Зачем волноводу нагрузка
Волноводный тракт где-то должен заканчиваться. Если просто оставить фланец открытым, волна частично излучится, частично отразится и вернётся к генератору. Нагрузка задаёт, что происходит с волной в конце тракта: согласованная поглощает её полностью, короткозамыкатель отражает целиком, рассогласованная — отражает известную долю. Каждый вариант нужен для своих задач: от испытаний передатчика до калибровки анализатора цепей.
Центр — идеальное согласование, край окружности — полное отражение. Каждая нагрузка занимает на диаграмме своё место.
Согласованная нагрузка
Внутри — клин или конус из поглощающего материала, плавно сужающийся навстречу волне. Волна заходит в поглотитель постепенно и не успевает отразиться, а энергия превращается в тепло. Качество нагрузки оценивают по КСВН: у измерительных моделей каталога 1,03–1,05 в средних сечениях и до 1,15 в миллиметровом диапазоне.
Главное различие между согласованными нагрузками — мощность, которую они рассеивают. От этого зависят размер, материал и способ охлаждения:
| Исполнение | Мощность | Охлаждение | Где применяют |
|---|---|---|---|
| малой мощности | от 0,5 до 50 Вт | естественное | измерения, согласование плеч мостов и ответвителей |
| малогабаритные | 15–30 Вт | естественное | встраивание в узлы, где мало места |
| средней мощности | до 300 Вт | конвекция | развязанные плечи в передающих трактах |
| высокой мощности | до 2,5 кВт | конвекция | испытания передатчиков и усилителей |
| с воздушным охлаждением | до 10 кВт | принудительное воздушное | стенды радаров и промышленных установок |
| с водяным охлаждением | до 200 кВт | водяное | мощные передатчики и СВЧ-нагрев |
Укороченные нагрузки уменьшают длину в несколько раз за счёт более эффективного поглотителя, но работают в полосе около 10 % и держат меньше мощности. Их ставят там, где длинная нагрузка не помещается.
Что означают цифры КСВН нагрузки на практике:
| КСВН нагрузки | Коэффициент отражения | Обратные потери, дБ | Отражается мощности |
|---|---|---|---|
| 1,03 | 0,015 | 36,6 | 0,02 % |
| 1,05 | 0,024 | 32,3 | 0,06 % |
| 1,10 | 0,048 | 26,4 | 0,23 % |
| 1,20 | 0,091 | 20,8 | 0,83 % |
| 1,25 | 0,111 | 19,1 | 1,23 % |
Нагрузка с КСВН 1,03 даёт обратные потери около 36 дБ — на уровне хорошего калибровочного эталона. Нагрузка с КСВН 1,25 отражает около процента мощности: для передатчика это пренебрежимо, для измерений КСВН других устройств — уже заметная погрешность.
Мощность и КСВН. У мощной нагрузки КСВН обычно 1,2–1,25, а не 1,05: большой поглотитель труднее согласовать. Для точных измерений на малой мощности берите отдельную измерительную нагрузку.
Поглотители и материалы
Поглотитель делают из композитов на основе карбида кремния, графита или ферритов в связующем. Для малой мощности достаточно клина из поглощающего пластика, для большой — керамики, которая выдерживает нагрев и хорошо отдаёт тепло корпусу. В нагрузках с водяным охлаждением поглощает сама вода, протекающая по трубке из радиопрозрачного материала внутри волновода. Корпус миллиметровых нагрузок делают из меди или латуни — там важна точность внутреннего сечения, у крупных — из алюминия, чтобы снизить массу.
Скользящая нагрузка
Даже хорошая нагрузка немного отражает, и это отражение складывается с отражением измеряемого устройства. Скользящая нагрузка решает проблему: поглотитель двигается внутри волновода. При сдвиге отражение от нагрузки меняет фазу и описывает окружность на диаграмме отражения, а её центр — это отражение остального тракта без нагрузки. Так исключают остаточное отражение нагрузки при калибровке и точных измерениях. Ход поршня должен быть не меньше половины длины волны в волноводе — у моделей каталога от 2 мм на WR10 до десятков миллиметров на крупных сечениях.
Короткозамкнутая нагрузка
Короткозамыкатель — металлическая пластина на фланце. Он отражает всю мощность с фазой 180°: КСВН формально бесконечен, в паспорте указывают «не менее 50–60». Применяют для калибровки анализаторов, настройки резонаторов и фильтров, проверки КСВН тракта «на отражение».
Смещённое КЗ
Короткозамыкатель, отнесённый от фланца на четверть длины волны в волноводе, на плоскости фланца ведёт себя как холостой ход — в волноводе его нельзя получить открытым концом. Поэтому в калибровочных наборах вместо «открытой» меры используют смещённое КЗ. Смещение в каталоге сходится с расчётом λв/4 на средней частоте сечения:
| Сечение | Частоты, ГГц | Смещение в каталоге, мм | λв/4 на средней частоте, мм |
|---|---|---|---|
| WR10 | 73,8-112 | 1,05 | 1,08 |
| WR112 | 6,57-9,99 | 11,7 | 12,18 |
| WR15 | 49,8-75,8 | 1,55 | 1,59 |
| WR187 | 3,94-5,99 | 19,6 | 20,29 |
| WR2300 | 0,32-0,49 | 239,5 | 248,50 |
| WR28 | 26,5-40,0 | 2,9 | 3,02 |
| WR42 | 17,6-26,7 | 4,4 | 4,54 |
| WR430 | 1,72-2,61 | 44,8 | 46,43 |
| WR75 | 9,84-15,0 | 7,8 | 8,10 |
| WR975 | 0,75-1,15 | 101,6 | 106,40 |
Небольшая разница — расчёт на среднегеометрической частоте, а смещение выбирают так, чтобы фаза была наиболее равномерной по всей полосе.
Подвижный короткозамыкатель
Поршень, который двигается внутри волновода, позволяет плавно менять фазу отражения. Им настраивают резонаторы, согласуют тракт вместе с другими элементами, снимают фазовые характеристики. Ход поршня в каталоге — от 10 мм на WR10 до 150 мм на крупных сечениях.
Рассогласованная нагрузка
Нагрузка с точно известным КСВН — 1,2, 1,5 или 2 — служит эталоном отражения. С ней проверяют, правильно ли измеряет КСВН анализатор или рефлектометр, и испытывают передатчики на устойчивость к рассогласованию: усилитель должен выдерживать заданный КСВН нагрузки без перегрева и искажений.
Нагрузки в калибровке анализатора
Волноводная калибровка анализатора цепей строится на тех же нагрузках: согласованная задаёт направленность, короткозамыкатель и смещённое КЗ — отражение, отрезок волновода — передачу. Точность калибровки напрямую зависит от того, насколько известны свойства мер. Поэтому в волноводных калибровочных наборах лежат прецизионные нагрузки и короткозамыкатели с паспортными смещениями, а для самых точных измерений — скользящие нагрузки.
Если отдельного набора нет, те же меры собирают из каталожных нагрузок одного сечения: согласованной, пластины КЗ и смещённого КЗ. Главное — ввести в анализатор реальные значения смещения и потерь, а не номинальные.
Нагрузки для гребневых и круглых волноводов
Для двухгребневых волноводов нагрузки делают с гребнями по форме сечения — они работают в полосе в несколько раз шире обычной. Для круглых волноводов — конические поглотители, которые одинаково поглощают любую поляризацию: это нужно при испытаниях облучателей и поляризаторов.
Нагрузка в развязанных плечах
Многие волноводные узлы имеют «лишний» порт, который надо чем-то закрыть: четвёртое плечо направленного ответвителя, развязанное плечо двойного Т-моста, третий порт вентиля. Туда ставят согласованную нагрузку. Её КСВН прямо влияет на направленность ответвителя и развязку моста: нагрузка с КСВН 1,2 отражает около 0,8 % мощности, и эта доля возвращается в тракт. Для измерительных узлов берут нагрузки с КСВН 1,05 и лучше, для мощных трактов — с запасом по мощности на случай рассогласования основного плеча.
Испытания передатчика на эквивалент
Передатчик радара или станции нельзя включать на открытый волновод: вся мощность вернётся в него. На стенде вместо антенны ставят мощную согласованную нагрузку — эквивалент антенны. Через направленный ответвитель перед ней снимают мощность и спектр, а сама нагрузка превращает киловатты в тепло. Мощность нагрузки берут с запасом: импульсные передатчики дают пиковую мощность, в сотни раз превышающую среднюю, и нагрузка должна выдерживать и то и другое без пробоя.
Уход и эксплуатация
Поглотитель согласованной нагрузки со временем стареет от нагрева, особенно у мощных моделей: КСВН медленно растёт. Нагрузки высокой мощности периодически проверяют на КСВН и температуру корпуса под нагрузкой. У нагрузок с водяным охлаждением контролируют расход и температуру воды: при остановке протока мощная нагрузка перегревается за секунды. Фланцы закрывают крышками, чтобы внутрь не попадали пыль, влага и мелкие частицы металла.
Типичные ошибки
- Берут мощную нагрузку для точных измерений КСВН и получают погрешность от её собственного отражения.
- Не учитывают пиковую мощность импульсного передатчика.
- Путают смещённое КЗ с обычным при калибровке и получают неверную модель меры.
- Ставят нагрузку на другой тип фланца — щель в стыке отражает и излучает.
- Не контролируют проток воды у нагрузок с водяным охлаждением.
- Оставляют развязанное плечо ответвителя без нагрузки и теряют его направленность.
Как выбрать волноводную нагрузку
- Задача: поглотить — согласованная; отразить — КЗ; эталон отражения — рассогласованная; калибровка — скользящая и смещённые КЗ.
- Сечение и фланец — по тракту.
- Мощность с запасом и способ охлаждения: естественное, воздушное, водяное.
- КСВН: для измерений 1,03–1,05, для мощных трактов допустимо 1,2–1,25.
- Полоса: полная полоса сечения или укороченная на 10 %.
- Длина и масса — если нагрузка встраивается в узел.
- Материал: медь для миллиметров, алюминий для крупных сечений.
- Для импульсных передатчиков — допустимая пиковая мощность, а не только средняя.
- Для калибровки — известные смещение КЗ и КСВН согласованной нагрузки.
Модели KADAMM
Все нагрузки и короткозамыкатели — в разделе волноводных нагрузок KADAMM.
| Частоты | 320 МГц – 330 ГГц |
| Моделей | 34 |
| Частоты | 320 МГц – 112 ГГц |
| Моделей | 78 |
| Частоты | 1,13 – 112 ГГц |
| Моделей | 22 |