Ksr-sin‘<pnaJ, (2.33)
что соответствует при нормальном падении (фПад=0)
толщине панели
ЦГ=1) = Л,/(2/^), (2.34)
когда №=1 (исключая ег=1), при параллельной поля-
ризации падающей волны получим
tg<Pnaa=^er. (2.35)
При таком угле падения вся падающая электромаг-
нитная энергия переходит в диэлектрик в виде прелом-
ленной волны. Следовательно, только волна с парал-
лельной поляризацией при падении под этим углом не
отражается (волна не с перпендикулярной поляризаци-
ей отражается). Этот угол называют углом полного
внутреннего преломления или углом Брюстера <рБ. Для
системы сред свободное пространство — диэлектрик
с малыми потерями угол Брюстера
— для волн, входящих в диэлектрик,
<?Б = arctg ]/sr, (2.36)
36
— для волн, выходящих из диэлектрика,
?B = arctg(l/]/M. (2.37)
При наличии значительных потерь в диэлектрике
(т. е. когда среда, например, полупроводник) коэффи-
циент отражения даже при угле падения, равном углу
Рис. 2.5 Типовая зависимость модуля коэффициента отражения от
угла падения Фпад-'
1 — для перпендикулярной (горизонтальной) поляризации; 2—для параллель-
ной (вертикальной) поляризации, --- вторая среда — диэлектрик без по-
терь, -------------------- вторая среда — полупроводник
Брюстера, не равен нулю, а достигает только некоторого
минимального значения. В этом случае для расчетов ко-
эффициента отражения применяют те же формулы
(2.27) — (2.30) для параллельной поляризации, но при-
нимая в них вместо ег комплексную диэлектрическую
проницаемость 8г=е'—/е".
Для наглядной иллюстрации этого положения на
рис. 2.5 показана типовая зависимость модуля коэф-
фициента отражения от угла падения фпад для случаев:
когда второй средой является диэлектрик с малыми по-
терями и полупроводник.
Конструктора, несомненно, должен интересовать во-
прос о целесообразности применения диэлектрика вме-
сто металла для отражателей и электромагнитных экра-
нов.
37
При удовлетворении неравенства
опл < [8,5 (er+ I)2] До (2.38)
гарантируются лучине отражающие свойства экрана из
диэлектрика с относительной величиной проницаемости
ег, чем из металла с поверхностной проводимостью од
[9]. Если, например, ег=9, Хо=О,О1 м, то для металли-
ческих отражателей с од<85 000 См/м, уже выыдно
применять диэлектрик.
Однако это совсем не значит, что результирующее
экранное затухание диэлектрического экрана будет пре-
вышать затухание металлического; критерием (2.38)
следует пользоваться только тогда, когда необходимо
получить высокие отражающие свойства конструируе-
мого экрана. В этой связи экраны из диэлектрика нахо-
дят применение, главным образом, в технике антенн
СВЧ.
3. Конструирование экранов
и электрогерметичных корпусов
3.1. Технические требования к электромагнитным
экранам и электрогерметичным корпусам
Одним из способов достижения внутренней ЭМС
устройств СВЧ является экранирование. Под экраном
понимается функциональный узел СВЧ, представляю-
щий замкнутую пространственную конструкцию, охва-
тывающую экранируемую часть устройства СВЧ, и пред-
назначенный для подавления паразитных электромаг-
нитных полей, проникающих внутрь экрана или
излучаемых из внутреннего объема его. Если к экрану
кроме электрических требований предъявляются тре-
бования по обеспечению необходимой механической
прочности и жесткости или заданного теплового ре-
жима, то его обычно называют электрогерметич-
ным корпусом. Для конструктора понятия «корпус»
и «экран» неидентичны, поскольку для корпуса основ-
ными требованиями являются конструкторские и только
частично электрические, а для экрана — требования по
38
обеспечению заданных параметров экранирования. По-
этому под электрогерметичным корпусом примем поня-
тие достаточно сложной СВЧ конструкции, выполняю-
щей с равной ответственностью функции электромагнит-
ного экрана и прочного корпуса устройства СВЧ.
В дальнейшем будем рассматривать конструирование
таких электрогерметичных корпусов лпшь с точки зре-
ния экранирующих свойств на СВЧ.
Основные технические требования к экранам, связан-
ные с их функциональным назначением, заключаются
в обеспечении заданных коэффициентов экранирования
(или экранного затухания) и коэффициентов реакции
экрана на внешнее и на внутреннее пространство. Зна-
чения экранного затухания и коэффициентов реакции
экрана можно получить на основе аналитических расче-
тов при проектировании данного устройства СВЧ с уче-
том предполагаемых условий его эксплуатации или экс-
периментальных измерений на этапах опытной отра-
ботки отдельных узлов. Причем первый путь обычно
свойствен для электрогерметичных корпусов, а второй —
собственно экранов. Основные технические требования,
предъявляемые к конструкции экрана, обусловливают
толщину и структуру его стенок, его форму, габариты
и внутренние размеры.
К дополнительным требованиям относятся: преиму-
щественный выбор материалов какой-либо группы, виб-
ростойкость и теплостойкость конструкции экрана, на-
стройка или регулировка экранируемой части устройства
СВЧ в процессе эксплуатации, а также необходимость
электропитания или механического привода в экрани-
руемом объеме и в др. Все это в основном и определяет
форму экрана, принцип его конструктивного построе-
ния, технологию изготовления экрана, различные осо-
бенности конструкции экрана, имеющие функциональное
назначение: смотровые или вентиляционные окна, от-
верстия для механических передач, отверстия для кабе-
лей электропитания, окна для выводов линий передачи
СВЧ и т. п.
В процессе конструирования экранов предварительно
учитываются дополнительные требования, а затем основ-
ные с учетом особенностей экранов, вызванных этими
дополнительными требованиями. Весь процесс конструи-
рования электромагнитных экранов СВЧ состоит, как
правило, из ряда этапов:
39
— конструкторский расчет экранов, в котором на '
основе известной последовательности математических
выражений, описывающей физические процессы, проис-
ходящие при экранировании, совокупности требований
и рекомендаций производится определение основных
конструктивных размеров и особенностей конструкций
стенок экранов;
— проработка конструкций экранов с учетом особен-
ностей предполагаемой технологии изготовления;
— изготовление и испытание макетов экранов;
— расчет и внесение поправок в конструкции экра-
нов на основе результатов испытаний макетов;
— изготовление и испытание опытных образцов экра-
нов;
— внесение окончательных поправок в конструкции'
экранов после испытаний
По конструктивным признакам все экраны делятся
на два основных типа [1, 2]: однородные свойства ма-
териалов стенок которых постоянны во всех точках и
неоднородные, имеющие электрические или конструк-
тивные неоднородности стенок, влияющие на электриче-
ские характеристики экранов. Все конструктивные мо-
дификации СВЧ экранов можно с некоторыми допуще-
ниями отнести к той или иной группе. Однородные
экраны, в свою очередь, можно разделить еще на два
типа: однослойные и многослойные, материалы стенок
которых однородны в слоях, удаленных на одинаковое
расстояние от наружных поверхностей экранов. По-
скольку конструкторские расчеты различных типов экра-
нов отличаются, то в дальнейшем они рассматриваются
раздельно.
3.2. Конструкторский расчет однородных экранов
Получение аналитических соотношений для расчета
конструкций экранов путем точного решения электро-
динамической задачи для реального экрана и опреде-
ленных параметров СВЧ поля помехи (экранируемого
электромагнитного поля) весьма затруднительно. По-
этому при выводе расчетных формул используют раз-
личные допущения, которые в некоторой степени огра-
ничивают применение теоретических результатов. Рас-
смотрим основные методы теоретического анализа
однородных экранов [1, 2].
40
Волновой метод. Применяется, когда размеры экранов
сравнимы или несколько превышают длину волны по-
мехи и необходимо учитывать фазовые соотношения
в парциальных волнах, проникающих через стенку экра-
на в защищаемое (экранируемое) пространство. В дан-
ном случае речь идет о конструкторской задаче частного
или общего экранирования от внешнего СВЧ излучения
(защита от электромагнитных помех Э1, Эг, Эг указан-
ных на рис. 1.2).
При использовании этого метода предполагают, что
поле помехи существует в виде распространяющихся
волн и форма экрана со стороны помехи соответствует
фронту падающей волны помехи. При падении помехи
на экран часть энергии падающей волны отражается
в окружающее пространство вследствие несовпадения
волновых характеристик материала экрана и свободного
пространства, а часть энергии проникает в экран и рас-
пространяется в нем, затухая в соответствии со значе-
нием постоянной затухания электромагнитной волны
в материале стенки аэ. На второй границе экрана также
происходит отражение и преломление волны поля по-
мехи и т. д.
Обозначая коэффициенты прохождения в экран и из
экрана через Тоэ и Гэ0 соответственно, а коэффициенты
отражения с наружной и внутренней сторон границы
экрана 7?оэ и 7?э0 соответственно, получаем следующие
выражения: для комплексных амплитуд отраженной от
экрана волны
Е = Ё
отр пад
о^э о схр (---2у.Дэ) •
1 —/?2эоехр(—2у^э) ]>
(3.1)
и волны, прошедшей в экранируемое пространство,
Е = Е То ЭТЭ G exp (—Тэ^э)
пр‘п пал 1 — о ехр (—2уэ^э) ’
(3.2)
где £Пад, £отр, £прш — комплексные амплитуды падаю-
щей, отраженной и прошедшей волн; /э— геометриче-
ская толщина стенки экрана; уэ=аэ/(й/Уф— постоянная
распространения в материале стенки экрана (постоян-
ная вихревых токов) которая равна
— для металла уэ = jZ/popo;
—для поглощающего материала уэ=у\о Kp-[s__<з^/ (/\о)];
— для диэлектрика уэ — ко Kjls,
41
Используя формулы (2.21) и (2.22) и обозначения
и Wa волновые сопротивления свободного пространства
и материала экрана волны помехи, из формул (3.1) и
(3.2) получаем выражения для коэффициента экрани-
рования
Кэ=1 /ch (ТэЛ,+72(^о/^э+
+ Гэ/Го)зЬ(^э), (3.3)
и коэффициента реакции экрана
п = 72 (^э/^о-Го/1Гэ) sh (гЛ) п
Лр Ch (гэГэ) + у2 (Г0/Гэ + ir9/UZ0) sh (y3t3) •
Поле помехи может
Рис. 3.1. Волновое сопро-
тивление среды для волн
различных типов в зависи-
мости от относительного
значения расстояния до из-
лучателя г/Хо
существовать в виде волн раз-
личной структуры. На расстоя-
ниях порядка длины волны Хо
и несколько более от источни-
ка помехи поле помехи суще-
ствует в виде (поперечно-маг-
нитных (ТМ) волн или попе-
речно-электрических (ТЕ)
волн, и только на расстояниях
более (5—6)Л,0 от источника
поле помехи приобретает стро-
гую структуру поперечно-элек-
тромагнитных (ТЕМ.) волн.
Волновое сопротивление, ока-
зываемое средой при распро-
странении электромагнитной
волны, существенно зависит от
типа волны. Так, для волны
ТЕМ волновое сопротивление
свободного пространства определяется из выражения
(2.16). Для волн ТЕ волновое сопротивление существен-
но больше, а для волн ТМ существенно меньше, чем для
волн ТЕМ [1, 2]:
^0 ТЕ ТЕМ ^0 ТМ- (3-5)
На рис. 3.1 показана зависимость волнового сопро-
тивления в свободном пространстве при распростране-
нии волн различных типов от расстояния до излучателя.
При расчетах в соответствии с этим методом волновое
сопротивление среды вычисляется как отношение попе-
42
речных составляющих электрической и магнитной ком-
понент волны, т. е.
Го [Ом] =Е±/Я± = [SoE]I[Sq Н] (3.6)
где So — единичный вектор в направлении распростра-
нения волны.
Волновое сопротивление экранов из диэлектриков и
поглощающих материалов также будет зависеть от типа
волны помехи и определяться соотношением (3.6), а ме-
таллических экранов практически не зависит от типа
волны, а целиком определяется высокой электропрово-
димостью металлов и может быть определено из выра-
жения (2.17).
В коротковолновой части диапазона СВЧ начиная
с сантиметровых длин волн и на миллиметровых вол-
нах, волновой метод расчета экранов «вырождается»
в метод плоских волн, так как в этой области длин
волн поле помехи приобретает структуру ТЕМ-волн уже
на малых расстояниях от источника помехи.
Волновой метод расчета экранов является достаточ-
но точным и позволяет успешно вести расчет конструк-
ций однородных экранов, изготовляемых из различных
материалов, для всего рассматриваемого диапазона СВЧ.
Недостатком волнового метода является сложность
использования его для конструкторского расчета экра-
нов, если форма экранов не совпадает с конфигурацией
фронта волны помехи, так как в этом случае выражения
для коэффициентов отражения и прохождения на гра-
ницах экрана будут задаваться не соотношениями вида
(2.21) и (2.22), а гораздо более сложными выражения-
ми, в которых должны учитываться изменения структу-
ры волны помехи при падении на конкретную конструк-
цию экрана. При расчете плоских экранов можно исклю-
чить эту трудность, используя разложение волн поля
помехи в спектр плоских волн и учитывая лишь волны,
вносящие наибольший вклад в коэффициент экраниро-
вания. В инженерных расчетах в этих случаях приме-
няют несколько измененный подход, рассматриваемый
далее.
Метод теории цепей. Физическая сущность явлений,
происходящих в электромагнитных экранах, во многом
сходна с процессами, происходящими в электрических
цепях при распространении энергии по неоднородным
43
линиям с большими потерями и несогласованными на-
грузками. При распространении энергии поля помехи
через экран приходится считаться с поглощением энер-
гии в материале экрана и отражением на границах раз-
дела воздух — экран — воздух. Поглощение энергии
в экране в теории цепей соответствует затуханию волн
в линии, а отражение энергии на границах экрана—от-
ражению энергии волн в линии с несогласованной на-
грузкой. Эта физическая аналогия находит подтвержде-
ние и в схожем математическом описании этих двух про-
цессов. Дифференциальные уравнения этих процессов
имеют вид
— для процесса экранирования
дНи „ дЕх
____ — _(3.7)'
— для линии передачи
-f—= — YU, —Z1. (3.8)
Этот метод не имеет преимуществ перед волновым
методом (последний является более общим), но он по-
зволяет иногда воспользоваться известными решениями
из теории цепей.
Метод наведенных потенциалов [1, 2] применяется,
если все размеры экрана существенно меньше длины
волны помехи (это условие в реальных конструкциях
устройств СВЧ обычно удовлетворяется до частот ниже
108 Гц). Поэтому при решении электродинамической
задачи экранирования можно ограничиться квазистацио-
нарным случаем. При этом поле помехи во внешнем
пространстве с нулевой проводимостью будет описывать-
ся следующим уравнением:
[V/7]=0, (3.9)
что указывает на потенциальный характер поля. Про-
цесс экранирования тогда можно представить как изме-
нение (наведение) потенциала в экранируемом про-
странстве при воздействии некоторого внешнего потен-
циала, эквивалентного полю помехи.
Метод наведенных потенциалов широко применяется
в области радиочастот, лежащих ниже рассматриваемо-
го диапазона СВЧ, где и дает удовлетворительную точ-
44
ность В области диапазона СВЧ применение этого ме-
тода ограничено, поскольку при рассмотрении физиче-
ских процессов нельзя пренебрегать токами смещения,
а также потому, что он не позволяет установить фазовые
соотношения между различными волнами поля помехи
Выражение для экранного затухания однородного
экрана в соответствии с формулой (1 20) можно, исполь-
зуя (1 18) и (3 3), представить в виде суммы двух сла-
гаемых [4]
АЭ [дБ]=ЛЭОТр + ^эпогл =
-:201g|l+1/2(^0/^3+^3/^0)X
X th (ygtg) I + 201g I chy9/3) I (3 10)
Множитель th(y9/3) определяет степень влияния второй
границы стенки экрана При большом затухании волн
помехи (|уэА)|^>1) первое слагаемое полностью опреде-
ляется отражением волны от границы раздела воздух —
экран, в других случаях его величина зависит также от
толщины стенки экрана Первое слагаемое в (3 10) явля
ется составляющей экранного затухания, обусловленной
отражением волны поля помехи от наружной стенки
экрана (за счет относительных потерь на отражение
Чэ отр ) Второе слагаемое зависит от величины затуха-
ния волны помехи при распространении в среде из ма-
териала стенки экрана и поэтому зависит от геометри-
ческой толщины стенки /э С физической точки
зрения его величина определяется процессами поглоще-
ния энергии при распространении электромагнитного
поля помехи в среде с диссипативными потерями По-
этому второй член в (3 10) является составляющей пол
ного экранного затухания, обусловленной поглощением
волны помехи в стенке экрана ДЭПогл (1 20)
На рис 32 и 33 приведены частотные зависимости
составляющих экранного затухания ДЭОтр и ДЭПогл одно-
родного экрана, рассчитанные для разных металлов и
различных толщин стенок экранов Как видно из графи-
ков, А э пог л при увеличении частоты быстро возрастает,
причем ее зависимость от изменения частоты практиче-
ски линейная Так же меняется Л,Погл при изменении
геометрической толщины стенки экрана
Составляющая экранного затухания ДЭ0Тр более сла-
бо зависит от частоты и практически мало зависит от
толщины стенки экрана При увеличении частоты элек
тромагнитного поля помехи Д)Отр уменьшается, причем
45
зависимость от относительного изменения частоты при
уэ/э>5 практически линейная. В нижней части диапа-
зона СВЧ и при очень малых толщинах стенки экрана
Аэ отр не зависит от частоты. Это обусловлено тем, что
увеличение отражения волны от передней поверхности
стенки экрана компенсируется соответствующим изме-
нением противофазной волны, отраженной от задней по-
верхности стенки экрана.
Рис. 3.2. Частотные зависимо-
сти Лэ отр от толщины стенки
экрана и для различных ме-
таллов
Рис. 3.3. Частотные зависимо-
сти Лэпогл от толщины стенки
экрана и для различных ме-
таллов
Выражение (3.10) справедливо для случая, когда
форма экрана совпадает с фронтом волны поля помехи.
При конструировании экранов и электрогерметичных
корпусов чаще всего сталкиваются с конструкциями,
имеющими следующие соотношения между основными
геометрическими размерами:
— один из размеров намного меньше, чем все осталь-
ные;
— два поперечных размера экрана сравнимы друг
с другом и намного меньше третьего;
— все поперечные размеры сравнимы друг с другом
(что характерно для замкнутых СВЧ экранов и элек-
трогерметичных корпусов любой формы).
В конструкторских расчетах с приемлемыми допу-
щениями можно заменить экраны сложной формы экви-
валентными экранами простейшей формы, т. е. плоски-
ми, цилиндрическими, сферическими и т. п.
Н
как уже отмечалось, волновое сопротивление Wo,
оказываемое свободным пространством при распростра-
нении волн поля помехи, зависит от структуры этих
волн. Если Wo обозначить для основных структур волн
(плоской, цилиндрической и сферической) через WOn,
Гоц, Woe, то соотношения между ними выражаются
в виде [2]
Won: Wo4: Woc^l .-'/г.-'/з. (3.11)
Подставляя эти соотношения в формулы (3.3) и (3.4),
можно получить примерную связь между коэффициента-
ми реакции плоского, цилиндрического и сферического
металлических экранов, изготовленных из одного и того
же материала и имеющих одинаковую толщину стенки
Кэ п : Лэ ц : Лэ с^1 : 2 : 3;
Ярп : Ярц : Яр c^l : 1 : 1-
Обозначая экранное затухание экранов
форм через Лэ с, Ли, Лоц, получим из (3.12)
Лд Ц^Лд ц-|-6,0^ЛЭ 04-9,6 дБ.
(3.12)
различных
(ЗЛЗ)
Если учесть, что формулу (3.10) удобнее применять со
значениями волновых сопротивлений для плоской волны
(см. формулы (3.3) и (3.4)), то выражение (3.13) можно
записать
Лд^Лдп---Лф, (3.14)
где Лф — составляющая экранного затухания, обуслов-
ленная формой экрана, и равная 0; 6,0 и 9,6 дБ соот-
ветственно для плоского, цилиндрического и сфериче-
ского экранов.
Экранное затухание однородных экранов в диапазо-
не СВЧ обычно бывает порядка 100 дБ, поэтому видно,
что конструктивная форма экрана мало влияет на его
параметры экранирования. Решающее значение в этом
случае имеют электротехнические свойства материала
экрана, толщина его стенки и внутренние размеры
экрана. Слабое влияние формы экранов на характери-
стики экранирования позволяет при конструировании
устройств СВЧ выбирать форму экранов и корпусов,
исходя только из требований к компоновке устройства
СВЧ и его технологичности. В то же время это дает воз-
можность, заменяя реальную форму ближайшей эквива-
лентной (плоской, цилиндрической или сферической),
47
Рис. 3.4. Идеализирован-
ная электрическая мо-
дель для анализа резо-
нансных явлений в поло-
сти экрана
создавать унифицированные ряды конструкций однород-
ных экранов и электрогерметичных корпусов.
В полученных формулах для расчета экранов нс учи-
тываются некоторые явления, которые могут существен-
но влиять на качество экранирования. К таким явлени-
ям, в первую очередь, относятся резонансы внутренней
полости экранов и корпусов. Этот эффект должен обя-
зательно учитываться при конст-
руировании СВЧ экранов из ме-
таллических материалов.
Как известно, любое прост-
ранство, окруженное отражаю-
щими поверхностями на некото-
рых частотах, называемых собст-
венными проявляет резонирую-
щие свойства. При этом происхо-
дит многократное усиление ам-
плитуды электромагнитной волны
поля (в данном случае поля по-
мехи) внутри такого простран-
ства по сравнению с амплитуд-
ной волны поля, возбуждающего
его.
Влияние резонансных явле-
ний, обусловленных внутренней
полостью экрана, рассмотрим на
упрощенной электрической модели экрана в виде двух бес-
конечных металлических пластин, расположенных парал-
лельно друг другу на расстоянии 2/э (рис. 3.4). При паде-
нии на экран плоской волны поля помехи ограничимся
случаем одностороннего нормального падения) единичной
амплитуды часть энергии волны проникает в экраниро-
ванное пространство и распространяется в нем от стен-
ки I к стенке II также в виде плоской волны £\=
= |Кэ|ехр (—/2лг/Хо). Достигая границы II, она отража-
ется и меняет направление распространения.
Если коэффициент отражения от границы II равен
17?р| ехр (/ср), то отраженную волну можно записать
в виде
£2=|7?р| | Кэ| ехр{/[ (2л/Хо) (z—2/э)]— <р}.
Волны и Е2 интерферируют во внутреннем простран-
стве, образуя интерференционную картину, состоящую
из чередующихся минимумов и максимумов, причем ам-
плитуда поля в максимуме равна £1,2макс=| Кэ1 (1 +
48
+ 7?р|), а амплитуда поля в минимуме /Дгмин—
= Лэ| (1 — |£р|). Волна Е2, достигая границы I, также
отражается и меняет направление распространения на
противоположное, образуя волну Е3. Волна Е3 образу-
ет волну £4 при отражении от границы II и т. д. Рас-
стояние 2/э между экранами может быть таким, что
интерференционные картины, образованные волнами
Ei, Е2; Е3, E/t; ...; E2n-i, Е2п, ..., точно накладываются
друг на друга, т. е. координаты максимумов и миниму-
мов всех волн совпадают, при этом происходит сумми-
рование полей всех стоячих волн и амплитуда поля
в общем максимуме достигает значения
^с=1М(1-1М- (3-15)
Модуль коэффициента экранирования при
становится равным
IW = - О-
Экранное затухание при резонансе равно
резонансе
(3.16)
-Дэ pe3^201g | Хэ | 1 + 201 g ( 1 |ЯР| ) —
=ЛЭ—-Дрез, (3-17)
где Лрез — составляющая экранного затухания, обуслов-
ленная резонансными явлениями в экране, дБ.
Для металлических экранов коэффициент отражения
для плоской волны приблизительно равен
Яр - 0 — 2 Кso“/°n) exp (р),
(3.18)
где Оп — эффективная поверхностная проводимость, за-
висящая от электропроводности и структуры отражаю-
щей поверхности. Подставляя значение модуля коэффи-
циента отражения из (3.18) в формулу (3.17), получим
^4рез [дБ]^101g[crn/(еосо) ] 6,0.
(3.19)
На рис. 3.5 показаны частотные зависимости Лрез, рас-
считанные по (3.19) для различных материалов.
В формулах (3.18) и (3.19) введен коэффициент от-
ражения (коэффициент реакции) идеального гладкой
стенки экрана, свойства материала которой однородны
вблизи поверхности. Реальные экраны имеют конечную
чистоту обработки поверхностей стенок, а действитель-
ная поверхностная проводимость много меньше проводи-
4—852 49
Мости основной массы металла. Это приводит к ослабле-
нию отраженных волн и появлению в отраженных волг
нах диффузных составляющих с произвольным направ-
лением распространения [2, 3]. Рассеянные волны прак-
тически не дают вклада в резонансный эффект. Кроме
того, из-за технологических отклонений внутренней по-
лости экрана от расчетной и находящихся под экраном
сложной конфигурации экранируемых СВЧ узлов струк-
Рис. 3.5. Частотные зависимо-
сти Лрез для различных мате-
риалов, имеющих поверхност-
ную проводимость, соответст-
вующую основной массе ме-
талла
тура поля переотражаемых волн будет неизбежно и зна-
чительно искажаться. Поэтому еще более ослабнут ре-
зонансные процессы под экраном. Для учета сдвига ре-
зонансных частот экрана при размещении под ним ап-
паратуры можно применять неравенство Хрез <
</j/O6beM экрана—Объем экранируемого устройства.
Собственные резонансные частоты внутренней полосы
экрана определяются из условия синфазности электро-
магнитных волн Ei, Е3, Е5, ..., В2П-1 или волн Е2, Е^..
• • •> £sn, • • •>
4Хорез/э + 2<р=2лгг, п=1, 2, 3, (3.20)
поэтому резонансная длина волны полости экрана мо-
жет быть найдена как
Хорез^4/э/(гг—ф/л). (3.21)
Для металлического экрана ср^л, тогда из (3.21) полу-
чим
Хорез^4/Э/m при т=1, 2, 3. (3.22)
Отсюда видно, что, изменяя внутренние размеры экра-
на, можно изменять и его резонансные частоты. Поэто-
му при конструировании СВЧ экранов и корпусов с уче-
50
том возможных внутренних резонансов необходимо вы-
бирать такие внутренние рамеры полости, чтобы длина
волны помехи не попадала в спектр собственных длин
волн экрана (была бы больше наибольшей длины волны
внутренней полости экрана). Внутренние размеры экра-
на можно подбирать экспериментально, меняя их в не-
больших пределах относительно первоначально выбран-
ного значения для полного устранения резонансов. Дру-
гая возможность изменить резонансные частоты экрана—
подбор конфигурации его внутренней полости. По-
ложительный эффект дает также применение рифленого
материала для стенок и нанесение поглощающего мате-
риала на внутреннюю поверхность металлического экра-
на (для уменьшения коэффициента отражения от стенок
внутри экрана).
Комбинируя выражения (3.10), (3.14) и (3.17), полу-
чаем формулу для расчета полного экранного затухания
однородного экрана с учетом различных физических
процессов, происходящих при экранировании,
ДО=АП отр Дэ погл Дф Дрез» (3.23)
где отдельные составляющие могут быть найдены из
(3.10), (3.14), (3.19), (3.21) или из рис. 3.2, 3.3 и 3.5.
Рассмотрим в соответствии с этим последовательность
операций по расчету и конструированию однородных
СВЧ экранов.
В качестве исходных данных для расчета экрана
должны быть заданы: полное экранное затухание [До]
или коэффициет экранирования [Кэ], которые должен
обеспечить экран; требования к коэффициенту реакции
экрана 7?р, тип волны или волновое сопротивление,
а также структура волны поля помехи, диапазон частот
волн помехи; конкретные требования на установку экра-
на и на его конструкцию.
По заданному /?р и по типу волны поля помехи про-
изводится выбор материала экрана, при этом учитыва-
ются также технологические особенности выполнения
конструкции экрана и возможности его производства.
Затем, основываясь на конструкции и форме экранируе-
мого устройства или на конструкции всего устройства
СВЧ, производится выбор формы и основных размеров
экрана. Далее рассчитывается Д$ по (3.14). По формуле
(3.22) определяется, попадают ли нижние резонансные
частоты экрана в диапазон частот волн помехи (если
4* 5|
попадают, то по (3 19) находится Лрез) По формуле
(3 10) предварительно определяется АЭОтР, а
АОПогл=[Ао]—Лэ отр + ^рез + ^ф (324)
По найденной АЭПогл ориентировочно рассчитывается не-
обходимая геометрическая толщина стенки экрана
^э[м]|у0 | ^Arch (ЮЛэпогл /20) (3 25)
После этих операций снова уточняется значение ЛЭОтрИ
вновь рассчитываются теперь уже окончательно значе-
ния Лэ ПОГЛ И tg
Пример 1 Рассчитаем параметры экранирующего
металлизированного покрытия на керамических стенках
резонатора, применяемого для исследования СВЧ ди-
электриков в условиях высоких температур Исходные
данные [Ло] = 12О дБ, %опом^3,0 см резонатор цилин-
дрический диаметром 50 мм и длиной 75 мм, предпочти-
тельное металлизирующее покрытие — платина (выби-
рается с точки зрения функционального назначения кон-
струкции резонатора и ее работы в условиях высоких
температур)
Поскольку внутренние размеры экрана сравнимы,
то в качестве эквивалентной формы экрана для расчета
может быть принята сферическая Из формулы (3 14)
определяем Лф=9,6 дБ По формуле (3 21) Хорез=
=15/т=15, 7,5, 5, 3,75, 3 см и т д, т е длина волны
поля помехи попадает в спектр резонансных длин волн
внутренней полости СВЧ резонатора и поэтому возмож
ны резонансные эффекты По (3 19) определяем Арез^
^66 дБ Приближенное значение АэотР^66 дБ По
формуле (3 24) А1ПОГЛ=120—66 + 66 + 9,6^130 дБ Ми-
нимально допустимую толщину платинового покрытия
находим по формуле (3 25) /ЭМИн^20 мкм Проверочный
расчет по формуле (3 19) дает примерно то же значение
отр Таким образом, необходимая толщина экранирую-
щего металлизированного покрытия на керамических
стенках резонатора должна быть не менее 20 мкм
Пример 2 Рассчитаем параметры экранирующего
металлизированного покрытия экрана для гетеродинного
клистрона высокочхвстрительного СВЧ приемника Ис
ходные чанные |+1D]—80 дБ, рабочая длина волны кли
строна Ап^ЗО см Экран цилиндрический пластмассовый
диаметром 55 мм, высотой 75 мм (рис 3 6) При ме-
52
таллизации внутренней поверхности конструкции легко-
го диэлектрического колпака необходимо реализовать
оговоренное выше значение [А]. Тем самым должна
быть обеспечена защита высокочувствительных входных
цепей приемника от паразитного излучения гетеродина.
Иначе говоря, здесь решается конструкторская задача
по экранированию узлов устройства СВЧ от внутренне-
Рис. 3.6. Конструктивные модификации СВЧ экранов:
/ — пластмассовый экран с металлизацией внутренней поверхности для кли-
стронного гетеродина радиолокационного приемника (2): 3—алюминиевый
экран с перфорацией круглыми отверстиями для клистронного гетеродина
с естественным воздушным охлаждением (4); 5 — литой латунный прямо-
мюльный экран для клистронного генератора (6); 7 — дроссельные узлы СВЧ
экранов для механической настройки клистронов
го источника электромагнитных помех (рис. 1.3). В ка-
честве покрытия из экономических и технологических
соображений целесообразно выбрать медь.
Поскольку все внутренние размеры экрана сравнимы,
то в качестве эквивалентной формы для расчета может
быть принята сферическая, тогда из формулы (3.14)
Л(!)=9,6 дБ. По (3.21) получаем Хорез^=Л5/т=15; 7,5; 5;
3.75; 3 см и т. д., т. е. рабочая длина волны гетеродин-
ного клистрона попадает в спектр возможных резонанс-
ных длин волн внутренней полости конструируемого
экрана. Предполагая металлизацию медью, из рис. 3.5
для частоты, соответствующей 7з^=3,0 см, определяем
Аре.з^75 дБ. Будем считать, что покрытие гладкое и иде-
ально проводящее токи СВЧ. поэтому для дальнейших
расчетов примем Лре:!^75 дБ. По графикам рис. 3.2
53
определяем приближенное значение ЛЭОТр^75 дБ, далее
по формуле (3.24) рассчитываем АЭпогл=80—75 + 75 +
+ 9,6^90 дБ. Необходимую толщину медного покрытия
и находим по графикам рис. 3.3 /Эмин^8 мкм. Таким
образом, необходимая толщина металлизированного мед-
ного покрытия внутренней полости диэлектрического
колпака — экрана клистронного гетеродина должна быть
не менее 8 мкм.
3.3. Конструкторский расчет многослойных экранов
При конструировании устройств СВЧ иногда прихо-
дится сталкиваться со специфическими задачами по
экранированию, техническая реализация которых с ис-
пользованием однослойных экранов нецелесообразна или
неэффективна. К таким задачам, в частности, относится
экранирование устройств СВЧ, когда задаются проти-
воречивые требования к обеспечению необходимых зна-
чений и коэффициентов экранирования и реакции экра-
нов или особые требования к необходимому соотноше-
нию между ними. Например, построение экранов для
безэховых камер, применяемых при исследовании антенн
и в прикладных задачах радиолокационного рассеяния,
в технике СВЧ антенн, а также проектирование рефлек-
торов в интерферометрах Фабри — Перо.
Удовлетворить противоречивые требования к коэф-
фициентам экранирования и реакции экрана обычно
удается, конструируя стенку экрана из нескольких сло-
ев материалов с различными радиофизическими свойст-
вами. Эти экраны называются многослойными. В обыч-
ной РЭА применение многослойных экранов использу-
ется только как конструктивный прием для уменьшения
необходимой толщины стенки и массы экрана при за-
данном значении коэффициента экранирования.
При конструкторском расчете многослойных экранов
можно воспользоваться волновым методом. Однако при
большом количестве слоев расчет становится громозд-
ким, хотя и позволяет получить приемлемые расчетные
соотношения для различных типов волн помехи. Для
расчета многослойных экранов в диапазоне СВЧ сейчас
с успехом применяется разновидность волнового мето-
да— метод плоских волн. Существует хорошо разрабо-
танная теория прохождения плоских волн через слои-
стые среды, поэтому она и лежит в основе расчета
54
многослойных экранов [2, 4]. Ввиду громоздких Проме^
жуточных выводов приведем сразу окончательные ре-
зультаты.
Каждый слой стенки многослойного экрана опреде-
ляется характеристической матрицей, которая для нор-
мального падения волны на экран имеет вид
М Teh (7Л).
sh СгЛ),
(тЛ) 1
сЬ(тЛ) Г
(3.26)
где i — номер слоя стенки экрана; yi— постоянная рас-
пространения в i-м слое; ti—геометрическая толщина
i-ro слоя.
Перемножая характеристические матрицы слоев
экрана в той же последовательности, как проходит слои
волна помехи, получаем обобщенную характеристиче-
скую матрицу многослойного экрана
(3.27)
Коэффициенты экранирования и реакции многослойно-
го экрана определяются из элементов обобщенной ха-
рактеристической матрицы:
+ (^г + ^о)’ ; (3,28)
г> (Wn 4- ТИ12';^о) Ч~ OT2i^o) /о од\
(Wll + яг1г/^о) + (W22 + ^21^0)
Пользуясь (3.28) и (3.29), можно вести расчет мно-
гослойных экранов, но только если поле помехи сущест-
вует в виде совокупности плоских волн. Когда же струк-
тура поля помехи более сложная, то предварительно рас-
кладывают поле помехи в 'спектр плоских волн. Учи-
тывая, что число слоев стенки экрана лишь в исключи-
тельных случаях больше трех, предлагаемая методика
конструкторского расчета характеристик многослойных
экранов достаточно удобна и с точки зрения простоты
выполнения самих вычислений. Если можно пренебречь
процессами переотражения волн поля помехи внутри
каждого слоя при |угЛ|>5), то результи-
рующий коэффициент экранирования многослойного
55
экрана можно приближенно определить как произведе-
ние коэффицентов экранирования всех слоев
= П (3.30)
( = 1
а результирующий коэффициент реакции можно прибли-
женно считать равным коэффициенту реакции первого
слоя
+ (3 31)
где — волновое сопротивление первого слоя экрана.
По аналогии с (3.30) формулу для результирующего
экранного затухания запишем
Ал == 2 А(. (3.32)
1=1
Пра расчете многослойных экранов (так же как и
в случае однослойных) необходимо учитывать влияние
формы экрана и резонансов на результирующие харак-
теристики экранирования. Причем для этого можно ис-
пользовать выражения (3.14) и (3.17) с подстановкой
в (3.17) значения результирующего коэффициента реак-
ции стенки экрана, рассчитанного по формулам (3.29)
или (3.31). Расчет резонансных длин волн многослойного
экрана производят, пользуясь формулой (3.22), но с уче-
том проводящих свойств, размеров и конфигурации вну-
треннего слоя стенки экрана.
В качестве примера рассчитаем конструктивные па-
раметры диапазонного экрана безэховой камеры, рабо-
тающей в 3-см диапазоне длин волн. Необходимо обес-
печить следующие характеристики экранирования:
1/?р|<10-2, [4gS] = 120 дБ. Размеры безэховой каме-
ры таковы, что любая, даже самая наименьшая, ее сто-
рона много больше рабочей длины электромагнитной
волны СВЧ аппаратуры, применяемой в камере. В дан-
ном примере следует спроектировать листовое погло-
щающее покрытие для обивки внутренней поверхности
безэховой камеры. Это покрытие одновременно должно
являться и экраном, поскольку необходимо обеспечить
и высокую скрытность радиотехнических измерений на
СВЧ, проводимых внутри безэховой камеры
(Лэг< 120 дБ
56
Как легко убедиться из формул (3.3) и (3.4), если
выполнять такое поглощающее покрытие-экран одно-
слойным, то толщина его стенки получается значитель-
ной (поскольку для обеспечения малого значения |ЯР|
придется использовать поглощающий материал, обла-
дающий малым поглощением). Поэтому предварительно
в качестве модели расчета выберем двухслойный экран,
один слой которого выполнен из поглощающего мате-
риала и обеспечивает заданный коэффициент реакции
экрана, а второй — из металла и обеспечивает в основ-
ном заданное значение экранного затухания. Из физики
происходящих процессов ясно, что минимальное значе-
ние коэффициента реакции экрана в диапазоне частот
будет обеспечиваться при относительно малых пере-
отражениях внутри поглощающего слоя. Принимая во
внимание эти соображения и обозначая через Wi волно-
вое сопротивление первого поглощающего слоя, из фор-
мулы (3 31) находим
| W, | (1-1 Яр 111 + | Яр |) ^0,96 ITo.
Из определений волнового сопротивления и постоянной
распространения в поглощающем материале следует, что
|yi | =to|i/1 Wy |^1,О4у0, но, с другой стороны,
Т1 [е — oz/(jco)].
Очевидно, что поглощение в слое, а следовательно, и
его толщина, при которой переотражения в слое прене-
брежимо малы, будут максимальными при возможно
большем о/ и меньшем е. Тогда, полагая е^ео, полу-
чаем
Yi - h /РтА Ю — (/А») = То "И — / tg Sv
или с хорошим приближением для инженерных расчетов
|v,|«Vo[l + (tgsg,) /2].
Сравнивая этот результат с полученным ранее, запи-
шем 1,04уо^уо[1 + (tg26i)/2], откуда tg 61^0,28, т. е.
для поглощающего слоя должен быть выбран материал
с tg 61^0,28.
Геометрическая толщина поглощающего слоя, при ко-
торой переотражения внутри него будут достаточно
малы, определяется приближенным соотношением
th | YiZi | , откуда /1^5/|yi| ^2,32 см. Выбираем с не-
которым запасом /1=2,5 см. Используя формулу (3.3),
57
находим коэффициент экранирования поглощающего
слоя толщиной 2,5 см, tg 61^0,25 и е^ео;
| Д-э11^6,75 • 10-3,
или отсюда ЛЭ1^43,5 дБ. По формуле (3.14) Аф=9,6дБ,
по (3.17) Аф=9,6 дБ.
Таким образом, из формулы (3.33) с учетом выраже-
ния (3.32), следует, что металлический (второй) слой
покрытия для безэховой камеры должен обеспечивать
экранное затухание, равное
Аг = ИэJ А 4" Аез — А1 86 дБ.
В качестве материала для металлического слоя — под-
ложки выбираем алюминий. По рис. 3.2 определяем
предварительно АЭОтр=73 дБ. Значит, экранное затуха-
ние за счет поглощения во втором слое должно состав-
лять
А погл==у4э2 АЭ0Тр^13 ДВ.
Из рис. 3.3 определяем, что такое значение Аэ поля
обеспечивается с запасом при толщине металлического
слоя не менее 2 мкм. Проверочный расчет по формулам
(3.28) и (3.29) подтверждает, что заданные параметры
покрытия для безэховой камеры обеспечиваются двух-
слойным экраном, один из слоев которого состоит из
поглощающего материала с sr~ 1 и tg 6=0,25, толщиной
2,5 см, а второй — из алюминиевого покрытия толщиной
не менее 2 мкм. В реальном случае из конструкторских
и технологических соображений толщина металлическо-
го покрытия обычно увеличивается до значения 0,1 мм.
Это покрытие конструктивно выполняется в виде фольги,
наклеиваемой на поглотитель с его теневой стороны. Не-
которые подробности и примеры конструирования мно-
гослойных экранов, один из слоев которого является
радиопоглощающий материал (РПМ), рассматриваются
далее в приложении к антеннам СВЧ.
3.4. Расчет неоднородных экранов
Из всех разнообразных модификаций конструкций
СВЧ экранов лишь небольшую часть при расчетах мож-
но отнести к однородным экранам. Обычно же требова-
ния технологичности конструкций экранов и особые тре-
бования по эксплуатации приводят к тому, что электро-
58
физические свойства конструкций экранов в местах тех-
нологических соединений, крепления их к корпусу аппа-
ратуры, а также функциональные неоднородности по
всей поверхности стенок отличаются от свойств однород-
ных стенок экранов. Любые конструкторско-технологи-
ческие элементы, влияющие на электрические свойства
экранов, называются неоднородностями, а сами экраны,
имеющие их, — неоднородными.
По назначению все неоднородности СВЧ экранов
можно разделить на три основные группы; неразъемные
(или технологические) соединения, разъемные соедине-
ния для установки крепления и эксплуатации экрана и,
наконец, функциональные неоднородности, обусловлен-
ные принципом действия (например, необходимостью ме-
ханической регулировки режима прибора через стенку
экрана) или особенностями эксплуатации (например,
необходимостью интенсивного теплоотвода) из экрани-
руемой части устройства СВЧ.
Перечисленные неоднородности являются либо ло-
кальными, когда занимают относительно малые участки
всей поверхности СВЧ экрана или поверхности корпуса
СВЧ прибора, либо распределенными по всей поверхно-
сти стенок экранов, когда вся поверхность стенок выпол-
нена несплошной, — это экраны из перфорированных ме-
таллических листков, металлической сетки и металличе-
ских полос. Неоднородности, как сосредоточенные, так
и распределенные, влияют ,на все электрические харак-
теристики экранов, но влияние их на коэффициент реак-
ции экранов обычно невелико; в основном их действие
сказывается как дефекты экранирования — за счет ло-
кальных и распределенных неоднородностей появляются
дополнительные пути для проникновения поля помехи
в экранируемое пространство или из экранируемого про-
странства.
Для оценки влияния неоднородностей на качество
экранирования вводятся коэффициенты влияния неодно-
родностей, которые определяются по аналогии с коэффи-
циентом экранирования однородного экрана (см. гл. 1)
через отношение напряженности поля, проникающего
в экранируемое пространство при данной неоднородно-
сти Ёп, к напряженности поля Ёо, которая существовал i
бы в той же точке пространства при отсутствии экра-
на [1, 2]:
£.„=£„/£„ (3.33)
59
где КЭп — коэффициент влияния п-й неоднородности. Так
как поля, возбуждаемые в экранируемом пространстве
при непосредственном проникновении поля помехи через
стенки экрана и действии различных неоднородностей
могут иметь фазовые запаздывания, то в случае неодно-
родных экранов все коэффициенты следует считать ком-
плексными. Таким образом, формулу (3.33) можно пе-
реписать как
Кэп = [К9П\ ехр (/<?„).
(3.34)
Сосредоточенные неоднородности обычно занимают
малую часть общей поверхности экранов, поэтому про-
никновение поля помехи в экранируемое пространство
непосредственно через материал стенки экрана учитыва-
ется известным коэффициентом экранирования, рассчи-
тываемым по уравнению (3.23). Общий коэффициент
экранирования неоднородного экрана с учетом (3.33),
очевидно, равен
Если перейти к тригонометрической форме записи коэф-
фициента Кп, то из (3.35) можно получить выражение
для модуля общего коэффициента экранирования
K9i = (cos -И sin <?z), (3.36)
откуда
/ ", 7г ?2 ", 7i \ 2
S 1^]COS?J + 2
* 4=0 / 4=0 /
|K3W| cos (<PZ — <PW),
i^=m.
(3.37)
Если аналогично экранному затуханию однородного
экрана определить экранное затухание неоднородного
экрана и экранное затухание за счет неоднородностей, то
Ат 1дБ]=201г(|Км|-’)
(3.38)
60
формулу (3.37) можно записать в вйДе
= —101g
2 ю Лэ1‘/10
_/=о
1 " Д (Лэ|+Лэт)/20 / ч
+ 23 2 10 COS (<р(. — <?от)
1=0 z=0
(3.39)
Пользуясь выражением (3.37) или (3.39) можно
определить общий экранирующий эффект неоднородного
экрана, если известны свойства всех конструктивных
неоднородностей экранов. Но при этом встречаются зна-
чительные трудности из-за недостаточной разработки
аналитических методов количественного определения
коэффициентов неоднородностей. Поэтому разработчи-
кам при конструировании неоднородных экранов в ос-
новном приходится довольствоваться малодостоверными
статистическими данными для Кзп или применять про-
веренные экспериментально конструктивные решения.
Такой путь удобно использовать при конструировании
несложных экранов на завершающих этапах разработки
устройств СВЧ, но при этом часто необходимы допол-
нительные экспериментальные исследования. При конст-
руировании сложных СВЧ экранов и при высоких тре-
бованиях к их электрическим характеристикам такой
подход малоудовлетворителен и связан с большими тех-
ническими трудностями.
Аналитический расчет Кзп выполним только для про-
стых неоднородностей и при значительных допущениях.
Расчет для сложных неоднородностей обычно дает не-
реальные результаты, поскольку приходится сильно упро-
щать картину происходящих электродинамических про-
цессов, обусловливающих результирующий экранирую-
щий эффект.
Приведем приближенный расчет коэффициентов
влияния некоторых конструктивных функциональных
неоднородностей. Используя выражение для амплитуды
напряженности поля, дифрагированного через круглое
отверстие в тонком металлическом экране при падении
на него плоской волны [1, 2], можно записать
Ео^(2г3£о) /(ЗлМД) (3.40)
при г<70<аэ,
61
где Ёо — амплитуда электрической компоненты волны
помехи, г — радиус отверстия; La— расстояние от стенки
экрана до его центра. Коэффициент влияния для неодно-
родности в виде круглого отверстия
|ЛЭоК2г3/ЗлЫЛ. (3.41)
Для того чтобы учесть влияние конечной толщины
стенки экрана ta, необходимо определить затухание вол-
ны помехи при распространении ее через запредельный
«волновод», образованный отверстием, и домножить вы-
ражение (3.41) на полученный результат. Таким обра-
зом, окончательно получим
|Хэо|^2гЗ/(ЗлХо£2э)Х
Хехр(—2л/э/3,4г). (3.42)
На основе (3.42) имеем выражение для коэффициента
неоднородности перфорированного экрана с круглыми
отверстиями
(3.43)
где п — число отверстий; d — наибольший размер отвер-
стий; SoE — суммарная площадь отверстий: 5эЕ — площадь
поверхности экрана.
На рис. 3.7 показаны зависимости Аэп от <SgE/SoE; X0[d
и ta/d, полученные в результате расчетов по формуле
(3.43), для анализа и конструирования неоднородных
экранов из перфорированного металлического листа.
Выражение (3.43) можно преобразовать для конст-
рукции СВЧ экрана в виде металлической сетки. Если
обозначить диаметр проволок сетки через tc, а шаг сетки
через dc, то [2, 5]
4л
3,4 (dc/tc-\)
К«1-йГ(1-3^-)ехр[
(3-44)
Последнее равенство справедливо при
Рассмотрим теперь конструктивную неоднородность
в виде короткой и узкой щели в тонком металлическом
экране, имеющем большие поперечные размеры по срав-
нению с длиной волны экранируемого поля. В результа-
те дефектов производства СВЧ экранов и электрогерме-
тичных корпусов из листового металла и несовершенства
62
их монтажа щели такого рода в конструкции устройст-
ва СВЧ образуются часто. Поэтому анализ степени
влияния подобной неоднородности на экранирующие
свойства экрана или электрогерметичного корпуса пред-
ставляет интерес для конструктора. Подобную неодно-
родность можно представить как щелевую антенну, при-
нимающую часть энергии поля помехи и передаваемую
ее в экранируемое пространство. Считая толщину экрана
малой по сравнению с длиной волны поля помехи Хо
можно полагать, что мощность, переизлучаемая щелью,
равна мощности, принятой ею. В самом неблагоприят-
ном случае, когда поле помехи существует в виде линей-
но-поляризованной плоской волны, падающей нормально
к поверхности экрана, мощность, принятая щелью, опре-
деляется выражением [2, 5]
Р~ (XoM)2E2oG(cos20—63) /960, (3.45)
где G — коэффициент; 6 — поправка, учитывающая ко-
нечную ширину щели; 0 — угол между плоскостью поля-
ризации волны поля помехи и нормалью к длинной сто-
роне щели.
63
Напряженность поля помехи, создаваемая в экрани-
руемом пространстве при переизлучении щелью мощно-
сти Р, равна
^(/бОРС'Д. (3.46)
Комбинируя формулы (3.45) и (3.46), получаем
1^ш| = 4-ц-С059 + К(8). (3.47)
Влияние конечной толщины стенки экрана в районе ще-
ли можно учесть по аналогии с выражением (3.42) та-
ким образом:
|Кэш| ^[>>cos6 + K(«)]e.xp (--^), (3.48)
где /щ — длина щели. Коэффициент G зависит от от-
ношения длины волны Хо к длине щели 1Щ, например
для полуволновой щели 6^1,64 [5]; поправку же К (б)
можно учесть в виде
Лэ (б) ^/3щАщ/Зл2Хо£2э, (3.49)
где Лщ — ширина щели.
Приведем расчет затухания СВЧ экрана для гетеро-
динного клистрона балансного СВЧ преобразователя
(рис. 3.6). Исходные данные: экран изготовлен из алю-
миния и имеет диаметр и высоту 50 мм; толщина стенки
экрана /э=1 мм; в экране для охлаждения клистрона
выполнена перфорация в виде 200 круглых отверстий
диаметром d=3 мм; длина волны экранируемого поля
паразитного излучения клистрона около 3 см.
Вначале определим составляющую экранного затуха-
ния при однородной экранировке. По рис. 3.3 Аэ>
>200 дБ. Из рис. 3.2 Лэотр=^75 дБ. Из формулы (3.14)
Лф=9,6 дБ. По формуле (3.22) определяем, что длина
волны помехи попадает в спектр резонансных длин волн
внутренней полости экрана, поэтому из кривых рис. 3.5
Лре.з^=75 дБ. Окончательно по формуле (3.23) получаем,
что для сплошного алюминиевого экрана Ао>2ОО дБ.
Теперь рассчитаем потерю экранного затухания из-за
перфорации экрана круглыми отверстиями. Для этого
воспользуемся формулами (3.38) и (3.43), откуда
Лэп^29 дБ. Поскольку Лэгг<сА0, то составляющей экран-
ного затухания при однородной экранировке можно пре-
небречь.
64
Таким образом, перфорированный цилиндрический
экран из алюминия обеспечит экранное затухание для
паразитного излучения клистрона нс более 29 дБ, но при
этом появляются благоприятные условия для естествен-
ного воздушного охлаждения клистрона.
Как видно из рис. 3.7, для обеспечения более высо-
ких значений экранного затухания конструировать стен-
ку цилиндрического экрана следует из перфорирован-
ного листа с отверстиями меньшего диаметра, но для
поддержания заданного режима охлаждения необходи-
мо сохранить прежним отношение
Теперь рассмотрим несколько подробнее вопросы рас-
чета и конструирования функциональных сосредоточен-
ных неоднородностей СВЧ экранов.
Фазовые углы коэффициентов для этих неоднород-
ностей, входящие в формулы (3.37) и (3.39), так же
как и сами коэффициенты неоднородностей, трудно опре-
делить строго в аналитическом виде; это можно сделать
лишь приближенно. Так, например, из формулы (3.3)
следует, что фазовый угол коэффициента экранирования
металлического экрана равен
?о Э - — arctg
lY| . |Y| , J Wo „
sh y? s,n /2+2 |ГЭ| X
ch JIL cos ±L
/2 K2
xyhTFs,n Ws,l7TcosTTj
И lYf , ь M i |Y| '
x lsh 7Гcos 7Г + ch wsln тл
Выражение (3.50) справедливо, если |^э|- Фазо-
вые углы для п различных функциональных неоднород-
ностей можно записать в виде
-2л/э/Хо, (3.51)
причем £э берется в месте расположения конструктивной
неоднородности.
Реально сосредоточенные неоднородности экранов
представляют собою дополнительные пути для проник-
новения поля помехи в экранируемое пространство или
из него, и они тем самым приводят к снижению общего
экранного затухания. Когда общее экранное затухание
5—852 • 65
становится меньше заданного, применяют специальные
конструктивные меры для увеличения его за счет умень-
шения коэффициентов влияния сосредоточенных неодно-
родностей. Если сосредоточенные неоднородности пред-
ставляют собой отверстия различных форм, то, как
следует из формул (3.42), (3.43) и рис. 3.7, для уменьше-
ния их влияния на качество экранирования следует
увеличивать толщину стенки экрана в местах их располо-
Стенка экрана или корпуса
Сварка
Сварка
h
Цилиндрические
разрезные
пружинные
контакты
Рис. 3.8. Конструктивные схемы узлов в СВЧ экранах и корпусах
для механической настройки:
а —на основе электрического дросселя (Zi^W4; б — на основе
дросселя с хорошим контактом
жения. При этом увеличивается затухание электромаг-
нитного поля помехи внутри неоднородностей. Если раз-
меры отверстий в экранах или в электрогерметичных
корпусах сравнимы с длиной волны поля помехи, их
обычно экранируют металлической сеткой (вентиляцион-
ные окна) или металлизированными стеклами (смотро-
вые окна).
Еще одним конструктивным приемом уменьшения
влияния функциональных сосредоточенных неоднород-
ностей на качество экранирования является применение
различных дроссельных устройств, через которые необ-
ходимо обеспечить механическую регулировку или на-
стройку аппаратуры, находящейся в экранируемом про-
странстве. Принцип применения дросселей заключается
в том, что благодаря определенному конструктивному
выполнению механического привода электрический кон-
такт размещается в узле стоячей волны тока, при этом
66
требования к качеству контакта значительно снижаются
На рис. 3.8 приведены примеры конструктивных схем
дроссельных устройств. Конструктивный расчет дрос-
сельных устройств сводится к выбору такой длины плеч,
чтобы она была примерно равна четверти средней длины
волны помехи. В длинноволновой части СВЧ диапазона
дроссели конструктивно выполняются на сосредоточен-
ных LC элементах и представляют собой обычные за-
граждающие фильтры, методы расчета параметров ко-
торых хорошо известны. Достижимое значение экранно-
го затухания неоднородностей при наличии дросселей
составляет примерно 30—40 дБ.
Поскольку дроссели и СВЧ фильтра обладают ярко
выраженными резонансными свойствами, т. е. являются
очень узкополосными, то они применяются только для
защиты СВЧ устройств от внутреннего паразитного из-
лучения (см. рис. 1.3). Характерным примером может
быть узел для механической настройки через экран ге-
теродинного клистрона, показанный в виде прилива и
самостоятельного конструктивного узла 7 на рис. 3.6.
3.5. Особенности технологии и критерии выбора
материала для СВЧ экранов и электрогерметичных
корпусов
При разработке экранов и корпусов, кроме достиже-
ния необходимых электрических параметров, приходится
решать попутно различные сопряженные задачи, напри-
мер, обеспечение технологичности конструкций, удобства
эксплуатации, экономической целесообразности. Экраны
и электрогерметичные корпуса обычно изготавливаются
из тонколистового проката. В процесс производства вхо-
дят следующие операции заготовка, формообразование,
сборка и отделочные операции. Особенности и совер-
шенство технологии изготовления могут существенно
влиять на действительные электрические параметры
экранов и корпусов.
Так, для тонколистовых конструкций наиболее ра-
циональной является контактная сварка. Сварочный шов
может быть непрерывным или состоять из отдельных
участков (при точечной сварке). Более экономично и
производительно выполнять не сплошной шов, а точеч-
ный. Но при этом в местах, где шов отсутствует, могут
образоваться дополнительные пути проникновения поля
5*
67
помехи в экранируемое пространство. На участках, рас-
положенных между местами сварки, могут образоваться
щели из-за коробления материала при механических на-
грузках или провисания материала в момент выполне-
ния сварки и т. п., что также неизбежно скажется на
электрическом качестве и надежности изготовляемых
конструкций СВЧ экранов и корпусов. Для устранения
Рис. 3.9 Вариант конструкции вентиляционного окна мощного СВЧ
блока-
1 — корпус из листового алюминия, 2 — прижимная планка; 3—латунная
сетка
этих нежелательных явлений, сопутствующих простей-
шему способу соединения, приходится применять более
сложную технологию неразъемных соединений. Специ-
фические способы выполнения электрогерметичных
сплошных швов в СВЧ экранах и корпусах освещены
в [6, 7], посвященных технологии производства корпу-
сов РЭА.
Аналогичное неблагоприятное влияние на качество
экранирования могут оказывать места крепления экра-
нов к несущей основе. При недостаточном количестве
элементов механического крепления разъемных соеди-
нений экранов и корпусов возникает коробление мате-
риала по периметру крепления, что приводит к ухуд-
шению радиотехнических параметров экранирования.
Для предотвращения этих нежелательных явлений необ-
ходимо использовать различные прокладки, которые
устанавливаются по линии крепления. Кроме того, не-
68
обходимо ставить достаточное количество крепежнь!Х
элементов, исходя из действительной жесткости конст-
рукции экрана и корпуса. Последнее особенно важно и
необходимо, если между экраном и корпусом устанав-
ливаются эластичные уплотняющие или электрогерме-
тизирующие конструктивные элементы. Весьма специ-
фично конструктивное оформление вентиляционных и
Рис. 3 10 Конструкции разъемного
стяжного контактного соединения
электрогерметичного корпуса:
а — контакт обеспечивается по линии; вы-
сокое удельное контактное давление и
малое переходное сопротивление, б — кон-
такт осуществляется по поверхности,
удельное контактное давление уменьшено
при той же затяжке винтов, переходное
сопротивление увеличилось
Рис. 3.11. Вариант кон-
струкции высокогерметич-
ного разъемного узла:
/, 2 — части корпуса прибора
СВЧ, 3 — промежуточные кон-
тактные элементы, 4 — уплотни-
тель; 5 —гайка; 6 — стяжной
болт; 7 — втулка, 8 — контакт-
ная пружина; 9 — самонарезаю-
щий винт
смотровых окон в электрогерметичных корпусах
устройств СВЧ. На рис. 3.9 показано возможное конст-
руктивное решение вентиляционного сетчатого окна
в корпусе мощного СВЧ генератора. Подобная конст-
рукция окна обеспечивает необходимую вентиляцию вну-
тренней полости СВЧ блока, электромагнитную герме-
тичность его при тщательной заделке сетки с помощью
пайки и хороший электрический контакт по периметру
заделки окна [8, 9].
Разъемные узлы крепления крышек электрогерметич-
ных корпусов могут выполняться по-разному. На
рис. 3.10 показаны две простейшие конструктивные схе-
мы выполнения крепления съемных крышек (люков)
литых электрогерметичных корпусов устройств СВЧ.
В некоторых случаях приходится (для достижения вы-
сокой электрогерметичности) значительно усложнять
конструкции соединений, предназначенные для частой
разборки и сборки.
69
Рис. 3.11 иллюстрирует оДин из возможных вариай-
тов проработки разъемного соединения высокоэлектро-
герметичного корпуса прибора СВЧ.
При выборе материалов для СВЧ экранов и корпу-
сов устройств СВЧ необходимо, в первую очередь, учи-
тывать необходимость удовлетворения требуемых элек-
трических характеристик цри заданных типе и структуре
волн поля помехи. Для изготовления стенок экранов и
электрогерметичных корпусов могут применяться метал-
лы, поглощающие материалы и диэлектрики, а в мно-
гослойных конструкциях экранов — диэлектрики, метал-
лы, полупроводники и поглощающие материалы в раз-
личных комбинациях.
Рассмотрим, какие материалы выгодно применять
для получения наименьшего коэффициента экранирова-
ния при одинаковых конструктивных размерах экранов.
Для этого вернемся к формуле (3.3) и получим из нее
приближенное выражение для модуля коэффициента
экранирования плоского металлического экрана при до-
статочно большой толщине экрана
|К,| = 2 |/2W/(o,n.)exp(- V^i2)t,). (3.52)
Из (3.52) видно, что модуль коэффициента экраниро-
вания для плоского металлического экрана и для поля
помехи в виде плоской волны, падающей нормально
к поверхности экрана, зависит от удельной проводимо-
сти материала о/ и магнитной его проницаемости р.
При возрастании удельной проводимости токонесущей
пленки начинают усиливаться два эффекта, определяю-
щие экранирование металлическим экраном:
— увеличивается отражение падающей волны от по-
верхности экрана (уменьшается коэффициент перед экс-
понентой) ;
— увеличивается относительное затухание в мате-
риале экрана при более интенсивном возбуждении ви-
хревых токов (увеличивается модуль отрицательного
показателя экспоненты).
Например, при увеличении удельной проводимости
пленки в 4 раза коэффициент экранирования уменьша-
ется примерно в 15 раз, что при прочих равных условиях
эквивалентно увеличению толщины стенки экрана в 2,7
раза. Отсюда ясно, что для металлических экранов целе-
сообразно применять металлы с высокой удельной про-
водимостью поверхностного слоя, такие как медь и алю-
70
миний или сплавы на их основе с соответствующими за-
щитными и декоративными покрытиями
При возрастании магнитной проницаемости материа-
ла экрана модуль коэффициента экранирования умень-
шается, но в меньшей степени, чем при возрастании
удельной проводимости поверхностного токонесущего
слоя, потому что одновременно происходит два в какой-
то степени противодействующие процесса уменьшается
отражение электромагнитной волны поля помехи от по-
верхности экрана и увеличивается затухание волн поля
помехи при распространении в толще экрана При уве-
личении магнитной проницаемости в 4 раза модуль ко-
эффициента экранирования уменьшается в 3,7 раза От-
сюда видно, что в качестве материалов для экранов
можно применять и ферромагнитные материалы, напри-
мер низкоуглеродистые конструкционные стали Особен-
ностью использования ферромагнитных материалов для
экранов является то, что их нельзя располагать вблизи
СВЧ узлов, управлямых низкочастотными полями, так
как они обладают большими коэффициентами реакции
Окончательный выбор материала может быть сделан,
исходя из конкретных требований к экрану или электро-
герметичному корпусу
При использовании для изготовления СВЧ экранов
металлических материалов необходимо учитывать, что
их электротехнические свойства в значительной степени
зависят от вида предшествующей механической обра-
ботки Если процесс изготовления экрана включает опе-
рации, содержащие механические деформации материа-
ла, его удельная проводимость и магнитные свойства
из-за наклепа могут существенно измениться в худшую
сторону, что приведет к ухудшению электрических пара-
метров всего экрана Поэтому технология изготовления
в таких случаях должна предусматривать после механи-
ческого формообразования отжиг экрана с целью вос-
становления электротехнических свойств исходного кон-
струкционного материала
Свойства материала экрана зависят также от спосо-
ба формообразования его конструкции Так, при элек-
тротехническом нанесении металла на какой-либо ди-
электрический носитель из-за пространственной рыхло-
сти получаемого слоя металла, его свойства обычно
отличаются от свойств однородной массы исходного ме-
талла, поэтому в этих случаях целесообразно включать
71
операции по уплотнению токонесущей пленки. Это же
необходимо учитывать при нанесении антикоррозийных
и других покрытий, приводящих к изменению свойств
исходного токонесущего материала экрана.
Радиопоглощающие материалы (РПМ) в качестве
материалов для СВЧ экранов применяются только в том
случае, если от экрана требуется не только обеспечение
высоких экранирующих качеств, но и минимальные зна-
чения коэффициента реакции. Поглощающие материалы
изготавляются на основе диэлектрика с добавлением
в него мелкодисперсных веществ с низкой удельной про-
водимостью. При этом результирующая диэлектрическая
проницаемость РПМ зависит от диэлектрической прони-
цаемости основы и от удельной проводимости добавлен-
ной фракции и может быть выражена в виде
s^=s —(3.53)
где 8 — диэлектрическая проницаемость основы; Оф—
удельной проводимости материала экрана, зависящая от
удельной проводимости фракции и ее процентного содер-
жания.
Для коэффициентов экранирования и реакции экрана
из поглощающего материала в первом приближении, ис-
пользуя выражения для коэффициентов отражения на
границах сред и подставляя значения волновых сопро-
тивлений свободного пространства и поглощающего ма-
териала, можно из выражений (3.3) и (3.4) получить
следующие соотношения:
“ 2 1/"V 2^°2 еХР У +
У V е2 + а2ф/<02 у
(3.54)
ео
j/"e2 + а2ф/<02
Из этих соотношений видно, что качество экраниро-
вания улучшается при увеличении диэлектрической про-
ницаемости его основы и процентного содержания или
проводимости добавленной поглощающей фракции. Но
при этом одновременно возрастает коэффициент реакции
72
экрана. Использование же поглощающйх материаЛой
с малыми значениями диэлектрической проницаемости
и проводимости приводит к значительному увеличению
толщины слоя поглотителя, хотя и позволяет значитель-
но уменьшить коэффициент реакции. На практике ре-
шают эту альтернативу, исходя из реальных требований
к экранам. Возможным решением может быть примене-
ние многослойных экранов или согласование экрана
с внешним пространством, при котором его поверхность
Рис. 3 12 Уменьшение реакции экрана из поглотителя за счет пере-
отражении электромагнитной волны помехи на его сложной наруж-
ной поверхности
изготовляется с периодическими выступами (рис. 3.12)
[10]. Размер выступов зависит от частотного диапазона,
в котором используется поглощающий материал и обыч-
но составляет примерно %о/4. Угол 0 выступов опреде-
ляет степень переотражений падающей электромагнит-
ной волны помехи в процессе отражения и поэтому
влияет на получаемую величину | /?р |. При уменьшении
угла 0 величина |£р| также уменьшается.
Необходимо рассмотреть также влияние обработки
поверхностей металлических экранов на качество экра-
нирования. Важным явлением, ухудшающим экрани-
рующие свойства экранов, являются поверхностные вол-
ны. При падении электромагнитной волны помехи на
реальную (обладающую определенной частотой поверх-
ности) поверхность экрана не вся энергия поля падаю-
щей волны распределяется между отраженной и прелом-
ленной волной, а часть ее распространяется вдоль по-
верхности экрана в виде поверхностных волн. Причем
эта часть энергии тем больше, чем больше микронеров-
ности и угол падения волны помехи. Распространяясь
с малым затуханием вдоль наружной поверхности экра-
на поверхностные волны могут существенно изменять
структуру и значение поля помехи в тех областях, где
экран или корпус имеет конструктивные неоднородности,
73
T. e. в местах соединений, на швах, на вентиляционных
отверстиях и т. п. Аналитическая оценка влияния по-
верхностных электромагнитных волн практически невоз-
можна, и для определения оптимальной конструкции
экрана для подавления поверхностных волн используют
экспериментальные методы. Уменьшение влияния по-
верхностных волн на качество экранирования обычно
достигают повышением класса чистоты поверхности
экранов или нанесением на наружную поверхность экра-
на локализующих поверхностные волны радиопогло-
щающих покрытий незначительной геометрической тол-
щины.
В общих словах рекомендации по выбору технологи-
ческого процесса производства экранов и электрогерме-
тичных корпусов сводятся к определению и отработке
таких заготовочных, формообразующих и сборочных опе-
раций (иногда даже в ущерб экономическим моментам),
которые с высокой надежностью гарантировали бы реа-
лизацию конструкций с заданными радиотехническими
параметрами.
3.6. Особенности применения радиопоглощающих
материалов, металлических и диэлектрических экранов
в антеннах СВЧ
Особенности применения РПМ в конструкциях зеркальных
антенн. Проблема ЭМС и экранирования в технике антенн СВЧ
стоит не менее остро, чем в устройствах СВЧ «замкнутого» типа.
Антенна СВЧ представляет собой устройство, формирующее на не-
которой физической поверхности или на некоторой условной поверх-
ности (в апертуре или в раскрыве) заданный закон распределения
электромагнитного поля. Со стороны апертуры (раскрыва) антенна
«открыта». Именно через раскрыв происходит излучение электро-
магнитной энергии в свободное пространство.
Действительные характеристики излучения антенны однозначно
определяются относительными размерами раскрыва и фактическим
законом распределения электромагнитного поля по раскрыву. Отли-
чие этого закона от расчетного определяется двумя причинами:
1) погрешностями выполнения конструкции антенны и отдельных ее
узлов; статистическая теория антенн позволяет установить коли-
чественные взаимосвязи между девиацией характеристик излучения
и погрешностями выполнения конструкций антенн; 2) особенностями
электрического и конструктивного решения антенн, а также влия-
нием различного рода внутренних (т. е. присущих данному типу
антенны) и внешних дестабилизирующих факторов.
Применяя РПМ, металлические и диэлектрические экраны, мож-
но значительно улучшить характеристики излучения антенн СВЧ.
Специфику применения РПМ рассмотрим на характерном случае
конструирования зеркальных антенн с особой кромкой отражателя.
74
Геометрию конструкции зеркальной антенны и ее размеры .выбирают,
исходя из задаваемых характеристик излучения антенны.
Если задан коэффициент усиления антенны, то пренебрегая ве-
личиной полных активных потерь в ней, легко найти относительную
площадь раскрыва антенны S/X20, обеспечивающую это усиление.
Действительный уровень бокового излучения Ад для синфазных
антенных систем зависит от закона распределения интенсивности
поля по раскрыву (спадающее к краям амплитудное распределение
дает меньший уровень бокового излучения). По заданному Л^д на-
ходят коэффициент использования поверхности, это позволяет уточ-
Рис. 3.13. Образование обратного излучения:
а — схема зеркальной антенны; б — формирование паразитного излучения зер-
кальной антенны в задней полусфере; 1 — теоретическая диаграмма NT; 2 —
за счет «переливания» за края зеркала М(РП0Т); 3 — за счет токов на те-
невой поверхности ЛГ(РТ); 4 — суммарное поле обратного излучения
нить по известным формулам значение S/X20. Абсолютная площадь
раскрыва S легко определяется для известного рабочего диапазона
антенны %0.
При проектировании и конструировании зеркальных систем не-
обходимо иметь в виду важную схемную особенность, присущую
этим типам антенн.
Невозможно сконструировать облучатель так, чтобы вся излу-
чаемая им мощность РОбл(0; <р) попадала бы на зеркало; всегда
некоторая часть энергии будет проходить мимо зеркала, образуя
тем самым мощность потерь РПот антенны и создавая паразитное
излучение в задней полусфере антенны (рис. 3.1) [5, 10]. Часть
энергии облучателя Рвот всегда «переливается» за края зеркала,
образуя в телесных углах л—0 и л+0 дополнительный по отноше-
нию к теоретическому фон бокового излучения ЛГ(РПот) (рис. 3.13,а).
Часть поверхностных СВЧ токов гт с освещенной поверхности
зеркала «затекает» на теневую поверхность; эти токи являются при-
чиной появления мощности обратного излучения Рт(г’т), которая
также увеличивает излучение в обратной полусфере зеркала на ве-
личину
Кривая 4 на рис. 3.13,6 иллюстрирует суммарное поле обратно-
го излучения в одной из плоскостей излучения. Конструктивная про-
работка зеркальной антенны должна сводиться к минимизации двух
первоначальных величин: мощности РПот «переливающейся» за края
75
отражателя и СВЧ токов гт, затекающих на теневую поверхность
зеркала Есть два конструктивных способа уменьшения токов, зате-
кающих на теневую поверхность зеркала выполнение по контуру
зеркала четвертьволновой канавки, подобной применяемой в волно-
водных фланцевых соединениях, нанесение РПМ на кромку зеркала
и часть теневой поверхности по всему периметру отражателя [5, 10]
Нанесение поглотителя дает больший эффект и в широкой полосе
частот, а наличие четвертьволновой канавки уменьшает ток гт толь-
ко на одной резонансной частоте, но не подавляет дифракцию поля
облучателя на кромке зеркала Выполнение сплошной канавки по
S)
Рис 3 14 Конструкция кромки зеркала с четвертьволновыми ка-
навкой и отбортовкой (а) уменьшение мощности, «переливающей-
ся» за края зеркала гри установке экрана-тубуса (РПот2<-Рпот1) (б)
периметру крупногабаритных зеркал является сложной конструктор-
ской и технологической задачей Поэтому известные конструкции
СВЧ антенн с пониженным обратным излучением обычно имеют
кромку, обработанную РПМ
На рис 3 14,а показана конструкция кромки отражателя с чет-
вертьволновой ловушкой против токов «затекания» с нанесенным
поглотителем, для усиления эффекта чегверьтволновой выполнена не
только канавка по периметру, но и сама наружная кромка зерката
Применение металлических экранов для улучшения характери-
стик зеркальных антенн. Для уменьшения РПОт, 4еряющейся за края
ми зеркала, устанавливается цилиндрический тубус — металлический
экран по контуру зеркала, имеющий высоту //=5г(0,2—0,3)£)3рк Зер-
кало прилегает к тубусу вплотную, здесь же возможно нанесение
РПМ на наружную и внутреннюю поверхности тубуса — экрана
(рис. 3 14,6). Более точно высота цилиндрического экрана Н может
быть определена из простых геометрических построений и так, чтобы
обеспечить значение Рпотг. уходящей за наружную кромку тубуса,
не более допустимого
Конструкция 8-мм параболической антенны с цилиндрическим
тубусом экраном показана на рис 3 15 Уменьшение мощности рас-
сеяния достигается вводом волновода, питающего рупорный облуча-
тель через вершину зеркала В такой конструкции антенны армату-
ра крепления облучателя в фокусе отсутствует Попутно заметим,
76
что Использование тубусов-экранов и поглотителя в каждой из двух
приемопередающих антенн, работающих в непрерывном режиме, зна-
чительно снижает уровень паразитной связи между ними (т. е.
уменьшаются паразитные электромагнитные связи Эь Э2 и Э,, пока-
занные на рис. 1.6).
Применение металлических дифракционных экранов в зеркаль-
ных антеннах. В последнее время для улучшения радиотехнических
характеристик зеркальных антенн делаются попытки использовать
дифракционные явления, имеющие место на металлических кромках
основного зеркала. Отражатель зеркальной антенны можно предста-
Рис. 3.15. Конструкция 8-мм зеркальной антенны с экранирующим
тубусом, поглотителем и конструкции облучателя, создающего ми-
нимум затенения зеркала
вить как металлический, разомкнутый, конечных размеров экран, за-
щищающий от интенсивного излучения облучателя заданную полу-
сферу антенны. В данном случае речь идет о специальной форме
незамкнутых металлических экранов для открытых СВЧ конструк-
ций, используемых для локализации или изменения паразитного
электромагнитного излучения заведомо с известными параметрами
и проходящего с неизменного направления (см. § 2.3).
Принцип действия дифракционных экранов состоит в следующем.
Если геометрические размеры зеркальной антенны и облучателя не-
изменны, то при работе на фиксированной длине волны л0 в области
геометрической тени за отражателем существует суперпозиция двух
полей: поля облучателя и дифрагированного поля па кромке отра-
жателя. Поэтому, изменяя конструкцию края отражателя антенны,
можно управлять дифрагированным полем, и тем самым получить
некоторое ослабление суммарного поля в теневой области. В рабо-
тах [11, 12] рассматривается возможность применения ступенчатой
кромки отражателя или ступенчатой импедансной насадки для улуч-
шения радиотехнических характеристик зеркальных антенн.
77
На рис. 3.16,а показан параболический отражатель зеркальной
антенны, имеющей две двойные асимметричные, диаметрально раз-
несенные ступеньки. Ширина ступенек Ь\ и 62 выбирается равной и
не менее 2Ло, их высота — соответственно ci^l,5X0 и а2^:0,75Ло. Та-
кие размеры двух двойных и асимметричных ступенек в плоскости
дают ослабление излучения в области тени на 8—10 дБ (рис. 3.16,6).
Рис. 3.16. Конструкции кромки зеркала для подавления обратного
излучения в одной плоскости (а) с диаграммой обратного излуче-
ния в этой плоскости (б) и ступенчатой кромки по всему перимет-
ру зеркала (в) с диаграммой обратного излучения в произвольной
плоскости зеркала со ступенчатой кромкой (а)
При этом ослабления в усилении в главном направлении излучения
(по оси г) и нарушений в поляризационной структуре поля практи-
чески не наблюдаются. Для подавления обратного излучения в двух
плоскостях (ф и 6) в области тени становится необходимым всю
кромку параболического отражателя выполнить ступенчатой
(рис. 3.16,0) • Высота ступенек и шаг их расположения по периметру
78
уточнялся экспериментально. Такой ступенчатый дифракционный
экран (из того же металла, что и отражатель) обеспечивал снижение
интенсивности излучения в области тени зеркальной антенны в сред-
нем на 6—8 дБ (рис. 3.16,г).
Существенным недостатком ступенчатых дифракционных экра-
нов оказывается их узкополосность (при изменении Ло на 10% по-
Рис. 3.17. Дифференциальный экран из спиральных срезов:
1 — параболическое зеркало антенны; 2 и 3 — спиральные срезы по кромке
отражателя
давляющего действия экрана в области тени фактически не наблю-
дается) .
Лучшими диапазонными свойствами обладают так называемые
дифракционные экраны из спиральных срезов [11]. На автономном
металлическом цилиндрическом кольце-экране, закрепляемом на
кромке основного зеркала два или большее (но четное число) спи-
ральных среза (рис. 3.17). Каждая пара спиралей имеет встречное
направление. Шаг спиралей выбирается так, чтобы разность расстоя-
ний от плоскости раскрыва зеркала двух любых диаметрально рас-
положенных кромок была равна половине средней волны рабочее
диапазона Хоер- Экспериментальные исследования дифракционные
экранов этого типа показали, что в 10%-ом диапазоне изменения
рабочей длины волны применение экранов уменьшало интенсивность
излучения в теневой области антенны па 8—10 дБ. Следует отметить
также конструкторско-технологические достоинства спиральных диф-
ракционных металлических экранов по сравнению со ступенчатыми,
79
изготовление которых совместно с крупногабаритными зеркалами
всегда связано со значительными производственными трудностями.
Применение диэлектрических экранов для повышения эффектив-
ности зеркальных антенн. В большинстве практических случаев СВЧ
антенна располагается вблизи земной поверхности; иногда в непо-
средственной близости от раскрыва антенны размещаются элементы
различных конструкций или сооружений. В результате паразитных
переотражений излучаемого электромагнитного поля при работе
антенны на передачу или на прием (паразитные связи Э1 и Эг, пока-
занные на рис. 1.5 и 1.6) действительные характеристики излучения
ухудшаются по сравнению с расчетными. В этой связи частной кон-
структорской задачей по ЭМС в технике антенн является задача
минимизации отражений от близрасположенных предметов. Очень
часто таким мешающим предметом-отражателем оказывается подсти-
лающая земная поверхность. Рассмотрим способы уменьшения ме-
шающего влияния подстилающей земной поверхности на характери-
стики антенны с помощью диэлектрических экранов.
Принятый антенной от земли переотраженпый сигнал является
суммой множества частных сш налов, имеющих одинаковую частоту,
по отличающихся по амплитуде и фазе. Характер отражений от зем-
ли зависит от длины волны, вида поляризации электромагнитной
волны, высоты установки антенны и диаграммы направленности
самой антенны. С увеличением ширины диаграммы антенны, числа
и уровня боковых лепестков все большее число элементарных участ-
ков земли будут участвовать в формировании суммарного отражен-
ного сигнала, попадающего в раскрыв зеркальной антенны. Поэтому
при теоретическом анализе переотраженную подстилающей поверх-
ностью электромагнитную мощность удобно считать шумовой мощ-
ностью, излучаемой непосредственно земной поверхностью.
Мощность шумов, наводимых в антенне за счет отражений от
местных предметов и земли, принято характеризовать антенной тем-
пературой, которая для антенны без потерь может быть представле-
на в виде суммы (рис. 3J8) [13]
7’~7’гл+7’б,
(3.55)
где первое слагаемое
учитывает составляющую антенной температуры, обязанную приему
излучения от земли на главный лепесток диаграммы направленности,
а второе слагаемое
? f Т3(Ъ 9)^
Тб =
определяет долю антенной температуры, обусловленную приемом
излучения по боковым лепесткам диаграммы или так называемой
областью рассеяния антенны.
80
В выражениях (3.56) и (3.57): 0 — коэффициент рассеяния
антенны; оГл — коэффициент усиления (КУ) антенны по главному
лепестку; Г3(ф, 0)—яркостная температура излучения местных
предметов и земли в телесном угле Q (<р, 0) (рис. 3.18); Е(ф, 0) •
нормированная диаграмма направленности антенны по мощности;
Тз ср б —среднее значение яркостной температуры местных предме-
Рис. 3.18. Уменьшение влияния отражений от земли при установке
диэлектрического .экрана в раскрыве зеркальной антенны
тов и земли в области рассеяния. Коэффициент рассеяния антенны
равен
₽ = = 1 - (3.58)
где Рб — мощность, излучаемая антенной в секторе, занимаемом бо-
ковыми лепестками; Р% — полная мощность, излучаемая антенной.
Рассмотрим конкретный пример с зеркальной антенной. Если
в плоскости раскрыва зеркала создано распределение поля вида
Д+(1-нД)[1-(р/р0)2р, р=0, 1, 2, 3, ...,
где Д— значение поля на краю зеркала, то
2тс р0
Р, с f С {Д 4- (1 - Д) [1 - (р/р0)2]Р} pdpdf; (3.59)
6 о
2тс %
А-л~с[ F (<р, 6) sin 6d0(Z<p, (3.60)
о 6
где 0 — ширина главного лепестка диаграммы по нулям; с — некото-
рая константа.
6—852 81
Относительное значение мощности, отражаемой от земли и те-
лесном угле Q(q>, 0) и принимаемой зеркальной антенной, может
быть рассчитана по приближенной формуле (рис. 3.18) [13]
Р _ 6)PoaG2(?» 6) A2 sin е0 /q R1.
'отр — 128л3//2 ’ V501)
где РизлСф, 0) и G(<p, 0)—мощность излучения и КУ антенны
в данном направлении; о — эффективная площадь рассеяния подсти-
лающей поверхности; // — высота размещения антенны над землей.
Рассмотрим конструктивный способ уменьшения влияний отра-
жений от земли при установке диэлектрического экрана в раскрыве
антенны (рис. 3.18).
При жесткой фиксации плоскопараллельной диэлектрической
пластины-экрана относительно зеркальной антенны параллельный пу-
чок'лучей (прямой луч антенны), падающий под углом Брюстера
(<рБ) па диэлектрический экран (как это следует из гл. 2), будет
проходить через него практически без искажений. Действительно,
для параллельного пучка лучей нижней половины зеркала, падаю-
щих на диэлектрический экран под углом Брюстера, должны выпол-
няться следующие соотношения R—>0, а Т—>-1 (рис. 3.18). В силу
диффузного рассеяния лучи, отраженные от земной поверхности, па-
дают снаружи на диэлектрический экран под произвольными углами,
отличными от угла Брюстера. При этом значительная часть мощно-
сти будет снова переотражаться в сторону Земли и не попадают
в антенну. Максимальное значение коэффициента отражения для
волн, идущих от земли и падающих на диэлектрический экран, мо-
жет быть найдена по формуле
Ямакс (И Гг - 1)/(К^4-1). (3.62)
Однако от некоторого участка земной поверхности луч может упасть
на пластину все же под углом Брюстера <р'Б. Установкой экрана из
РПМ между землей и диэлектрической пластиной-экраном в раскры-
ве антенны можно добиться значительного ослабления этого луча.
При установке диэлектрического экрана таким образом, наблю-
дается некоторое эффективное уменьшение КУ антенны в телесном
угле Q(<p, 0), т. е. в телесном угле прихода электромагнитной вол-
ны, переотражаемой земной поверхностью в раскрыв зеркала. Отно-
сительное падение усиления зеркальной антенны при наличии ди-
электрического экрана для паразитного излучения, принимаемого
в телесном угле Q(ср, 0), следует находить по формуле
КУсэ(<р,
6) =5: КУбез э (?» 8)
Иег — 1 У
+ 1 )
(3.63)
Из формулы (3.63) следует, что желательно иметь экран с ма-
ксимально возможным значением еч.
Эффективность действия диэлектрического экрана рассмотрим
на конкретном примере. В качестве материала экрана выберем ке-
рамику с ег=9 и tg 6 = 0,002. Из (3.63) для ег=9 <рБ=71°, имен-
но под таким углом устанавливается экран к оси зеркальной антен-
ны (рис. 3.18). Если рабочая длина волны антенны %0=3,2 см, то,
подставляя в (2.33) 8Г = 9 и фпад= Б=7Г, определим толщину
диэлектрического экрана /'=«1,09 см. Однако геометрическую толщи-
82
ну экрана необходимо взять в два раза большей, т. е. t=2t'=
= 2,18 см; именно эта геометрическая толщина экрана обеспечит
сдвиг по фазе, равный 2л между фронтами плоских волн, проходя-
щими через экран и вне его. Таким образом, присутствие экрана не
нарушит синфазности плоского фронта электромагнитной волны, со-
здаваемой и излучаемой параболическим зеркалом.
Конечное значение tg б = 0,002 приведет к незначительной асим-
метрии амплитуды поля в раскрыве зеркала за счет активных по-
терь в диэлектрике экрана. Уменьшение КУ по сравнению с расче-
том можно найти из номограм-
мы рис. 2.4 при подстановке
tg б, ег ко и t, а также учиты-
вая фактический путь прохо-
ждения электромагнитных волн
в диэлектрике. Полученный из
номограммы результат следует
разделить на два, так как эк-
ран закрывает только половину
раскрыва зеркала. В результате
такого расчета нетрудно устано-
вить, что относительное уменьше-
ние КУ в направлении главного
лепестка диаграммы не будет
превышать пренебрежимо малого
значения 0,04 дБ.
Эффективность действия ди-
электрического экрана по экраниро-
Диэлектрический
кт«'!
Рис. 3.19. Схематическое изо-
Фазовый
центр
рдпора
Главный рефлектор
вопомогательнь/й
рефлектор
ванию раскрыва зеркала от пара-
зитного переизлучения земного по- gp
крова складывается из потерь за р
счет отражения от экрана Аэ Отр
и поглощения в диэлектрике экра-
на Лэ погл [см. формулу (1.20)1.
Значение Лэ погл как функцию er, tg б,
из номограммы рис. 2.4; для принятых
ажение антенны Кассегрена
диэлектрическим конусом-
экраном
%о и t по-прежнему найдем
значений получим Лэ погл~
~0,1. Значение Лэ погл легко можно найти с помощью формулы
(3.62) или (3.63). Численная оценка параметра ЛЭ0Тр = 21 дБ. Это
значит, что мощность отраженных от Земли электромагнитных волн
(Ротр на рис. 3.18) полным действием экрана (Лэ погл+Лэ отр)
будет ослаблена примерно на 2,2 дБ.
Полная эффективность диэлектрического экрана 5Эфф э дБ =
=ЛЭ погл+Лэ отр невелика, но следует иметь в виду, что улучшение
эффективности антенны по одному параметру в 1,5—2 раза без сколь
заметного ухудшения других параметров является несомненным тех-
ническим достижением. Отметим также, что эффективное использо-
вание в технике антенн СВЧ плоских диэлектрических экранов на
эффекте Брюстера возможно только для линейной и параллельной
поляризации. В то же время для увеличения эффективности зеркаль-
ных антенн СВЧ находят применение и диэлектрические экраны
сложной формы, действие которых основано как на эффекте Брюс-
тера, так и на закономерностях прохождения электромагнитных
волн через диэлектрические оболочки сложной формы.
Например, энергетическая эффективность антенны будет значи-
тельно повышена, если вместо пластины в раскрыве зеркальной
антенны установить диэлектрический конус с углом при вершине 2<рБ>
6*
83
Такое конструктивное решение позволяет уменьшить влияние
отражений не только от земли, но и от любых других предметов,
находящихся вблизи антенны.
Диэлектрический конус-экран может применяться и в двухзер-
кальных антеннах; так, в антенне Кассегрена конус располагается
навстречу большому зеркалу, охватывая своим основанием малое
зеркало (рис. 3.19). Размеры малого зеркала можно уменьшить без
Рис. 3.20. Увеличение развязки между антеннами, работающими
в непосредственной близости от земли с помощью системы диэлек-
трических экранов
потерь в усилении, так как конус кроме защиты от паразитных
электромагнитных отражений в некоторой степени концентрирует
мощность излучения облучателя на малом зеркале.
Так как малое зеркало может монтироваться непосредственно
на конусе, то нет необходимости применять конструктивные узлы
для его крепления. При этом уменьшается затенение большого зер-
кала элементами крепления и улучшается ЭМС конструктивных
узлов в двухзеркальной антенне. Определенный дополнительный
эффект в уменьшении влияния паразитных отражений дает приме-
84
нение (как в однозеркальных, так и во многозеркальных антеннах)
тубусов, наружная поверхность которых покрыта поглотителем
Как показывает практика, развязка между антеннами РЛС не-
прерывного излучения, находящимися на значительном удалении от
земли, составляет в среднем 60—80 дБ При работе же на небольшой
высоте от земли (//=1,5—2,5 м) развязка ухудшается до 40—50 дБ.
Поэтому необходимы дополнительные конструктивные меры по
устранению вредного отражения от земли («связи через землю»).
Связь между антеннами может быть оценена по формуле [13]
^прм ^прм£прдДпрм^прд^-2оа
//» Р2 Р2 V, (3.64)
ЛфД---------------------------------------(4эт3) /?21/?22-' '
где GnPM и бпрд — усиление приемной и передающей антенн, £прм
и £Прд — уровни боковых лепестков приемной и передающей антенн
в направлении на участок подстилающей местности, V — множитель
Земли, J?i и /?2 — расстояние соответственно от передающей и при-
емной антенн до участка подстилающей местности, о — эффективная
отражающая поверхность земли, за счет которой уменьшается раз-
вязка между антеннами
Диэлектрические экраны можно использовать и для увеличения
развязки между передающей и приемными антеннами РЛС непре-
рывного излучения, работающими в непосредственной близости от
земли (рис 3 20) Действие диэлектрических экранов при установке
их между антеннами непрерывного излучения сводится к подавле-
нию их усиления и уровня их бокового излучения в пространстве
непосредственно между ними и между ними и землей При этом ха-
рактеристики излучения обеих антенн, как в случае одной зеркаль-
ной антенны с одним плоским диэлектрическим экраном (рис 3 19),
фактически остаются неизменными
Возможна также замена плоских экранов диэлектрическими ко-
нусами, закрывающими только облучатели обеих зеркальных антенн.
Конструкции антенн при этом становятся более совершенными,
а технологические процессы их производства и настройки значитель-
но упрощаются
Развязку между антеннами непрерывного излучения можно уве-
личить и другими приемами экранирования Непосредственные па-
разитные связи между облучателями антенн и их отражателями
могут быть значительно ослаблены применением плоских металличе-
ских экранов, располагаемых между антеннами Однако лучший
эффект дает установка на каждой антенне металлических тубусов,
наружные поверхности которых покрыты поглотителем (рис 3 14,6
и 3 15) Тубусы не только ослабляют прямые паразитные связи меж-
ду антеннами, но и паразитную связь через землю, а также умень-
шают паразитные переограження электромагнитных волн между
антеннами и прочими узлами их конструкций
3.7. Контроль параметров экранов, электрогерметичных
корпусов и поглощающих материалов
При теоретическом анализе и конструктивном расче-
те, как правило, не удается учесть все возможные влияю-
щие факторы, определяющие действительные параметры
85
и характеристики СВЧ экранов и электрогерметичных
корпусов.
Теоретический анализ применяется лишь на началь-
ной стадии проектирования, а все последующие стадии,
включая конкретное конструирование, сопровождаются
экспериментальными исследованиями.
По предварительному расчету изготавляются маке-
ты экранов и электрогерметичных корпусов, ко-
торые проходят проверку на испытательных стендах,
где проверяются действительные электрические пара-
метры и характеристики на соответствие заданным. По
результатам испытаний, основываясь на рассмотренных
общих теоретических соотношениях, в конструкцию
экранов и корпусов вносятся необходимые изменения.
Затем опять следует экспериментальная проверка, и так
до тех пор, пока не будут созданы опытные образцы
экранов и корпусов, полностью отвечающих поставлен-
ным требованиям. Поэтому важным этапом конструиро-
вания экранов и корпусов является экспериментальная
отработка их параметров на испытательных стендах или
на испытательных лабораторных установках. Необходи-
мо отметить, что так как процесс изготовления СВЧ
экранов и электрогерметичных корпусов в условиях со-
временного производства высоконадежен, то контроль
их параметров в процессе серийного производства мож-
но не производить.
В этой связи как к методике проверки параметров
и характеристик экранов и корпусов, так и к аппарату-
ре, на которой выполняются испытания, предъявляются
довольно жесткие требования:
1) испытательные установки должны быть выполне-
ны таким образом, чтобы могли достоверно воспроиз-
водить все основные характеристики электромагнитного
поля помехи, которое существует вблизи корпуса устрой-
ства СВЧ или в области установки конструируемого
экрана;
2) методика измерений и СВЧ индикаторная аппара-
тура, имеющие высокую чувствительность, должны га-
рантировать высокую точность и надежность проводи-
мых испытаний;
3) методика и результаты испытаний СВЧ экранов
и электрогерметичных корпусов должны давать объек-
тивную информацию для дальнейшего совершенствова-
ния их конструкций.
86
Рассмотрим структурную схему типовой лабораТор*
ной установки, на которой подобная задача специализи-
рованных измерений на СВЧ может быть решена
(рис. 3.21). На схеме рис. 3.21 показаны: / — СВЧ ге-
нератор, обеспечивающий в заданном частотном диапа-
зоне воспроизведение помехи; 2— антенное устройство,
формирующее заданные характеристики поля помехи;
3— исследуемые экран или кор-
пус устройства СВЧ; 4 — СВЧ i
индикаторный зонд, может пере-
мещаться как внутри исследуе- ।-| -I । \'
мых экрайа или корпуса при 1 1___
определении параметра Хо, так и ।j------1
снаружи при определении /?р; 5— * - J
высокочувствительное измери-
тельное устройство СВЧ КОН- Рис- 3.21. Структурная
J г , схема установки для
троля амплитуды и фазы сигнала КОНтроля параметров
помехи.
Однако с помощью этой схе-
экранов и электрогерме-
тических корпусов
мы трудно производить точные
и достоверные измерения экранов и корпусов с высо-
ким экранным затуханием. Для обеспечения измере-
ний малых значений затухания прибегают к усложне-
нию схемы, а испытания проводят в безэховых камерах
или боксах. При изготовлении, сборке и настройке из-
мерительных контрольных установок должны применять-
ся все меры предосторожности для получения наиболь-
шей развязки между излучающими устройствами и при-
емным трактом по всем путям, кроме основного, через
индикаторный зонд. Выполнение этого условия в основ-
ном и определяет динамический диапазон измерительной
установки и ее возможности наблюдения и фиксации
очень малых абсолютных и относительных значений кон-
тролируемых параметров.
Конкретное выполнение излучающего устройства и
зонда измерительной установки зависит от диапазона
паразитных излучений, в котором предстоит работать
экранам и корпусам. В дециметровом диапазоне обычно
они выполняются в виде антенн вибраторного типа.
В сантиметровом диапазоне — в виде различных волно-
водных антенн. Например, на сантиметровых и милли-
метровых волнах излучающее устройство выполняется
в виде комбинации рупорных антенн, а зонд — в виде
открытого конца волновода или одиночного вибратора.
87
Для получения Точных и достоверных результатов
испытаний многое зависит от правильно выбранных ме-
тодики и техники измерений.
Последнее замечание относится и к специфическим
измерениям характеристик РПМ и эффективности ди-
электрических экранов, которые широко используются
в СВЧ технике для обеспечения ЭМС и локализации
электромагнитного’излучения. Аппаратура для испыта-
ний РПМ позволяет быстро определять коэффициент
отражения при различных углах падения и обоих типах
поляризации. Установка, как правило, состоит из двух
рупоров, передатчика и приемника, смонтированных над
исследуемым материалом на подставке, которая может
перемещаться в вертикальной плоскости по дуге, равной
180°. В центре дуги расположен плоский образец испы-
тываемого материала. Поляризация изменяется поворо-
том рупоров вокруг своих осей. На рупор передатчика
через градуированный аттенюатор поступают модулиро-
ванные сигналы. Рупор приемника соединен с кристал-
лическим детектором, согласованным по сопротивлению
и кабелем, соединенным с усилителем. Измерения про-
водятся по методу замещения. Поглощающие свойства
исследуемого РПМ на металлической подложке сравни-
ваются со свойствами эталона (металлического листа) и
определяются по формуле
а[дВ]^101^|Р1/Р2|, (3.65)
где Р2— относительное значение мощности, отраженной
исследуемым материалом; Pj — мощность, отраженная
хорошо проводящим, гладким металлическим листом.
Коэффициент реакции этого материала определяется
как
Ррэ^(Р2/Р1)1/2. (3.66)
На этой установке поглощающие свойства и коэффици-
ент реакции РПМ исследуются для различных углов па-
дения и различных поляризаций волн помехи. Последнее
достигается сменой поляризаций индикаторных рупоров
и их соответствующим расположением на дуге относи-
тельно испытываемого материала.
Особенности экспериментального исследования ди-
электрических экранов по сути дела сводятся к специ-
альным методам и технике СВЧ контроля параметров
диэлектрических образцов и радиопрозрачных антенных
обтекателей.
88
4. Конструирование электрогерметичных
соединений
4.1. Выбор типа конструкций электрогерметичных
волноводных соединений
Сложные схемы СВЧ и протяженные волноводные
тракты представляют собой совокупность функциональ-
ных СВЧ узлов и СВЧ соединительных элементов.
Радиотехнические параметры СВЧ узлов и порядок
их соединения однозначно устанавливаются при выборе
принципа действия устройства и его электрическом рас-
чете. Задачи, решаемые конструктором, сводятся к сле-
дующему:
— к выбору типа конструкций соединений и соедини-
тельных элементов;
— к рациональной компоновке СВЧ функциональных
узлов (в частности, исходя из требований к электрогер-
метичности) ;
— к детальной разработке несущей конструкции, от-
вечающей всем заданным техническим требованиям и
защищающей СВЧ устройство от внешних и внутренних
дестабилизирующих факторов.
В СВЧ технике различают три основных вида соеди-
нений СВЧ функциональных узлов и отрезков СВЧ ли-
ний волноводной передачи [1, 2]:
— неразъемные соединения, обладающие очень вы-
сокой степенью электрогерметичности, но не допускаю-
щие после сборки устройства СВЧ разъединения узлов
схемы и отрезков линий передачи;
— разъемные соединения, обладающие хорошими
радиотехническими характеристиками, допускающие
редкую разборку (только при замене СВЧ узла или при
его ремонте);
— разъемные соединения для быстрых и многократ-
ных соединений и разъединений часто выходящих из
строя элементов (например, детекторов), а также для
выполнения измерений на СВЧ.
В табл. 4.1 приведены применяемые в технике СВЧ
типы соединений узлов сантиметрового и миллиметрово-
го диапазонов, построенных на прямоугольных волново-
дах с волной оснорного типа Hi0. Эта таблица для ра-
89
Таблица 4.1
Характеристика электрогерметичности основных
видов волноводных соединении
Вид соединения ^лектрогерме- тпчность дБ Способ крепления волно водов друг к другу
Не разъемные Паяные с наплавленной муф- той (рис 4 1, а) Сварные с наружным полным швом (рис 4 1,6) С пластиковой муфтой (рис 4 1, г) С пластиковой муфтой и фик- сирующей втулкой (рис 4 1, г) >120 >120 >120 >120 Пайка Сварка Опрессовка соедине- ния волноводов то- копроводящим плас- тиком
Разъемные для редкой разборки Контактное соединение с флан- цами (рис. 4 2, а) Контактное фланцевое соедине- ние с гарантированным при- жимом (ри<. 4 2, б) Контактное фланцевое соедине- ние с бронзовой вставкой (рис. 4 3, а) Контактное фланцевое соедине- ние с контурной фигурной прокладкой и резиновым гер- метиком (рис 4.3, б) 30—80 40—90 50—120 С помощью штифтов и винтов С помощью стягиваю- ших болтов С помощью винтов или болтов
Разъемные для частой разборки Контактное фланцевое соедине- ние с различными вилами устройств для быстрого разъ- единения и сборки Дроссельное фланцевое соеди- нение с различными видами устройств для быстрой раз борки и сборки (рис 4 5) 30—80 30—100 С помощью винтов, струбцин, накидных и и разрезных гаек, байонетных замков, пружин, фиксирую- щих клиньев и т п
диоконструктора может служить руководством к выбору
вида соединения по значению реально достигаемой элек-
трогерметичности.
Конструкции наиболее часто применяемых неразъем-
ных соединений, обладающих хорошей технологично-
стью и допускающих значительные механические нагруз-
ки, приведены на рис. 4.1. Неразъемное соединение с вы-
Рис. 4.1. Конструкции неразъемных волноводных соединений:
а—посредством наплавления муфты; б — сваркой, виг — с помощью муфты
из токопроводящего пластика (1 и 2 — соединяемые волноводы; 3 — предохра-
нительный чехол; 4 — пластик, 5 — втулка фиксатор)
сокой герметичностью можно получить путем спайки
разъемного соединения или постановки его на токопро-
водящие клеи (например, К-6 или К-8). Получающееся
при этом значение электрогерметичности, как и у типо-
вых конструкций неразъемных соединений, будет не ме-
нее 120 дБ. Коэффициент стоячей волны (КСВ) неразъ-
емных волноводных соединений зависит от величины
смещения соединяемых волноводов, различия в разме-
рах и форме их сечении и от качества внутреннего шва.
При прецизионной сборке неразъемных волноводных со-
единений, показанных на рис. 4.1, КСВ не превышает
91
1,005, а дополнительные, вносимые соединением потери
составляют не более 0,05 дБ [1,2].
Четыре наиболее распространенных вида конструк-
ций разъемных соединений прямоугольных волноводов,
допускающих редкую разборку, показаны на рис. 4.2 и
4.3. Жесткими требованиями к сборке этих конструкций
является широкий диапазон значений электрогерметич-
Рис. 4.2. Конструкции разъемных фланцевых соединений для редкой
разборки:
а —с направляющими штифтами (/) и винтами (2); б — со стягивающими
болтами (3)
ности, определяемый погрешностью фиксации сечений
волноводов, надежностью электрического контакта по
внутреннему периметру фланцев и размером реально
получающегося зазора между фланцами. Электрогерме-
тичность соединений и потери, вносимые в тракт, сильно
зависят от размера зазора между фланцами t. По дан-
ным теоретического анализа и обработки соответствую-
щих экспериментальных данных построены графики за-
висимостей А^г(0 и POTK(t) (рис. 4.4) [3].
Для быстрого и частого разъединения волноводов
применяют два основных типа соединений — обычное
контактное фланцевое и дроссельное. Конструкция кон-
92
Соединение u
о контактной
б)
Рис 4 3 Конструкции разъемных фланцевых соединений:
а — с контактной рассеченной прокладкой (/); б — с контурной контактной
прокладкой (2) и герметизирующей резиновой прокладкой (3)
Рис. 4 4 Зависимости электрогерметичности Nr и относительных по-
терь Ротн контактного фланцевого соединения от размера зазора
между фланцами t (толщина прокладки 0,1 мм)
93
тактного фланцевого соединения подобна конструкциям
показанным на рис. 4.3. Однако частая сборка и разбор-
ка исключают использование дополнительных контакт-
ных и герметизирующих элементов.
Как правило, в соединениях прецизионной СВЧ изме-
рительной аппаратуре и в СВЧ схемах, узлы которых
г)
Рис 4.5. Конструкции дроссельных соединений:
а — типовое соединение, б — в форме кольца, виг—в форме двух полуко-
лец н двух сегментов для волновода 8-мм диапазона (все размеры в милли-
метрах)
требуют частой разборки, используются электрические
дроссели (рис. 4.5). Конструкции дроссельных соедине-
ний более сложны, требуют специальных дополнитель-
ных технологических операций при производстве, но это
окупается лучшей электрогерметичностью таких соеди-
нений. КСВ тщательно подогнанных разъемных фланце-
вых и дроссельных соединений не превышает 1,02.
В соответствии с обозначениями рис. 4.5,а в табл. 4 2
приведены основные геометрические размеры дросселей
для стандартных прямоугольных волноводов, применяе-
мых в технике СВЧ. Следует обратить внимание на то,
что абсолютные размеры дросселей для соединений вол-
новодов достигаются с определенными технологическими
94
Таблица 4.2
Основные конструктивные размеры дроссельного
соединения для прямоугольных волноводов с
волной типа Hi0
Тип волновода Размеры волно- вода, мм Размеры дросселя, мм
а b с D t *др
МЭК-32 72,14 34,0 84,3 98,6 0,91 21,84 2,3
МЭК-40 58,927 29,1 66,4 77,47 0,74 17,78 1,9
М ЭК-48 47.55 22,15 55,63 64,92 0,63 14,48 1,52
МЭК-58 40,39 20,19 46,13 53,85 0,53 12,32 1,27
МЭК-70 34,85 15,18 40,6 47,24 0,43 10,29 1,02
МЭК-81 28,5 12,6 32,26 37,97 0,38 8,76 0,76
МЭК-1С0 22,86 10,16 25,78 31,11 0< 29 6,73 0,51
МЭК-120 19,05 9,52 21,74 25,32 0,23 5,82 0,46
МЭК-140 15,8 7,9 18,03 21,03 0,19 4,83 0,41
МЭК-180 12,95 6,48 14,78 17,25 0,15 3,96 0,31
МЭК-220 10,67 4,32 12,0 13,6 0,13 3,28 0,20
МЭК-260 8,-64 4,32 9,86 11,51 0,10 2,64 0,18
МЭК-320 7,11 3,56 8,15 9,45 0,09 2,18 0,15
МЭК-400 5,69 2,84 6,53 7,57 0,076 1,75 0,127
М ЭК-500 4,78 2,39 5,46 6,35 0,063 1,45 0,102
М ЭК-620 3,76 1,88 4,32 5,00 0,051 1,14 0,076
МЭК-740 3,10 1,55 3,53 4,11 0,038 0,94 0,063
МЭК-900 2,54 1,27 2,92 3,38 0,025 0,79 0,051
МЭК-1200 2,03 1,02 2,34 2,69 0,026 0,63 0,051
трудностями даже в прецизионном производстве. На-
стоящий материал может служить исходной информаци-
ей к выбору вида конструкции соединения только по кри-
терию требуемой электрогерметичности.
4.2. Конструкторско-технологические требования
к электрогерметичным соединениям волноводов
Независимо от вида соединения двух отрезков вол-
новода в месте их присоединения могут появиться отра-
жения волны из-за появления неоднородностей, образу-
ющихся в результате неблагоприятного сочетания допу-
сков на соединяемые трубы, деформаций сечений труб,
плохого контакта в месте соединения и ошибок монта-
жа, при котором одинаковые сечения волноводов сме-
щаются относительно друг друга. Эти же причины при-
водят к ухудшению электрогерметичности соединений,
поскольку нарушается контакт между фланцами, обра-
95
зуются непредусмотренные' зазоры, изменяются электри-
ческие параметры дроссельного соединения.
Теория определения допусков при сдвиге сечений, об-
разовании углов между осями и повороте сечений сое-
диняемых волноводов основана на методе малых возму-
щений. Задаваясь допустимым значением составляющих
модуля коэффициента отражения |/?|а или |R|ь, зави-
Рис. 4.6. Соединения:
а — с параллельным сдвигом сечений волноводов; б — выполненные с одина-
ковым допуском, но с разными отклонениями по знаку (неблагоприятный
случай); в —с образованием угла между осями труб; г—с образованием по-
ворота между сечениями волноводов
сящих от ошибки в размерах стенки а или Ь, легко най-
ти относительные допуски на эти размеры и на соеди-
нение волноводных сечений с параллельным сдвигом
(рис. 4.6,а). Допуск на размер а волновода [4]
и на размер b
6а(Ло)^О,8|Я|а
(4.1)
(4.2)
Отметим, что отражение возникает не только из-за
смещения сечений при монтаже, но и из-за погрешно-
стей изготовления непосредственно волноводных труб.
Выбирая относительные допуски на отдельно изготов-
ленные отрезки труб 6а(Хо)=:,6ь (Ло) и полагая, что сече-
ния имеют максимально возможные отклонения, но раз-
ных знаков (рис. 4.6,6), получаем простую формулу для
9Q
вычисления допуска на размеры сечения соединяемых
волноводов
6а(Ь)(%о)^0,15Р|. (4.3)
Например, если допустимое значение коэффициента от-
ражения от соединительного узла не должно превышать
0,01 (т. е. | R | доп^0,01), то из выражения (4.3) 6О(б)^
<^0,15-0,01^0,0015А«. Так, при работе в 3-см диапазоне
радиоволн абсолютный допуск на размеры сопрягаемых
волноводов (рис. 4.6,6) 6О(б)^0,0015 -30^0,045 мм.
Если сечения волноводных отрезков соединяются не
под прямым углом к оси волноводов, то получается из-
лом (рис. 4.6,в), который также вызывает отражение;
модуль коэффициента при изломе волновода в плоско-
сти широкой стенки
(фа)^Ю-3 на 1° излома (4.4)
при изломе в плоскости узкой стенки
|7?| (фь)^2-10-3 на 1° излома. (4.5)
Модуль коэффициента отражения от соединения двух
волноводных отрезков, сечения которых повернуты отно-
сительно друг друга на угол ф (рис. 4.6,г), определяется
по формуле
(ф)^3-10~3 на 1° поворота. (4.6)
При нескольких видах погрешностей соединения вол-
новодных отрезков допуски должны ужесточаться, так
как фактический коэффициент отражения в самом не-
благоприятном случае является суммой модулей состав-
ляющих коэффициентов отражения. Для конкретного ти-
па и конструкции соединения оценку влияния погрешно-
стей соединения можно привести, используя формулы
(4.1) — (4.6), к эквивалентному изменению зазора t и за-
тем по кривым рис. 4.4 определить получающееся ухуд-
шение электрогерметичности.
Для обеспечения требуемой электрогерметичности от-
ветственным являются выбор и конструирование устано-
вочных элементов для фланцевых соединений. Выбор и
расчет допусков этих элементов производят, исходя из
выбранного типа соединения: штифтового или болто-
вого.
По расположению и количеству установочных отвер-
стий соединения с несвязанными базами бывают: с дву-
мя отверстиями, с двумя или четырьмя отверстиями и
7—852 97
многорядные. Расположение установочных элементов
симметрично осям симметрии волновода, и влияние по-
садок установочных элементов оценивают, полагая, что
стыкуемые каналы волноводов одинаковы. При штифто-
вом соединении (рис. 4.7,а) допустимое смещение кана-
лов по размерам а и b вычисляют по формуле [5, 6]
6а(6)^О,5(^о—db)=0,5S,
(4-7)
где d0 — номинальный диаметр отверстия; db— номи-
нальный диаметр штифта (винта); S — зазор между от-
а) б)
Рис. 4.7. Смещение каналов волноводов при штифтовом или винто-
вом соединении (а) и при болтовом соединении (б); допуски на не-
симметричность установочных отверстий к осям волновода (в), по-
ворот фланцев при штифтовом соединении (г)
верстием и штифтом. Для болтового соединения
(рис. 4.7,6) смещение каналов волноводов 6а(ь) находят
в предположении, что Si=S2,
6a(b)^Vi+V2^0,5(S1+S2)=S. (4.8)
Допуск на расстояние между осями АЛ отверстий
у обоих фланцев устанавливают не более, чем -на диа-
98
метры установочных элементов и отверстий. Допуск на
несимметричность установочных отверстий к осям сим-
метрии каналов волновода берут равным 0,5—1 от 6а<&)-
Найденные значения производственных допусков про-
ставляют на рабочих чертежах (рис. 4.7,в) и учитывают
при выборе технологического процесса изготовления и
сборки фланцевого соединения. Как видно из рис. 4.7,г,
Рис. 4.8. Зависимости коэффициента отражения У? и
КСВ от абсолютного размера волновода а, диаметров
и типа установочных элементов, а также от вида и
класса посадки установочных элементов
возможный поворот фланцев при штифтовом соединении
можно найти из приближенного соотношения
tg <р^ба(6)/2.
(4.9)
Статистика производства позволяет дать рекомендации
для оптимального выбора посадок на элементы крепле-
ния, которые обеспечивают взаимозаменяемость в соче-
тании с допустимыми значениями электрогерметичности,
вносимых потерь и отражений.
В табл. 4.3 приведены обобщенные сведения к выбору
типа соединений в предположении, что конструкция
фланцевого соединения будет иметь КСВ^1,02.
По кривым рис. 4.8 выбираются размеры установоч-
ных элементов и их посадки в зависимости от абсолют-
ных размеров широкой стенки волновода а и допусти-
7* W
мого КСВ или коэффициента отражения Из кривых
видно, что рационально применять для сопряжения эле-
ментов и узлов волноводного тракта миллиметрового
диапазона — штифтовые соединения, для сантиметрово-
го— установочные болты, для дециметрового — много-
Та блица 4.3
Рекомендуемые посадки для установочных элементов
ф шнцевых соединении прямоугольных волноводов
Виды и ipynhb’ соединений
Рекомендуемые посадки для конструк-
ций серийного производства
Штифтовые (для двух установоч-
ных штифтов)
Винтовые:
для двух—четырех установоч-
ных винтов
для многорядного соединения
Болтовые:
для установочных болтов
для двух-четырех установоч-
ных болтов
для многорядного соединения
А4/Пр22а
а3/ш4
А5/Х5 или А5/Ш4
А3/ Л4
а3/ш4
А5/Х5 или А5/Ш4
рядное болтовое соединение. Заметим, что для дроссель-
ных фланцевых соединений при одних и тех же значе-
ниях КСВ допускается удвоение смещения каналов вол-
новодов, и следовательно, производственные допуски на
изготовление и сборку могут быть соответственно рас-
ширены.
4.3. Электрическая прочность конструкций
соединительных элементов волноводов
Любой тип конструкции соединительного элемента
имеет электрическую неоднородность, которая уменьша-
ет реальную электрическую прочность СВЧ линии пере-
дачи. Поэтому для СВЧ схем и волноводных трактов,
работающих при больших мощностях, немаловажным
является разработка таких конструкций соединений, ко-
торые обеспечили бы надежную работу. Строгое теоре-
тическое решение задачи по обеспечению электрической
прочности устройства СВЧ, сопряжено с серьезными ма-
тематическими трудностями. В инженерной практике
конструкторских работ применяется приближенный ме-
100
тод электростатической аналогии, который дает хорошие
результаты при расчете электропрочности типовых вол-
новодных соединений.
В качестве основного параметра электропрочности
принята относительная электропрочность (ОЭ) СВЧ со-
единительного элемента
ОЭ=РПр с э/Дгр р л, (4.10)
где Рцр с э — пробивная мощность соединительного эле-
мента, а РПР р л — пробивная мощность регулярной линии
передачи. Для соединительных СВЧ элементов параметр
ОЭ всегда меньше 1, а его численное значение однознач-
но зависит от вида и характеристик сосредоточенной
неоднородности, определяемых конструкцией соедини-
тельного элемента. Это и предопределило возможность
расчета электропрочности волноводных соединений
с помощью методов электростатики, разработанных для
мощных устройств постоянного тока [7, 8].
При подобном подходе к решению задачи электро-
прочности конструкции соединительного элемента вол-
новодов достаточно рассмотреть лишь локальные обла-
сти— области максимальных градиентов условно прини-
маемого электростатического потенциала, имеющих ме-
сто на фактических конструктивных неоднородностях.
Для количественной оценки неоднородности электроста-
тического поля используется коэффициент неоднородно-
сти поля, равный
Хн п==£макс/£ср, (4.11)
где £Макс — максимальная напряженность поля в раз-
рядном промежутке (в месте расположения неоднород-
ности в конструкции соединительного элемента); ЕСр—
средняя напряженность поля для регулярного волново-
да. Используя соотношение (4.11), выражение для ОЭ
(4.10) можно привести к виду
ОЭ=ЕСр/Емакс=11 [Кн п]2. (4.12)
Таким образом, расчет электропрочности конструкции
соединения волноводов сводится к выявлению наиболее
неблагоприятной конструктивной неоднородности в со-
единении и к нахождению соответствующего коэффици-
ента Кнп- Параметр ОЭ характеризует степень совер-
шенства проработки конструкции СВЧ узла и поэтому
он аналогичен коэффициенту качества СВЧ конструкции
Ю1
[см. (1.23)]. В идеальном случае для разрабатываемого
волноводного узла ОЭ должна быть равна 1, что, в свою
очередь, для этого же узла дает ^Свчкон=1-
Задача по обеспечению заданной электропрочности
волноводного соединения решается в следующей после-
довательности:
— определяют «критическое» сечение в выбранной
конструкции соединения;
— заменяют существующую структуру электромаг-
нитного поля СВЧ в «критическом» сечении соединения
наиболее близким к нему по структуре электростатиче-
ским аналогом;
— по соответствующим формулам или графикам на-
ходят значение Кип для «критического» сечения соеди-
нения;
— через найденный Кип устанавливают значение
прочности соединения ОЭ;
— если получаемое значение ОЭ соединения оказы-
вается меньше заданного, то применяют конструкции
соединения.
Рассмотрим пример дроссельно-фланцевого соедине-
ния волноводов (рис. 4.5 и 4.9,п). Области максимальной
концентрации поля включают кромки дроссельной щели
А; критическое сечение этого соединения волноводов
с волной типа совпадает с плоскостью максимума
электрического поля Ео, т. е. эти области лежат вблизи оси
волновода на обеих широких его стенках (рис. 4.9,а и б).
Электростатическим аналогом этих «критических» обла-
стей является неизлучающая щель (рис. 4.9,6); расчет-
ным аналогом двух симметричных углов зоны А дрос-
сельно-фланцевого волноводного соединения будет сим-
метричная система, образующая неизлучающую щель
шириной 26ц и со скругленными кромками по радиусу
Гкр (рис. 4.9,в). Максимальная напряженность электри-
ческого поля имеет место в точках А (рис. 4.9,в); для
этой области коэффициент неоднородности поля опреде-
ляется из системы уравнений
„ ____________In (Кс + Кс — 1 — tt/Kс )____
Лнп~ (/Fzri/W) [in ’
(4.13)
„ 2'(Ас — 1 — я) [In (Кс + Ас — 1) — Кс — 1 / Ис ]
к [in ]/<? —1) — Ис — l/Ac -f- Ис — 1— я] *
Ю2
где К—ГкрНщ — параметр, определяемый геомётрйчеёкй-
ми размерами дроссельно-фланцевого соединения.
Для наиболее вероятных сочетаний гКр и /щ была по-
строена графическая зависимость Лип от К=гкр/1Щ (рис.
4.9,г). Если выбранные значения гКр и /щ таковы, что Кип
и соответственно определяемая из (4.12) величина ОЭ
обеспечивают устойчивую работу линии или СВЧустрой-
Рис. 4.9. Схема дроссельно-фланцевого соединения волноводов (а),
«критическая» область электростатического поля на кромке щели
дросселя (б), расчетный аналог для определения Кип (в), зависи-
мость Кн п от соотношения гкр//щ (г)
ства на максимальной рабочей мощности, то электро-
прочность достаточна и выбранная конструкция волно-
водного соединения не требует конструктивных измене-
ний. В противном случае необходимо доработать конст-
рукцию соединения, которая сведется к выбору таких
радиуса скругления кромок дроссельной щели и ширины
щели, чтобы Кип стал близок к 1, и, следовательно, па-
дение относительной электропрочности в критическом
103.
сечепии соединения по сравнению с регулярной линией
соответствовало бы заданным нормам.
Пример. Вначале определим уменьшение электро-
прочности за счет дроссельно-фланцевого стандартного
соединения 3-см волноводов типа МЭК-100 (см. табл.
4.2). Для этого типоразмера волноводов /щ^0,3 мм;
предположим, что гКр^0,3 мм. Тогда /С=гкр//Щ=
=0,3 мм/0,3 мм= 1; из кривой рис. 4.9,г находим Кнп^
^1,5. Теперь определим из выражения (4.12) относи-
тельное уменьшение электропрочности: для принятых
данных получается, что в сечении дроссельно-фланцево-
го соединения электропрочность снижается приблизи-
тельно на 60% по сравнению с регулярным прямоуголь-
ным волноводом. Если такое уменьшение относительной
электропрочности недопустимо, то, варьируя отношени-
ем ГкрЛщ, добиваются такого значения КНп, чтобы факти-
ческая электропрочность лежала в пределах заданного
допуска.
Отметим, что обеспечение высокой электропрочности,
с одной стороны, и высокой электрогерметичности, с дру-
гой, с конструкторской точки зрения есть задачи проти-
воречивые и для мощных устройств СВЧ часто исключа-
ющие в своем решении друг друга. Поэтому конструиро-
вание волноводных соединений, как правило, выполняет-
ся, исходя из одного критерия (электрогерметичности
или электропрочности). Для слабомощных устройств
СВЧ высокая электрогерметичность автоматически обес-
печивает приемлемую электропрочность, для волновод-
ных соединений мощных устройств СВЧ необходима
тщательная конструкторская проработка и компромис-
сный выбор основных геометрических размеров дроссе-
лей, фланцев и системы их взаимного крепления, опре-
деляющих как электрогерметичность, так и электропроч-
ность.
4.4. Компоновка СВЧ схем из волноводных узлов
и элементов
Сложные схемы на основе любого типа СВЧ линий
передачи представляют собой плоские или пространст-
венные конструкции, составленные из функциональных
СВЧ узлов и вспомогательных соединительных элемен-
тов фидерного тракта. С помощью функциональных
узлов, собранных по принципиальной электрической схе-
104
ме, полученной в результате электродинамического рас-
чета, решается поставленная перед устройством СВЧ за-
дача. Вспомогательные элементы тракта (отрезки ли-
ний, повороты, скрутки, переходы и электрогерметичные
соединения различного вида) не входят в электрическую
схему, но реализация и, конечно, компоновка конструк-
ции устройства СВЧ без них невозможны.
Введение в СВЧ схему дополнительных элементов, не
предусмотренных принципом действия, а следовательно,
и электрическим расчетом, конечно ухудшает собствен-
ные и выходные характеристики устройства СВЧ, а так-
же внешнюю и внутреннюю ЭМС (см. рис. 1.1 и 1.4).
Задачей конструктора является разработка вспомога-
тельных элементов тракта и осуществление компоновки
их в заданном объеме в сочетании с функциональными
узлами так, чтобы отклонение собственных и выходных
характеристик устройства СВЧ (в частности, полное от-
сутствие электрогерметичности схемы) укладывались
в заданные нормы. Наилучшей компоновкой СВЧ схемы
следует признать ту, которая имеет минимальную длину
дополнительных каналов, увеличивающих потери, и чис-
ло фланцевых соединений и переходов, увеличивающих
КСВ на входе и уменьшающих суммарную электрогер-
метичность схемы, было бы минимально. Большое влия-
ние на погрешность СВЧ схемы имеют условия прохож-
дения электромагнитного сигнала в тракте, которые за-
висят от числа и типа конструктивных неоднородностей
каждого из соединений и числа вспомогательных элемен-
тов. Статистика производства показывает, что вспомога-
тельные элементы волноводного тракта (соединения,
изгибы, скрутки, переходы и т. п.), изготовленные с до-
пусками серийного производства, имеют относительно
небольшой разброс по модулю коэффициента отраже-
ния |/?|, но значительный разброс по фазе отраженной от
неоднородности волны и некоторую потерю электрогер-
метичности по сравнению с расчетом. Фаза коэффициен-
та отражения зависит не только от конструктивного ре-
шения элемента, образующего неоднородность, а глав-
ное от электрической (в единицах или долях рабочей
волны %ь) длины тракта (от точки отсчета до вспомога-
тельного конструктивного элемента).
Если фазы отдельных коэффициентов отражения от
соединений подчиняются закону равной вероятности (до-
стоверность которой для сложных СВЧ устройств под-
8—852
105
тверждастся экспериментально), то ожидаемый модуль
суммарного коэффициента отражения |KS| определяет
ся [9, 10] как
(4.14)
где |/?г|—модуль коэффициента отражения от i-й не-
однородности; х — коэффициент вероятности, определяе-
Рис. 4.10. Зависимость коэффициента вероятности х от выбираемой
достоверности вычисления F
мый по графику рис. 4.10,а. График справедлив для слу-
чая работы устройства СВЧ на одной частоте и при ис-
следовании большого числа экземпляров одной и той же
конструкции тракта. Если СВЧ схема работает в диа-
пазоне частот, то ожидаемый за счет меняющих-
ся по фазе частных коэффициентов отражения будет ни-
же, чем при работе на фиксированной частоте. При этом
расчет отличается от предыдущего способом определе-
ния значения коэффициента х. Основной формулой оста-
ется (4.14), но параметр К в семействе кривых рис.
4.10,6 для выбора х вычисляется вначале по формуле
К = 2 (2Д/.//,) (1Е/Я„ ср) (Я, Ср/Якр)!, (4.15)
106
Где 2Д/0Д0— рабочая полоса частот СВЧ схемы; £ч—
полная геометрическая длина СВЧ каналов; ХВСр —
средняя длина волны в волноводе; Хоер — средняя дли-
на волны в свободном пространстве.
Из исходного уравнения (4.14) можно заключить, что
при выбранном заранее допустимом проценте брака, ко-
торый определяется принимаемым значением х суммар-
ный коэффициент отражения на входе СВЧ схемы
зависит от двух конструктивных параметров: от числа
конструктивных неоднородностей п (т. е. от числа со-
единений) и от частных составляющих |Рг-| от этих не-
однородностей.
-л*: На первый взгляд, компоновка СВЧ схемы с целью
уменьшения и повышения электрогерметичности за-
ключается, во-первых, в сокращении числа соединитель-
ных элементов и, во-вторых, в тщательной конструктив-
ной проработке вспомогательных и соединительных
узлов. Из соотношения (4.15) и рис. 4.10,6 можно за-
ключить, что значение уменьшается, если сделать
короче полную длину волноводных каналов схемы.
Полное значение активных потерь сложной волно-
водной СВЧ схемы, составленной из функциональных
узлов и вспомогательных элементов, является суммой
частных составляющих активных потерь.
1. Линейные пртерц в тракте длиной Д
«л [дБ] = {aLJ. (4.16)
2. Активные потери в каждом из п соединений узлов
и волноводных элементов
[дБ] = £ (4.17)
1=1
где Ротнг — относительные потери i-ro соединения в за-
висимости от его типа, дБ. Для однотипных соединений
выражение (4.17) упрощается:
Осоед [дБ]^/гРОТн1(0. (4-18)
3. Из-за конечной электрогерметичности конструкции
каждого из п соединений волноводов будет утечка энер-
гии, равная
аут]дБ]^2 (4-19)
i=I
8*
107
й аналогично в случае однотипных по своей конструкций
соединений
аут [дБ] ^nN (t). (4.20)
4. Потери СВЧ энергии Рпот в каждом из п функци-
ональных узлов
«ф [дБ] = 3 Рпот.
(4.21)
5. Потери из-за отражений электромагнитной энергии
от электрических и конструктивных неоднородностей как
функциональных узлов, так и вспомогательных соедини-
тельных элементов
°4i [ДБ] = 201g |7?J.
(4.22)
Если есть особые условия, оговаривающие предель-
но допустимое значение aL, то в задачу конструктора
входит проработка конструкции узлов и компоновка СВЧ
схемы с целью минимизации суммы
ГПШ асоед. I ' аут Н афу "4“ ал
(4.23)
Когда же к СВЧ схеме предъявляются особые требова-
ния по электрогерметичности, то главным критерием ка-
чества компоновки СВЧ схемы и совершенства конст-
рукции соединений должен быть минимум выражения
(4.19)
min
аут [ДБ] ~ 2 Ni
i=A
(4.24)
Теперь несколько принципиальных замечаний по кон-
струированию вспомогательных элементов, на основе и
с привлечением которых предполагается компоновать
устройство СВЧ.
Составляющие аСоед и аут по своим значениям опре-
деляются не только числом фланцево-дроссельных со-
единений п, но и техническим их решением (например,
неразъемное соединение отрезков волноводов, контакт-
ное или дроссельное), геометрией соединения, а также
технологической погрешностью исполнения соединений.
В этой части задача решается конструктором с учетом
заданного электрической схемой числа соединяемых
108
функциональных узлов, а главное — с учетом возможно-
стей производства нужных типов дроссельно-фланцевых
соединений или возможности использования готовых
унифицированных разъемов. Предшествующая компоно-
вочным расчетам детальная проработка конструкции
каждого функционального узла СВЧ схемы, включаю-
щая в себя работы от общей оптимизации конструктив-
ной схемы до рационального выбора материалов, покры-
тий и повышения общей технологичности СВЧ узла, по-
зволяет минимизировать величину «фУ и наилучшим об-
разом решить задачу по герметизации каждого СВЧ
узла. Однако эти мероприятия реальны, если устройст-
во СВЧ проектируется полностью заново, а не комплек-
туется из стандартных узлов.
Линейные потери и электрогерметичность в канале
той же длины возрастают при использовании в нем по-
воротов или скруток. В свою очередь, число, крутизна
скруток и радиусы поворотов определяются особыми
условиями компоновки схемы в заданных габаритах.
В явном виде, казалось бы, нет связи между электрогер-
метичностью соединения и конфигурацией поворота или
скрутки. Однако скрутка неудачной конфигурации или
поворот малого радиуса затрудняют точное выполнение
фланцевых соединений, а после сборки таких соедине-
ний в единую СВЧ схему в местах соединений возника-
ют механические напряжения, ухудшающие их электро-
герметичность. Поэтому следует иметь в виду, что не
всегда простое уменьшение суммарной длины СВЧ трак-
та и числа соединений обеспечит минимальные потери и
повышенную электрогерметичность.
Например, при уменьшении радиуса изгиба сокра-
щается длина канала поворота, но из-за трудностей по-
лучения хорошего качества токонесущих поверхностей и
потери формы поперечного сечения тракта на малых ра-
диусах изгиба полные потери в таком соединительном
элементе все же возрастают. Зная тип линии передачи,
свойства применяемых материалов и покрытий и воз-
можности технологического процесса, можно построить
вспомогательные графики, для определения, например,
потерь волноводного поворота в зависимости от радиу-
са его изгиба (рис. 4.11) [4]. Кривая ai=f(rH3r) иллюст-
рирует величину дополнительных потерь волноводного
элемента в зависимости только от радиуса его изгиба
гизг, кривая а2=/(/изг) иллюстрирует линейное возраста-
109
ние потерь с ростом фактической длины канала элемен-
та /изг- Полные потери в волноводном изгибе равны сум-
ме aj и аг. В каждом конкретном случае подобные вспо-
могательные графики позволяют установить геометрию
узла, исходя из требования минимизации суммы ai4~ct2-
Аналогичный анализ выполним и для определения
оптимальных конструкций (для улучшения электрогер-
метичности) вспомогательных элементов тракта: скру-
ток, изломов, разного вида переходов и соединений.
Если СВЧ схема по свое-
Рис. 4.11. Типовые зависимости
си от радиуса гизт (/) и а2 от
длины /изг волноводного изги-
ба (2)
му электрическому построе-
нию сложна и представляет
систему соединяемых по-
следовательно и параллель-
но функциональных узлов,
то при компоновке возмож-
ны пересечения элементов
волноводного тракта. Это
требует вспомогательных
элементов тракта (всетехже
вспомогательных волновод-
ных отрезков, уголков, скру-
ток, изломов и т. п.), обеспе-
чивающих прохождение од-
ного волноводного тракта
над другим.
Если в радиоэлектронике
монтаж схем осуществляет-
ся всегда гибкими проводниками по возможности наи-
кратчайшими путями, то монтаж СВЧ схем всегда явля-
ется пространственным и жестким, так как каждый
функциональный узел на основе того или иного отрезка
линии передачи представляет собой самостоятельную
конструкцию, а соединительные элементы (определенной
конфигурации и размеров) просто отрезки того же типа
линии. Обычно волноводные элементы и узлы монтиру-
ются на общем шасси или на основании, а для крепле-
ния их используются фланцы и реже наружная поверх-
ность волноводной трубы, которая фиксируется с помо-
щью специальных хомутов к несущему основанию или
к плате. Габаритные размеры, а следовательно, и поса-
дочные размеры узлов и элементов, как и места посадок
на плате или шасси, изготовляются с конечной точно-
стью.
ПО
При сборке волноводных каналов и при монтаже
СВЧ схемы на жестком основании (плате) возникают
механические напряжения, способные вызвать не только
деформацию волноводных труб, смещения сечений вол-
новодов, но и механическое разрушение конструкции
соединительных элементов.
Работа устройства в значительном температурном
диапазоне усугубляет напряжение в конструкции и при-
водит к дополнительной деформации тракта в местах
соединений. Обе эти причины приводят к изменению
электрических параметров схемы: суммарных активных
потерь и электрогерметичности отдельных соединений.
Во избежание брака СВЧ схемы по электрическим па-
раметрам в конструкцию схемы вводят компенсаторы,
которые одновременно являются вспомогательными вол-
новодными элементами, обеспечивающими соединение
функциональных узлов в единое устройство СВЧ. Форма
и размеры волноводных изгибов-компенсаторов опреде-
ляются с учетом абсолютной величины компенсирующе-
го геометрического параметра (ошибок сборки), темпе-
ратурных деформаций и заданных требований к поте-
рям и электрогерметичности. Поэтому для волноводных
изгибов-компенсаторов желательно применять изгибы
волноводов в плоскости «Е», как обладающие наимень-
шей механической жесткостью. Рекомендуемая форма
волноводных компенсаторов показана на рис. 4.12,1
[2, П].
Так, при соединении волноводов под углом л/2, ког-
да ошибки монтажа невелики, применимы изгибы вида
а — г при значительном разбросе соединяемых волно-
водных элементов и узлов по длине — изгибы вида и, к,
л, м. Для сопряжения волноводных каналов, фланцы ко-
торых расположены под углом л, применимы компенса-
торы формы д, е, ж и з. Следует по возможности при-
менять стандартные или нормализованные элементы и
узлы одинаковых типоразмеров.
Например, а и б (рис. 4.12,11) построены на стан-
дартных волноводных изгибах и прямых отрезках, но
первая имеет дополнительно два фланцевых соединения,
а вторая — четыре. Если возникающие из-за этого допол-
нительные потери и уменьшение электрогерметичности
недопустимы, то конструируют монолитные изгибы про-
стейших форм (б и а на рис. 4.12,11). Волноводные со-
единения сложной формы можно подбирать также из
Ш
нормализованных отрезков (рис. 4.12,11,5), но часто
из-за тех же причин приходится строить оригинальный
соединительный волновод (рис. 4.12,II,е).
Пример. Пусть необходимо спроектировать высоко-
герметичный волноводный соединительный узел на осно-
ве гибкого панцирного (позвонкового) волновода
Рис. 4.12. Формы волноводных изгибов, обеспечивающих компенса-
цию ошибок монтажа волноводной схемы на плате (I), иллюстра-
ция к выбору формы и состава соединительных волноводных отрез-
ков (II)
П2
(рис. 4.13). Конструкция такого ВОЛЙОВОДНОГО узла СО-
СТОИТ из набора весьма коротких волноводных отрезков-
позвонков с дросселями; конструктивная целостность
узла обеспечивается сетчатым латунным экраном-панци-
рем, запрессованным с обоих сторон в резиновую рубаш-
ку и плотно охватывающим все позвонки и крайние
Рис. 4.13. Конструкция панцирного гибкого высокогерметичного вол-
новодного соединительного узла с многослойным сетчатым экраном
фланцы. Таким образом, гибкий волноводный узел име-
ет снаружи своеобразный многослойный (слой резины—
латунная сетка — слой резины) экран.
Пусть необходимо обеспечить полную электрогерме-
тичнссть панцирного волновода, т. е. NrZ должно быть
не менее 80 дБ. Геометрический зазор между дроссель-
ными позвонками волновода (для обеспечения необхо-
димой подвижности позвонков и гибкости узла в целом)
выбран £=0,2 мм. В этом случае электрогерметичность
зазора между двумя соседними позвонками даже при на-
личии дросселя не превышает 20 дБ [2]. Тогда в отсут-
113
бтвие экрана Полная элёктрогёрметйчность гибкого вол-
новодного узла не превышает
Nr [дБ]<—101g [h antilg (—20/10)],
где h — число щелей-зазоров между позвонками волно-
водного узла; при /г=10 А+^10 дБ. Главной задачей
является расчет и проектирование многослойного экрана
с целью создания такой его конструкции, чтобы полная
электрогерметичность волноводного узла была не менее
80 дБ. При этом электрогерметичность собственного мно-
гослойного экрана должна быть не менее 80 дБ—10 дБ ^=
-^70 дБ. Полную электрогерметичность многослойного
экрана можно определить приближенно как сумму экра-
нирующего действия всех его слоев.
Пусть наружные слои экрана сделаны из резинового
пластика с электротехническими параметрами tgd^=0,3
и ег~3; для обеспечения конструктивной целостности и
для облегчения процесса опрессовки латунной сетки-
панциря толщина каждого из наружных слоев резины
должна быть не менее 3 мм. Тогда по формуле (3.10)
определяем составляющие экранного затухания каждого
из двух резиновых слоев за счет отражения
эотр й] Т 2 + (tg2 S/2)] exp
. Wo V7r [1 + (tg2 S/2) exp v
• Wo Л
x th [i fl 4- exp (i<pw) d 6 дБ,
L Аэ \ Z / J
где = — 1/2 arctg(tgS).
За счет поглощения
По формуле (3.14) определяем составляющую Лф. Так
как эквивалентной формой экрана в этом случае явля-
ется цилиндрическая, то Лф ц=6 дБ.
Пользуясь формулой (3.32), определяем необходи-
мое значение затухания металлической сетки (латунной)
экрана
Лэс=70+б—2 (6+5) =54 дБ.
114
По формуле (3.44) рассчитываем примерное значе-
ние отношения (1СЦС, определяющее необходимые размеры
ячеек металлической сетки: dc//c^0,3 при /С/Хо=0,1.
Таким образом, полное затухание (за счет двух сло-
ев резины и однослойной латунной сетки) многослойного
экрана панцирного гибкого волновода узла (рис. 4.13)
равно сумме частных составляющих
As= + Л с + 2 (Лэ отр Аэ погл) = 81 дБ,
что несколько превышает заданное (80 дБ) значение,
оговоренное исходными условиями к конструкторскому
расчету.
4.5. Основы теории геометрической компоновки
сложных волноводных СВЧ схем
Постановка задачи геометрической компоновки и
основные характеристики. Порядок соединения и взаим-
ное расположение элементов и узлов в СВЧ схеме могут
быть сложными; оценка качества компоновки СВЧ схе-
мы выполняется по различным критериям. Одним из та-
ких критериев является минимизация поверхности, охва-
тывающей всю СВЧ схему [12, 13].
Пусть имеется набор элементов {IjA заданного фи-
зического объема Уфиз = 2 где ll2, 113— ли-
/«1
нейные размеры i-ro элемента (в простейшем случае это
может быть набор однотипных соединительных волново-
дов и волноводных узлов, образующих СВЧ схему). Со-
единение I- и (i-f-l)-ro элементов (узла) имеет длину
/Ч и может иметь различную форму. Требуется последо-
вательно разместить данный набор СВЧ элементов и
узлов внутри некоторого объема, имеющего наимень-
шую поверхность. Основные характеристики качества
геометрической компоновки волноводных СВЧ схем сле-
дующие.
Коэффициент наполнения (КН) определяется как от-
ношение физического объема составляющих элементов
Уфиз к объему, охватывающему всю СВЧ конструкцию
Уохв, Т. е.
КН=(Уфиз/Уохв) -100%. (4.25)
115
Этот коэффициент хорошо известен из теории компонов-
ки РЭА.
Коэффициентом дефекта формы (КДФ) назовем от-
ношение объема всей конструкции СВЧ схемы V0XB к ее
поверхности S0XB в степени 3/2, умноженное на нормиру-
ющий коэффициент 6 V те
КДФ = 6 100»/.. (4.26)
Среди всех тел заданного объема шар обладает наи-
меньшей поверхностью, и основное изопериметрическое
неравенство S3—36лК2^0 (где равенство достигается
только для шара) показывает, что
• (4.27)
поэтому КДФ характеризует степень отклонения (дефек-
та) формы охватывающей поверхности от формы шара.
Так как КН определяет только степень наполнения,
а КДФ только качество формы, то целесообразным яв-.
ляется введение абсолютного коэффициента компоновки
(АКК), характеризующего и степень наполнения, и фор-
му охватывающей конструкцию СВЧ схемы поверхности
АКК = КН -КДФ/100’/,=6 |<z (Кф„/5^) • 100’/,. (4.28)
При самых общих предположениях относительно ко-
личества, формы и размеров составляющих СВЧ схему
элементов и узлов задача «геометрической» компоновки
вряд ли может иметь однозначное конструктивное реше-
ние, поэтому вводятся некоторые дополнительные огра-
ничения, касающиеся геометрии компонуемых узлов и
порядка их взаимного соединения в СВЧ схеме.
Пусть все элементы и узлы СВЧ схемы близки или
могут быть представлены в виде прямоугольных парал-
лелепипедов и их главные геометрические размеры рав-
ны: /г'г=А, /г’з=/з, /4=^4 ... и т. д. Все волновод-
ные элементы и узлы соединены последовательно. При
дальнейшей графической иллюстрации геометрической
компоновки принимается /]=/2=^ и вводится обозначе-
ние Z3//j=6, причем б может быть переменным.
Компоновка волноводных элементов и узлов СВЧ
схемы на плоскости. Высота волноводных элементов и
узлов не играет существенной роли при компоновке на
116
плоскости, в связи с этим полученные компоновочные ко-
эффициенты трансформируем к этому случаю. Исходя
из изопериметрического неравенства на плоскости
(где 3 — соответствующая площадь плоской
фигуры: L — длина контура, охватывающего эту фигу-
ру), по аналогии с (4.25), (4.26) и (4.28) запишем
КНпЛ==(13физ/ц$
охв ) ♦ 100%;
КДФпл =4jt(iS охв/L2
охв ) -100%;
АККПЛ —4rti (5физ/Е2охв )-100%
(4.29)
(4.30)’
(4.31)
Проиллюстрируем коэффициенты (4.29) —(4.31) на при-
мерах СВЧ схем, собранных на платах прямоугольной и
круглой формы. Схемой прямоугольной формы будем
называть конструкцию, у которой охватывающий ее
контур (не обязательно прямоугольник!) состоит из от-
резков прямой, причем углы между ними или л/2, или
Зл/2 (рис. 4.14,«).
Сложная СВЧ схема, показанная на рис. 1.4, для фор-
мализации конструкторской задачи по обеспечению элек-
трогерметичности волноводных систем как раз является
примером компоновки узлов на плоскости прямоугольно-
го контура. Для прямоугольной платы желательна фор-
ма квадрата в силу его экстремального свойства: точнее,
если У jV/2/(^3-J-/4)=^ — целое число, то из N элементов
можно составить конструкцию, имеющую форму квадра-
та, причем в каждой строке будет точно по h элементов.
Порядок взаимного расположения и последовательность
включения составляющих СВЧ узлов на прямоугольной
плате видны из рис. 4.14,6. Для платы такой формы
(квадратной)
КНпл=[/з/(/3+/4)]-Ю0%,
(4.32)
КДфпл=(я/4) • 100%^78%.
(4.33)
Если (/34-/4)/г2//2 (h — целое число), то плата
СВЧ схемы прямоугольной формы с тем же КНПл не
имеет форму квадрата, поэтому КДФпл < (л/4) • 100%'.
Покажем, однако, что для СВЧ схем с большим N мож-
но выбрать такую прямоугольную форму платы, когда
КДФпл будет меньше КДФпл max- Действительно, пусть
имеем
(4.34)
117
(Ш)/1%<А< (/з+/4) (Н-1)2//2.
20 W 60 80 100 120 1U N
6)
Рис. 4.14. Примеры контуров плат прямоугольной формы для СВЧ
схем (а); расположение и последовательность соединения состав-
ляющих волноводных элементов и узлов на плоской прямоугольной
плате (6), зависимость КДФПЛ от числа волноводных элементов, со-
ставляющих плоскую СВЧ конструкцию с прямоугольным конту-
ром (в)
Схему СВЧ на плате прямоугольной формы, состоящую
из N элементов, можно скомпоновать по-разному. Если
N— (/з+М /г2//2=^<(/з+/4) (h-1) //2,
то СВЧ схема имеет в строке h волноводных элементов
(последняя строка может быть не вся заполнена). Когда
IM-li) (А+1)%-АГ=А2<(/з+М (Л+1)//2,
то в строку ставится на один элемент больше (Л-|-1).
Для СВЧ схемы на плате прямоугольной формы с ко-
личеством
(4.35)
Н8
Элементов
КДФпл = [2 (/,4-/4) Л + £| (—^//i)|]2 100°/•’ (4-36)
а с
N=(l3+U) (А+1)2//2-^2 (4.37)
элементов
КДФПл = {2(/з + /1)(Л+ l)J}2.l00o/o , (4.38)
причем в (4.36), (4.38) и далее в прямоугольных скоб-
ках всегда целая часть числа. При нахождении экстре-
мального значения КДФпл в интервале (1зА~к)^/12,
(^з+М (^Ч~1)2//2 отклонение его значений от КДФплшах
пропорционально 1/|Z N (рис. 4.14,в). Из кривой, на-
пример, видно, что отклонение КДФпл для 7V^9O уже
менее 2,5%.
Рассмотрим компоновку волноводной СВЧ схемы на
плате, охватывающий контур которой является кругом.
На рис. 4.15,67 показана схема расположений и включе-
ний составляющих элементов и СВЧ узлов на плате
круглой формы. Заполнение контура произведено по
кольцам, радиус которых равен R, а число волноводных
элементов и узлов в каждом кольце т находим из сле-
дующих рекуррентных соотношений:
Л,+1=/(Л,+О!+7Л (4.39)
m/+l=^/{2 arctg [/(2R, + Z,)* + Z\-Z*. -
-(2Л, + /,)]}/(/, (4.40)
где Ri — внешний радиус i-го кольца; тг- — число эле-
ментов в 1-м кольце. Для первого кольца mi=3 и
//!,/4 + (/!/2 + /,/2/3 + Z.//3)!.
Расчет по формулам (4.39) и (4.40) целесообразен толь-
ко для нескольких первых колец; далее удобно вести
расчет по упрощенным формулам вида
^+1^(/?г+/2) + (/2з/8) (Т?г+/2), (4.41)
где погрешность вычислений по этой формуле всегда
менее /3/128(7?г4-/2)3, тогда
тг-4-1^Л/Пг+1 И Пг+1^(/зН~^4) / (2^?г~]-/2) . (4.42)
119
Рис. 4.15. Оптимальное расположение составляющих волноводных
элементов и узлов на плоской плате круглой формы при последова-
тельном их соединении (а) и зависимости КНПЛ от N для различ-
ных 6 плоской конструкции СВЧ схемы с наружным контуром в виде
круга (б)
Рис. 4.16. Порядок расположения и возможная последовательность
включения составляющих волноводных элементов и узлов СВЧ схе-
мы в объеме прямоугольного параллелепипеда (а), основные гео-
метрические соотношения и расположение составляющих волноводных
элементов и узлов внутри цилиндрического контура (б), зависимость
коэффициента наполнения цилиндра от числа компонуемых элемен-
тов и параметра д (в)
120
При расположении элементов на круглой плате для
=2т<
КНпл=(Л'/2У/М2„).100%, (4.43)
КДФпл=100%, (4.44)
АККпл=КНпя. (4.45)
Для такого варианта компоновки значения КНПЛ даны
на рис. 4.15,6.
Пространственная компоновка волноводных элемен-
тов и узлов СВЧ схемы. Естественной компоновкой на
прямоугольной плате является расположение СВЧ эле-
ментов и узлов в объеме прямоугольного параллелепи-
педа. Если (рис. 4.16,а) в строке слоя k\ элементов, все-
го строк k2, а слоев /г3, то для конструкции из N~k\k2ks
элементов и узлов основные компоновочные характери-
стики вычисляются по формулам
КНпр=[/3/(М-/4)] • 100%; (4.46)
К Д Ф ___________3/2 Кп Z,Z2 (Ч 4~ Z4) .N_
Пр {А (Ч + /4) N/kt 4- Z, (Z3 4- Z4) N/k2 4- ВД*.}3/2 A
X 1000/0. (4.47)
Наибольшее значение КДФ для куба достигает 72%.
Другим расположением элементов СВЧ схемы на
круглой плате является компоновка в прямом круговом
цилиндре (рис. 4.16,6). Пусть — радиус основания
цилиндра и k — ближайшее целое число к 2/?ц//], тогда
высота цилиндра равна kl^.
Коэффициент наполнения для конструкции формы
оптимального цилиндра можно вычислять по формуле
(4.46) (рис. 4.16,в). Оптимальным цилиндром (имеющим
при объеме наименьшую поверхность) является цилиндр,
у которого высота равна диаметру основания; для тако-
го цилиндра КДФц приближается к 82%• Для получения'
высокого АКК перспективной является компоновка СВЧ
устройства в объеме, близком к форме шара, но конст-
рукции подобной формы применяются только в космиче-
ской технике.
9—852
121
4.6. Компоновка волноводных СВЧ схем по критерию
электромагнитной совместимости
Основы теории радиотехнической компоновки волно-
водных схем позволяют найти такое расположение эле-
ментов и узлов в заданном объеме пространства, когда
при определенных допущениях к геометрии устройства и
к некоторым второстепенным радиотехническим пара-
метрам лучше удовлетворяются требования к основным
радиотехническим характеристикам.
Оптимальной компоновкой СВЧ схемы считают та-
кую, при которой основные радиотехнические характери-
стики максимально приближаются к теоретическим,
а геометрические характеристики меньше отклоняются
от достигаемых только при чисто геометрической компо-
новке. Для нахождения оптимального компоновочного
решения устройства СВЧ исходя из задаваемых радио-
технических критериев (условий) необходимы следую-
щие операции.
1. Анализ задаваемого радиотехнического критерия
для установления его качественных и количественных
связей с другими радиотехническими характеристиками
устройства СВЧ.
2. Изучение и аналитическое описание всех радио-
технических и конструктивных факторов, имеющих пре-
обладающее влияние на задаваемый критерий.
3. На основании анализа определение дополнитель-
ных требований к компоновке и всех возможных прибли-
жений, допущений, ограничений, позволяющих конкре-
тизировать и упростить решение задачи по компоновке.
4. Составление (на основании п. 1—3) математиче-
ской модели, наилучшим образом связывающей радио-
технический критерий оптимизации с компоновочными
характеристиками.
5. Определение наиболее рациональной техники вы-
числений, позволяющей по выбранной модели быстрее и
достовернее найти оптимальное компоновочное решение
устройства СВЧ.
6. Проверка полученного результата на соответствие
полученной компоновки принятому радиотехническому
критерию и на соответствие полученных компоновочных
и конструктивных характеристик исходным техническим
условиям.
В настоящее время имеются эффективные расчетные
методы (как правило, с использованием ЭВМ), с успе-
122
хом применяемые при компоновке РЭ и СВЧ аппарату-
ры. Выбор методики и техники вычислений зависит от
типа радиоаппаратуры (РЭА или СВЧ А), конкретной
задачи и других факторов. Процедура нахождения опти-
мального компоновочного решения даже с применением
ЭВМ всегда оказывается сложной и трудоемкой. Рас-
смотрение методов оптимизации компоновки СВЧ с по-
мощью ЭВМ выходит за рамки настоящей работы.
Рис. 4.17. Автоматический комплекс для доводки обтекателей
Пример. Пусть необходимо по критерию ЭМС найти
оптимальную компоновку СВЧ схемы 8-мм диапазона
для комплекса автоматического контроля и доводки по
электрической толщине остроконечного радиопрозрачно-
го обтекателя (рис. 4.17) [14, 15].
Комплекс состоит из: I — измерительная схема, ко-
торая через приемопередающий зонд 9 по фазе отражен-
ной электромагнитной волны фиксирует действительную
электрическую толщину стенки обтекателя II; III—схе-
ма сравнения с программным устройством и приводом,
обеспечивающая подачу обтекателя II под измеритель-
ный зонд 9 и которая в соответствии с результатом из-
мерения СВЧ схемой I включает обрабатывающий ин-
струмент IV, уточняющий до требуемого значения стен-
ку обтекателя II в месте контроля. Компоновке подле-
жит только измерительная схема I, при этом выдвига-
9* 123
ются следующие дополнительные условия к взаимному
размещению составляющих схему узлов:
1) все 23 СВЧ узла размещаются в объеме прямо-
угольного вытянутого параллелепипеда V со сторонами
не более 60X30X15 см
2) выход СВЧ генератора (7) и индикаторную ан-
тенну схемы (9) размещают на противоположных сто-
ронах параллелепипеда, а фазовращатель 11 отсчета
измеряемой электрической толщины стенки обтекателя
на третьей протяженной стороне параллелепипеда;
3) предполагается, что все компонуемые СВЧ узлы
(1—23), а также все дополнительные волноводные эле-
менты 8-мм диапазона имеют геометрические размеры,
укладывающиеся в размере элементарной кубической
ячейки со стороной, равной 5 см (т. е. 1\=12=13=1ь).
4) компоновку 23 узлов СВЧ схемы требуется про-
извести на разных уровнях в трех плоскостях, парал-
лельных протяженным сторонам вытянутого параллеле-
пипеда;
5) на основании анализа и из графиков рис. 4.11
установлен оптимальный для рассматриваемого случая
СВЧ схемы радиус изгиба вспомогательных волноводов,
равный 5 см.
Выражением оптимальности компоновки будёт
(с точки зрения электрогерметичности) наименьшее воз-
можное значение следующей целевой функции
ф = 3 S (Mz/’+Mij+V//) при I, 1=1, 2,
л; rV7»
(4.48)
где kt, k2, k3 — весовые (стоимостные) коэффициенты,
(в дальнейшем для определенности полагаем &i=l, k2=
=2, ^з=3); kj — длина волноводного соединения между
элементами I и / (f, /); тц— число поворотов (под пря-
мым углом) соединения (i, /), причем соединения в од-
ной плоскости компоновки; — число переходов соеди-
нения (t, /) из одной плоскости в другую.
В данном случае требования по ЭМС сводятся к сле-
дующим обязательным условиям:
I. Максимальный (в пределах объема V) разнос ис-
точника СВЧ излучения (/) и чувствительной индика-
торной антенны (9); т. е. pi,9 должно быть максималь-
ным или, другими словами, из множества всевозмож-
124
них значений pi,9: {рьэ} выбирается тах{р1,э}. Здесь p/j
(следуя терминологии метрических пространств) — рас-
стояние между элементами i и /. Вместо условия макси-
мальности pi,9 необходимо, чтобы эти элементы находи-
лись на противоположных гранях заданного V, в преде-
лах которого проводится компоновка. Такое условие обу-
словливает компоновку среди подмножества тех позиций
элементов 1 и 9, которые достаточно далеки между со-
бой и существенно снижает трудности анализа и вычис-
лений.
2. Получить максимально возможную электрогерме-
тичность СВЧ схемы, если все соединительные элементы
имеют одинаковую конструкцию (Ni=N2= ... =Ni= ...
... =No). При этом предполагается, что введение допол-
нительной волноводной секции, в том числе и изгиба
волновода на л/2 (см. рис. 4.12.1,а—г), приводят к по-
явлению в схеме одного дополнительного фланцевого
соединения, в то время, как поворот волновода на угол
л (рис. 4.12,в) или переход на другую плоскость компо-
новки (рис. 4.12,(5) связаны с введением в схему двух
дополнительных фланцевых соединений. Если в резуль-
тате компоновки: А — непосредственных соединений
двух произвольных узлов из 23 узлов; Б— дополнитель-
ных прямых волноводных элементов или изгибов и В —
сложных (на угол л) волноводных изгибов для перехода
из одной плоскости в другую, необходимых для реали-
зации компоновки, то суммарная потеря электрогерме-
тичности схемы имеет вид
7VrS = ЛУ0 + 2BNq + 3BN0, (4.49)
что соответствует конкретному значению целевой функ-
ции Ф в (4.48). Оптимальная компоновка по критерию
электрогерметичности, таким образом, будет
min = Л-b 26,4- ЗВ. (4.50)
3. Попутно с выполнением требований (4.50) будет
выполняться условие обеспечения высокой чувствитель-
ности и надежности СВЧ схемы, т. е. минимально воз-
можное число соединений гарантирует приемлемые уров-
ни отражений и активных потерь во всем волноводном
тракте СВЧ схемы (4.21), (4.22).
Таким образом, задача компоновки при заданном
критерии оптимальности компоновки является полно-
125
стью формализованной и дальнейшее решение прово-
дится математическими методами.
Рассмотрим математический процесс нахождения
оптимальной компоновки по оговоренным критериям.
Объем, в котором проводится компоновка, разбит на рав-
ные элементарные кубические ячейки, каждая из кото-
рых определяется тремя упорядоченными координатами:
х=1, 2, ..., 6; у=1, 2, ..., 12; z=\, 2, 3. Указанные ра-
нее ограничения определяют для (I) элемента фиксиро-
вание второй координаты (у=1), для 9 элемента у=12,
для (II) 2=3. В данной постановке компоновка относит-
ся к задачам комбинаторного типа, когда невозможно
гарантировать оптимальное решение, не перебрав всех
вариантов, число которых хоть и конечно, но так велико,
что полный перебор затруднителен даже с применением
ЭВМ. Остановимся на одном из многих возможных при-
ближенных вариантов решения поставленной задачи, но
для которого оптимальное решение дается с высокой
степенью вероятности. Алгоритм решения будет состоять
из следующей последовательности операций;
Исходные данные
1
Первоначальное приближение решения задачи I
компоновки
I
Улучшение расположения элементов схемы ♦- II
t I t
«-Проведение трассировки соединений | III
1 I
Сравнение различных вариантов компоновки и-> IV
выбор наилучшего, наиболее полно отвечаюше-
го требованиям и условиям
I
Выдача оптимального варианта
Сначала рассмотрим весь математический процесс
компоновки в целом. После ввода основных исходных
данных в память вычислительной машины вводится ма-
трица соединений компонуемых элементов, размеры об-
ласти V, размеры ячейки, введенные ранее ограничения
и дополнительные условия. Находится вариант прибли-
женного решения задачи компоновки, который получа-
ется, в частности, в результате решения задачи, но при
существенных упрощениях (например, трассировка не
проводится, а длина соединения между элементами
126
(i, j) принимается в эвклидовой метрике в виде
= — Xj)a + (у i — у у + (г, — гу)2. (4.51)
Трассировка определяется методом волнового алгоритма
Ли [2, 14] и соединения находятся в порядке возраста-
ния длин соединений (метрика при этом имеет вид lij=
= |Xi—+ —2j| —предполагаемое рассто-
яние между элементами i, j, причем при проведении со-
единений часть ячеек считается занятой СВЧ узлами и
соединительными волноводами. Итак, в результате III
операции выполняется последовательный поиск соедине-
ний (трассировки) между всеми компонуемыми СВЧ уз-
лами— в соответствии с матрицей их связи и при усло-
вии удовлетворения главному критерию (4.50).
В результате Ш операции достигается улучшение
размещения СВЧ узлов схемы. Здесь применяется, на-
пример, метод покоординатного спуска, аналогичный ме-
тоду Гаусса — Зейделя. В данном случае надо провести
минимизацию функционала (4.50) или (4.48)
тшФ(Х1, 2i); х2, у2, z2; ...; хп, уп, zn),
где Xi, yi, Zi — положение Гго СВЧ узла схемы. Сущ-
ность II операции, проводимой методом покоординатно-
го спуска, состоит из вариаций перемещений каждого из
компонуемых СВЧ узлов в пределах заданного объема V
до тех пор, пока перемещение узла не уменьшит функ-
ционал Ф, или до тех пор, когда перемещаемый узел
начнет выходить за границу объема V. Подобная опера-
ция должна выполняться для всех компонуемых СВЧ
узлов, причем раздельно для каждого узла. Иначе гово-
ря, вариация перемещений t-ro узла проводится до до-
стижения частного минимума Ф(г) при фиксированном
положении всех остальных узлов.
Процедура II операции по объему вычислений на
ЭВМ может быть несколько сокращена, если вариаци-
ям перемещений при поиске минимума функционала
| Ф | подвергать только те узлы, размещение которых су-
щественно определяет компоновку СВЧ схемы по задан-
ным критериям. Например, в рассматриваемом варианте
СВЧ схемы можно не рассматривать совсем компоновку
так называемых «висячих» элементов (9, 10, 13, 14, 20
и 22), поскольку последние в отличие от всех других, со-
единенных последовательно, подсоединяются в схеме
только с одной стороны (рис. 4.17,1).
127
По рассмотренной выше методике на ЭВМ была вы-
полнена оптимизация компоновки СВЧ измерителя ком-
плекса автоматической доводки обтекателя по электри-
ческой толщине. Из нескольких полученных вариантов
компоновочного решения был выбран один, полностью
отвечающий требованиям электрогерметичности и наи-
более полно отвечающий всем другим условиям. На рис.
Рис. 4.18. Внешний вид комплекса автоматической доводки обтека-
телей:
I — СВЧ измеритель, где 1 — вход СВЧ генератора, 9 — приемопередающая
индикаторная антенна (зонд), // — прецизионный фазовращатель, II—обтека-
тель, III—схема сравнения, IV — обрабатывающий изнутри инструмент
4.18 представлен комплекс для измерения и доводки по
электрической толщине остроконечных антенных обтека-
телей, СВЧ измеритель которого скомпонован в соот-
ветствии с полученным расчетным вариантом, признан-
ным оптимальным.
4.7. Контроль электрогерметичности СВЧ соединений
Как следует из табл. 4.1, электрогерметичность СВЧ соединений
может превышать 120 дБ, а возможный диапазон изменений элек-
трогерметичности для некоторых соединений может составлять
70 дБ. Поэтому к СВЧ аппаратуре для контроля электрогерметич-
128
ности предъявляются особые требования по чувствительности и диа-
пазону измеряемой мощности [16].
Если контроль электрогерметичности производится па больших
уровнях мощности, то можно отказаться от супергетеродинного
приема и контрольное устройство может быть собрано из стандарт-
ных СВЧ узлов лабораторного типа, а в качестве чувствительного
СВЧ элемента использован кремниевый или германиевый детектор.
На рис. 4.19 показан упрощенный вид схемы для измерения
в условиях лаборатории электрогерметичности в различных кон-
струкциях фланцевых соединений
[2]. Исследуемая конструкция со-
единения 1 располагается в мало-
размерной камере 2, покрытой
изнутри поглощающим материа-
лом. Сигнал от мощного СВЧ
передатчика До по волноводному
тракту подается к испытуемому
соединению; между передатчи-
ком и соединением включен вол-
новодный ответвитель (Отв.),
обеспечивающий ослабление пря-
мого сигнала, подаваемого через
детектор на индикатор 4, на Со
[дБ]. Глубокий волноводный ру-
пор 3 закрывает с одной стороны
исследуемое фланцевое соедине-
ние /; сигнал просачивания Pi
Рис. 4.19. Схема для контроля
электрогерметичности фланце-
вых соединений волноводов
через калиброванный аттенюатор
(Ат.), с ослаблением на си [дБ]
также может быть подан через
волноводный переключатель 4 на
детектор и далее на стрелочный
индикатор 5.
Вначале индикатор подключается через ответвитель к генерато-
ру. Поступающей в этом случае на детектор мощности РоСо будет
соответствовать определенное положение стрелки индикатора, кото-
рое замечается. Затем к детектору Д и индикатору 4 посредством
волноводного переключателя подводится мощность утечки Р\, мани-
пулируя аттенюатором, добиваются на индикаторе первоначального
положения стрелки, в этом случае на детектор будет поступать мощ-
ность Pidi.
Если ослабление ответвителя Со [дБ] не менее максимально
возможного ослабления аттенюатора си max, то электрогерметичность
по испытуемой стороне фланцевого соединения 2V'r = Coai [дБ], при-
чем си — показание аттенюатора, при котором стрелка индикатора
возвращается в первоначальное положение.
Полная электрогерметичность Уг прямоугольного фланцевого со-
единения можно получить в результате четырех аналогичных заме-
ров частных значений 2V'r, N"r, N"'T, N""T. Величина NT для испы-
туемого соединения вычисляется по формуле
NT [дБ] =10 lg [antilg(W'r/10)-4-antilg(jV''r/10)4-
4-antilg(^"'r/10)4-antilg(^",r/10).
Изменяя в процессе измерений, например, размер зазора t между
фланцами соединения или деформируя соединение механическими
129
усилиями, нетрудно получить для данной исследуемой конструкции
зависимость N(f), подобную тем, что показаны на рис. 4.4. Погреш-
ность контроля электрогерметичности при изменениях по данной
методике и с применением лабораторной аппаратуры СВЧ средней
точности, составляет единицы децибел.
В заключение заметим, что успех испытаний на электрогерметич-
ность зависит не только от тщательности соблюдения методики
измерения, но и от правильного выбора первоначального значения
ослабления ответвителя и максимального ослабления аттенюатора.
Список литературы
К главе 1
1. Князев А. Д., Пчелкин В. Ф. Проблемы обеспечения совместной
работы радиоэлектронной аппаратуры. М., «Сов. радио», 1971.
2. Пестряков В. Б. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры
(основные проблемы и современное состояние). М., «Сов. радио»,
1969.
3. Воробьев Е. А. Конструкторские задачи по обеспечению экрани-
рования и электрогерметичности в типовых устройствах СВЧ. —
«Труды ЛИАП», 1977, вып. 111.
4. Каден Г. Электромагнитные экраны. М., Госэнергоиздат, 1957.
5. Рогинский В. Ю. Экранирование в радиоустройствах. Л., «Энер-
гия», 1970.
6. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по
элементам волноводной техники. М., «Сов. радио», 1967.
7. Харвей А. Ф. Стандартные волноводы и соединительные устрой-
ства для аппаратуры сантиметровых волн. — «Вопросы радиоло-
кационной техники», 1956, вып. 5.
8. Воробьев Е. А. и др. Конструкции и техника СВЧ. (Учебное по
собие). Ч. I, ЛИАП, 1972.
К главе 2
1. Красюк Н. П. Электродинамика и распространение радиоволн
М., «Высшая школа», 1973.
2. Федоров Н. Н. Основы электродинамики. М., «Высшая школа»,
1965.
3. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В. Материалы радиоэлектрон-
ной техники. М., «Высшая школа», 1969.
4. Воробьев Е. А. Конструкции и техника СВЧ. (Учебное пособие).
Ч. III. ЛИАП, 1976.
5. Вайнорис 3. А. Конструкции и техника СВЧ. Конспект лекций.
Ч. I. ВИСИ, 1972.
6. Воробьев Е. А., Михайлов В. Ф., Харитонов А. А. СВЧ диэлек-
трики в условиях высоких температур. М., «Сов. радио», 1977.
7. Крылов В. А., Юченкова Т. В. Защита от электромагнитных излу-
чений. М., «Сов. радио», 1972.
8. Каплун В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет
и проектирование). М., «Сов. радио», 1974.
9. Воробьев Е. А., Данилов Ю. Н. Критерии допустимой шерохо-
ватости проводящих и диэлектрических поверхностей СВЧ кон-
струкций.— «Вопросы радиоэлектроники. Технология производ-
ства и оборудование», 1974, вып. 1.
К г л а в е J
1. Гроднев И. И. Электромагнитное экранирование в широком диа-
пазоне частот. М., «Связь», 1972.
2. Воробьев Е. А. Расчет и конструирование экранов и электро-
герметичных соединений устройств СВЧ. (Учебное пособие),
ч. III, ЛИАП, 1976.
3. Воробьев Е. А., Данилов Ю. Н., Французов А. Д. К проблеме
микронеровностей токонесущих поверхностей в СВЧ диапазоне
радиоволн. — «Труды ЛИАП», 1969, вып. 59.
4. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. М., Изд-во АН
СССР, 1957.
5. Кюн Р. Микроволновые антенны. Пер. с анг. Под ред. М. П. До-
луханова. Л., «Судостроение», 1967.
6, Негурей А. В., Харитонов А. А. Конструкции и техника СВЧ
(проектирование СВЧ резонаторов и СВЧ фильтров). Ч. II,
ЛИАП, 1974.
7. Поляков К. П. Приборные корпуса радиоэлектронной аппара-
туры. М.—Л., Госэнергоиздат, 1963.
8. Смирнов В. И., Матта Ф. Ю. Теория конструкций контактов
в электронной аппаратуре. М., «Сов. радио», 1974.
9. Кондрашкин Н. М. Переходные контакты в устройствах зазем-
ления и экранирования РЭА. М., «Сов. радио», 1973.
10. Жук М. С., Молочков Ю. Б. Проектирование линзовых, скани-
рующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. М.,
«Энергия», 1973.
11. Ерухимович Ю. А., Зимин С. Н., Метрикин А. А. Двухзеркаль-
ная антенна для радиорелейной связи. — В кн.: «Антенны», 1970,
вып. 7.
12. Терешин О. Н., Морозов В. Н. Способ уменьшения реакции
вспомогательного зеркала на возбуждающий рупор в антенне
Кассегрена. — «Труды МЭИС», 1970, вып. 1.
13. Астафьева Н. Г., Воробьев Е. А. Минимизация отражений от
Земли и увеличение развязки между антеннами РЛС непрерыв-
ного излучения с помощью пластин диэлектрика. — «Труды
ЛИАП», 1969, вып. 59.
К главе 4
1. Харвей А. Ф. Техника сверхвысоких частот. Ч. I и ч. II. Пер.
с англ. Под ред. В. И. Сушкевича. М., «Сов. радио», 1965.
2. Воробьев Е. А. Расчет и конструирование экранов и электро-
герметичных соединений устройств СВЧ. (Учебное пособие).
ЛИАП, 1976.
131
3. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по
элементам волноводной техники. М., «Сов. радио», 1967.
4. Байчурин А. С. Расчет, конструирование и изготовление волно-
водных устройств и объемных резонаторов. Л., Госэнергоиздат,
1963.
5. Буряк В. С. Расчет сочленений многоволновых волноводов пря-
моугольного сечения.— «Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника»,
1964, № 2.
б. Волынцев Л. К. Выбор и расчет допусков установочных элемен-
тов фланцевых соединений и их влияние на смещение каналов
волноводов. — «Вопросы радиоэлектроники. Сер. XII», 1965,
вып. 30.
7. Кухаркин L С., Сестрорецкий Б. В. :Электричеёкая прочность
волноводных устройств. М., «Сощ £адио»,. 1963.
8. Райцын Д. Г. Электропрочность устройств СВЧ. М., «Сов ра-
дио», 1977.
9. Машковцев Б. М., Качанский Б. В. Коэффициент отражения от
системы щелей в коаксиальном фидере. — «Вопросы радиоэлек-
троники. Общетехническая», 1968, вып. 26.
10. Воробьев Е. А. Технологические ограничения при серийном про-
изводстве типовых устройств СВЧ. — «Вопросы радиоэлектро-
ники. ТП и О», 1976, вып. 1.
11. Разумовский В. А. Деформация волноводных элементов в вол-
новодных трактах. — «Вопросы радиоэлектроники. Общетехниче-
ская», 1968, вып. 3.
12. Воробьев Е. А., Гусман Ю. А. Введение в теорию геометриче-
ской компоновки СВЧ аппаратуры. — «Труды ЛИАП», 1969,
вып. 59.
13. Воробьев Е. А. К вопросу о топологических методах компоновки
СВЧ аппаратуры. Там же.
14. Воробьев Е. А., Гусман Ю. А., Файнштейн В. 3. Оптимизация
режима работы автоматического комплекса доводки обтекате-
лей.— «Вопросы радиоэлектроники. ТП и О», 1974, вып. 1.
15. Воробьев Е. А., Гусман Ю. А. Распознавание производственных
ситуаций в автоматическом комплексе доводки обтекателей.
Там же.
16. Воробьев Е. А. Исходные точностные критерии, необходимые для
конструирования и эксплуатации аппаратуры диапазона СВЧ.—
«Материалы VI науч.-техн. конф. Радиоизмерения-75», Каунас—
Вильнюс, 1975, т. IV.
132
Оглавление
Предисловие.................................................. 3
1. Конструкторские задачи экранирования и электрогерметич-
ности в типовых устройствах СВЧ.......................... 5
1.1. Внешняя и внутренняя электромагнитная обстановка 5
1.2. Особенности обеспечения ЭМС в конструкциях
устройств СВЧ........................................... 7
1.3. Основные конструкторские задачи по обеспечению
ЭМС..................................................... 9
1.4. Параметры и характеристики для количественной
оценки ЭМС........................................... 17
2. Физические основы экранирования и электрогерметичности
СВЧ конструкций.......................,......................19
2.1. Характеристики электромагнитного поля и особенно-
сти СВЧ диапазона . ................19
2.2. Электромагнитные волны в изотропных и однородных
средах с потерями.......................................23
2.3. Электромагнитные волны на плоской границе раздела
воздух — проводник. Физические принципы действия
металлических экранов ................................. 27
2.4. Прохождение электромагнитных волн через диэлек-
трические панели. Физические принципы действия ди-
электрических экранов...................................33
3. Конструирование экранов и электрогерметичных корпусов . 38
3.1. Технические требования к электромагнитным экранам
и электрогерметичным корпусам......................38
3.2. Конструкторский расчет однородных экранов ... 40
3.3. Конструкторский расчет многослойных экранов . . 54
3.4. Расчет неоднородных экранов...................58
3.5. Особенности технологии и критерии выбора материа-
ла для СВЧ экранов и электрогерметичных корпусов 67
3.6. Особенности применения радиопоглощающих материа-
лов, металлических и диэлектрических экранов в ан-
теннах СВЧ..............................................74
3.7. Контроль параметров экранов, электрогерметичных
корпусов и поглощающих материалов..................85
4. Конструирование электрогерметичных соединений ... 89
4.1. Выбор типа конструкций электрогерметичных волно-
водных соединений..................................89
4.2. Конструкторско-технологические требования к элек-
трогерметичным соединениям волноводов .... 95
4.3. Электрическая прочность конструкций соединительных
элементов волноводов ................................ 100
4.4. Компоновка СВЧ схем из волноводных узлов и эле-
ментов ...............................................104
4.5. Основы теории геометрической компоновки сложных
волноводных СВЧ схем.............................115
4.6. Компоновка волноводных СВЧ схем по критерию
электромагнитной совместимости....................122
4.7. Контроль электрогерметичности СВЧ соединений . . 128
Список литературы.......................................131
134
Воробьев Е. А.
В 75 Экранирование СВЧ конструкций. — М.: Сов. ра-
дио, 1979, 136 с., ил. (Библиотека радиоконструк-
тора)
40 к.
Рассматриваются вопросы конструирования электросовместимых и
электрогерметичных типовых устройств СВЧ.
Книга предназначена для разработчиков, конструкторов и техно-
логов, работающих в области техники СВЧ, а также студентов вузов
30407-033
046(01)-79
17-79 2402020000
ББК 32.841
6Ф2.13
ИБ № 124
ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ВОРОБЬЕВ
Экранирование СВЧ конструкций
Редактор В. М. Ларионова
Художественный редактор А. И. Алтунин
Технический редактор В. А. Позднякова
Корректор Т. В. Покатова
Сдано в набор 03.10.78 Подписано в печать 2S.02.79 Т-03158
Формат 84ХЮ37з2 Бумага машиномелованная Литературная гарн.
Высокая печать Объем 7,14 усл. п. л., 7,106 уч.-изд. л.
Тираж 10 000 экз, Зак.852 Цена 40 коп.
Издательство «Советское радио», Москва, Главпочтамт, а/я 693
Московская типография № 10 «Союзполиграфпрома»
Государственного Комитета СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
Москва, М-П4, Шлюзовая наб., 10-